一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法及系统，本发明专利技术的土壤重金属检测方法首先对土壤样本进行浸提处理，并将过滤后的土壤浸提液注入传感器样本池，然后采用差分脉冲溶出伏安技术对土壤中的铅、镉重金属进行定量和定性检测，配合重金属快速检测仪使用，实现土壤中铅、镉的快速实时检测，具有实用性强、携带方便、检测精度高、分析速度快，容易操作等特点，非常适合于对土壤中的重金属污染物进行现场快速检测。土壤重金属检测系统包括集成微传感器和重金属检测仪，设计简单精巧，高度集成化，具有结构紧凑、体积小、便于携带、成本低、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，同时避免了传统传感器由于多次使用造成的样本交叉污染问题。

Method and system for detecting soil heavy metal based on integrated micro sensor

The invention discloses a heavy metal detection method and system of integrated micro sensor based on soil heavy metals, the detection method of the invention firstly extracted soil samples, and the filtered soil extracts into sensor sample pool, and then by differential pulse stripping voltammetry of lead and cadmium in soil the quantitative and qualitative detection of heavy metals, with the use of rapid detection of heavy metals, to achieve rapid real-time detection of lead and cadmium in soil, has strong practicability, convenient carrying, high detection precision, fast analysis speed, easy operation, very suitable for on-site rapid detection of heavy metal pollutants in soil. The soil heavy metal detection system includes integrated micro sensors and heavy metal detector has the advantages of simple design, compact, highly integrated, has the advantages of compact structure, small volume, easy carrying, low cost, high sensitivity and strong anti-interference ability, while avoiding the traditional sensor due to sample cross contamination problems caused by repeated use.

【技术实现步骤摘要】
一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法及系统
本专利技术涉及一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法及系统，属于环境污染物检测

技术介绍
近年来，土壤重金属污染问题日益引起人们的重视。重金属有数十种之多，其中铅和镉是世界卫生组织认定的一级环境污染物，主要随着矿山开采、工业污水排放以及含重金属的化肥农药的使用进入到土壤环境中。重金属在土壤中很难分解，被植物吸收后可通过食物链进入人体体内，危及人类健康。实时、快速地对土壤中的铅和镉元素进行检测和分析，对于保证农业产地环境安全和农产品质量安全具有非常重要的意义。传统的土壤重金属检测方法是对土壤进行取样后送专业实验室，采用原子吸收光谱法(AAS)、原子发射光谱法(AES)、电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)等进行检测。这些方法都具有较好的检测灵敏度和准确性，但主要缺点是仪器体积大、价格昂贵、分析时间长、流程复杂。我国国土面积广大，急需一种快速、廉价、便于操作的方法对土壤重金属污染进行快速检测和评估。传统电化学重金属检测采用的传感器为棒状玻碳电极，体积大，成本高，使用之前需要进行打磨，重复使用过程中还容易造成样本的污染。传统电极在使用时需要配备专用的电解池，进一步提高了设备成本，降低了设备的便携性以及用于野外测量的可操作性。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提出了一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法及系统，不仅能够快速、准确、简便地进行重金属的检测，而且检测装置具有便于携带、价格低廉和使用方便的特点。本专利技术解决其技术问题采取的技术方案是：一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法，其特征是，包括以下过程：一、土壤样本浸提处理：首先将采集的被检查土壤经80℃烘干1h，利用研钵粉碎并研磨后过80目筛，制成均匀的粉末状土壤样本；然后称取1g粉末状土壤样本，加入40ml浓度为0.2mol/L的醋酸和柠檬酸1:1混合溶液，并进行超声浸提处理1h；最后利用0.2um过滤器对浸提处理后的样本溶液进行两次过滤，并采用0.2mol/L醋酸钠缓冲液将样本溶液pH值调节至4.5；二、重金属检测：首先将pH值为4.5的样本溶液直接注入集成微传感器的样本池中，集成微传感器的工作电极、参比电极和对电极位于样本池内底部；然后将集成微传感器的电极导线与重金属检测仪连接，采用差分脉冲溶出伏安技术进行电化学检测，检测参数为：沉积电势-1.2V；沉积时间：120s，扫描起始电位-1.2V；扫描结束电位0V；扫描频率：20Hz；扫描脉冲幅度：50mV；扫描脉冲宽度：20mV；扫描振幅：50mV；扫描步进电势：5mV；最后重金属检测仪将获得的溶出伏安图和重金属检测结果进行存储和显示。进一步地，所述采用差分脉冲溶出伏安技术进行电化学检测的过程包括以下步骤：S1.将集成微传感器的工作电极、参比电极和对电极分别通过导线与重金属检测仪的相连；S2.设置检测参数；S3.重金属检测仪产生电压激励信号并加载到集成微传感器的参比电极和对电极上；S4.重金属检测仪采集工作电极在检测过程中产生的电流信号并对电流信号进行差分脉冲伏安检测；S5.重金属检测仪将获得溶出伏安图和重金属检测结果进行存储和显示。进一步地，溶出伏安图和重金属检测结果的显示过程为：将溶出伏安图按照预先建立的重金属浓度与峰电流之间的线性关系对铅和镉进行定量分析，并采用重金属溶出伏安曲线表示，重金属溶出伏安曲线上-0.8V左右的溶出峰对应重金属镉，-0.6V左右的溶出峰对应重金属铅。本专利技术还提供了一种基于集成微传感器的土壤重金属检测系统，其特征是，包括集成微传感器和重金属检测仪，集成微传感器由一个圆柱状样本池和一个片状微电极组成，片状微电极采用混合印刷浆料通过丝网印刷工艺制作，片状微电极上设置有工作电极、参比电极和对电极，所述工作电极为设置在圆柱状样本池底部中心位置的圆盘形工作电极，圆盘形工作电极的外围是圆弧条状参比电极和圆弧条状对电极，所述圆弧条状参比电极和圆弧条状对电极位于圆盘状工作电极的两侧且关于圆盘状工作电极端对称；所述工作电极、参比电极和对电极对应连接有电极导线；所述工作电极的表面从里向外分别设置有对氨基苯磺酸高分子膜和铋金属薄膜；所述重金属检测仪包括信号处理电路、模数/数模转换器和控制器；所述信号处理电路用以对集成微传感器的工作电极在检测过程中产生的电流信号进行采集并发送给模数/数模转换器，以及用以将控制器发送的电压激励信号加载到集成微传感器的参比电极和对电极上；所述模数/数模转换器包括模数转换器和数模转换器，所述模数转换器用以将信号处理电路发送的电流信号进行模数转换后发送给控制器进行差分脉冲伏安检测；所述数模转换器用以对控制器产生的电压激励信号进行数模转换并发送给信号处理电路；所述控制器用以产生电压激励信号并通过模数转换器发送给信号处理电路，以及对电流信号进行处理后进行差分脉冲伏安检测获得溶出伏安图和重金属检测结果。优选地，所述信号处理电路包括电压跟随电路、电流缓冲电路、电流/电压转换电路和滤波电路，所述电压跟随电路分别与参比电极和数模转换器连接，用以将控制器发送的电压激励信号加载到参比电极上；所述电流缓冲电路分别与对电极和控制器连接，用以对对电极上的电流进行传导和缓冲；所述电流/电压转换电路的一端与工作电极连接，另一端经过滤波电路与模数转换器连接，用以采集工作电极在检测过程中产生的微弱电流信号，并对电流信号进行电流/电压转换以及信号放大、滤波处理。优选地，所述电压跟随电路采用OPA124运算放大器，用以保证参比电极的电势跟随电压激励信号的输出电压变化，同时保证参比电极上没有电流通过；所述电流缓冲电路采用OPA2277运算放大器，用以对对电极提供电流导出和缓冲；所述电流/电压转换电路包括反向运算放大电路、模拟多路转换器和反馈电阻网络，所述反向放大电路采用OP07运算放大器，所述模拟多路转换器采用MAX308模拟多路复用器，所述反馈电阻网络由一只100KΩ电阻、一只1MΩ电阻、一只10MΩ电阻和一只100MΩ电阻组成；所述滤波电路由一只10KΩ电阻和一只1μF电容组成。优选地，所述控制器包括处理器、存储器、显示屏和操作按键，所述的存储器、显示屏和操作按键分别与处理器连接，所述处理器用以产生电压激励信号，以及接收采集的工作电极在检测过程中产生的电流信号，并对电流信号进行处理后进行差分脉冲伏安检测获得溶出伏安图和重金属检测结果；所述存储器用以存储溶出伏安图和重金属检测结果；所述显示屏用以显示溶出伏安图和重金属检测结果；所述操作按键用以设置参数和功能操作。本专利技术还提供了一种应用于集成微传感器的片状微电极制作方法，其特征是，所述集成微传感器为应用于上述所述土壤重金属检测系统的集成微传感器，片状微电极的制作方法包括以下过程：(a)分别配制工作电极、对电极和参比电极的印刷浆料；(b)首先利用丝网印刷机在聚四氟乙烯基片上分别印刷圆盘状工作电极、圆弧条状参比电极和圆弧条状对电极及对应的电极引线，然后在电极引线上覆盖一层聚乙烯薄膜，最后放入烘箱中100℃干燥2h，取出后进行室温冷却；(c)圆盘状工作电极、圆弧条状参比电极和圆弧条状对电极表面经乙醇和超纯水清洗后，利用电沉积方法在工作电极表面依次修饰对氨基苯磺酸高分子膜和铋金属薄膜；(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法，其特征是，包括以下过程：一、土壤样本浸提处理：首先将采集的被检查土壤经80℃烘干1h，利用研钵粉碎并研磨后过80目筛，制成均匀的粉末状土壤样本；然后称取1g粉末状土壤样本，加入40ml浓度为0.2mol/L的醋酸和柠檬酸1:1混合溶液，并进行超声浸提处理1h；最后利用0.2um过滤器对浸提处理后的样本溶液进行两次过滤，并采用0.2mol/L醋酸钠缓冲液将样本溶液pH值调节至4.5；二、重金属检测：首先将pH值为4.5的样本溶液直接注入集成微传感器的样本池中，集成微传感器的工作电极、参比电极和对电极位于样本池内底部；然后将集成微传感器的电极导线与重金属检测仪连接，采用差分脉冲溶出伏安技术进行电化学检测，检测参数为：沉积电势‑1.2V；沉积时间：120s，扫描起始电位‑1.2V；扫描结束电位0V；扫描频率：20Hz；扫描脉冲幅度：50mV；扫描脉冲宽度：20mV；扫描振幅：50mV；扫描步进电势：5mV；最后重金属检测仪将获得的溶出伏安图和重金属检测结果进行存储和显示。

【技术特征摘要】
1.一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法，其特征是，包括以下过程：一、土壤样本浸提处理：首先将采集的被检查土壤经80℃烘干1h，利用研钵粉碎并研磨后过80目筛，制成均匀的粉末状土壤样本；然后称取1g粉末状土壤样本，加入40ml浓度为0.2mol/L的醋酸和柠檬酸1:1混合溶液，并进行超声浸提处理1h；最后利用0.2um过滤器对浸提处理后的样本溶液进行两次过滤，并采用0.2mol/L醋酸钠缓冲液将样本溶液pH值调节至4.5；二、重金属检测：首先将pH值为4.5的样本溶液直接注入集成微传感器的样本池中，集成微传感器的工作电极、参比电极和对电极位于样本池内底部；然后将集成微传感器的电极导线与重金属检测仪连接，采用差分脉冲溶出伏安技术进行电化学检测，检测参数为：沉积电势-1.2V；沉积时间：120s，扫描起始电位-1.2V；扫描结束电位0V；扫描频率：20Hz；扫描脉冲幅度：50mV；扫描脉冲宽度：20mV；扫描振幅：50mV；扫描步进电势：5mV；最后重金属检测仪将获得的溶出伏安图和重金属检测结果进行存储和显示。2.如权利要求1所述的一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法，其特征是，所述采用差分脉冲溶出伏安技术进行电化学检测的过程包括以下步骤：S1.将集成微传感器的工作电极、参比电极和对电极分别通过导线与重金属检测仪的相连；S2.设置检测参数；S3.重金属检测仪产生电压激励信号并加载到集成微传感器的参比电极和对电极上；S4.重金属检测仪采集工作电极在检测过程中产生的电流信号并对电流信号进行差分脉冲伏安检测；S5.重金属检测仪将获得溶出伏安图和重金属检测结果进行存储和显示。3.如权利要求1或2所述的一种基于集成微传感器的土壤重金属检测方法，其特征是，溶出伏安图和重金属检测结果的显示过程为：将溶出伏安图按照预先建立的重金属浓度与峰电流之间的线性关系对铅和镉进行定量分析，并采用重金属溶出伏安曲线表示，重金属溶出伏安曲线上-0.8V左右的溶出峰对应重金属镉，-0.6V左右的溶出峰对应重金属铅。4.一种基于集成微传感器的土壤重金属检测系统，其特征是，包括集成微传感器和重金属检测仪，集成微传感器由一个圆柱状样本池和一个片状微电极组成，片状微电极采用混合印刷浆料通过丝网印刷工艺制作，片状微电极上设置有工作电极、参比电极和对电极，所述工作电极为设置在圆柱状样本池底部中心位置的圆盘形工作电极，圆盘形工作电极的外围是圆弧条状参比电极和圆弧条状对电极，所述圆弧条状参比电极和圆弧条状对电极位于圆盘状工作电极的两侧且关于圆盘状工作电极端对称；所述工作电极、参比电极和对电极对应连接有电极导线；所述工作电极的表面从里向外分别设置有对氨基苯磺酸高分子膜和铋金属薄膜；所述重金属检测仪包括信号处理电路、模数/数模转换器和控制器；所述信号处理电路用以对集成微传感器的工作电极在检测过程中产生的电流信号进行采集并发送给模数/数模转换器，以及用以将控制器发送的电压激励信号加载到集成微传感器的参比电极和对电极上；所述模数/数模转换器包括模数转换器和数模转换器，所述模数转换器用以将信号处理电路发送的电流信号进行模数转换后发送给控制器进行差分脉冲伏安检测；所述数模转换器用以对控制器产生的电压激励信号进行数模转换并发送给信号处理电路；所述控制器用以产生电压激励信号并通过模数转换器发送给信号处理电路，以及对电流信号进行处理后进行差分脉冲伏安检测获得溶出伏安图和重金属检测结果。5.根据权利要求4所述的一种基于集成微传感器的土壤重金属检测系统，其特征是，所述信号处理电路包括电压跟随电路、电流缓冲电路、电流/电压转换电路和滤波电路，所述电压跟随电路分别与参比电极和数模转换器连接，用以将控制器发送的电压激励信号加载到参比...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志强，杨晓婧，李彩虹，史庆瑞，
申请(专利权)人：山东理工大学，
类型：发明
国别省市：山东,37