孫啟永，張 文，李海波，趙 炎，萬 浩，趙會欣，王 旭，王 平

(浙江大學生物傳感器國家專業(yè)實驗室，生物醫(yī)學工程教育部重點實驗室，生儀學院，杭州310027)

當前人類活動范圍日益擴大，各種工業(yè)、農(nóng)業(yè)與生活廢棄物被排入河流、湖泊及海洋;不可避免地造成水環(huán)境重金屬污染，并已經(jīng)開始威脅人類生存環(huán)境。重金屬元素種類多樣，因毒性及生物富集特性，以鉛、汞、鎘、砷、銅等對人體危害較大。即使在很低的濃度下(10 μg/L數(shù)量級)，上述重金屬元素仍然可能對人體造成明顯影響;且某些重金屬元素一旦進入人體，很難通過新陳代謝排出體外，因而加重其危害［1］。

原子吸收法AAS(Atomic Absorption Spectrometry)和電感耦合等離子質(zhì)譜法ICP-MS(Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry)是實驗室檢測重金屬含量的重要標準方法。上述兩種方法具有精度高、檢出限低、能夠檢測多種重金屬等優(yōu)點;然而，由于儀器價格昂貴、試劑準備工作繁瑣、檢測過程操作復雜等缺點，無法在現(xiàn)場對自然水樣重金屬含量進行檢測［2］。與此對比，溶出伏安法SV(Stripping Voltammetry)具有靈敏度高、成本低、易于實現(xiàn)快速檢測等特點，已經(jīng)成為水環(huán)境重金屬現(xiàn)場檢測的最重要方法之一［3-7］。特別地，隨著微機電加工技術進步，在電化學系統(tǒng)中，微米或納米尺度的微電極陣列MEA(Micro Electrode Array)發(fā)展迅速［8-9］;相對傳統(tǒng)電化學電極，微電極陣列具有傳質(zhì)速率高、電流密度大、時間常數(shù)小、信噪比高、一致性好等優(yōu)良特性，在水環(huán)境重金屬現(xiàn)場檢測中應用愈加廣泛［10-12］。

進入21世紀之后，無線傳感器網(wǎng)絡 WSN(Wireless Sensor Network)因為分布式、自組織、低成本等特點，得到了迅速發(fā)展。通過引入無線傳感器網(wǎng)絡，可以將水環(huán)境重金屬現(xiàn)場檢測的范圍，由單點擴展到區(qū)域［13］;如圖1所示，多個傳感節(jié)點分布于大范圍水域，共同檢測區(qū)域水環(huán)境中重金屬含量;節(jié)點之間通過射頻通訊，組織成網(wǎng)絡并將數(shù)據(jù)發(fā)往岸邊的信息節(jié)點或岸邊計算機;最后通過互聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星通訊等方式傳送至遠程監(jiān)測中心。

圖1 無線傳感器網(wǎng)絡用于區(qū)域水環(huán)境重金屬檢測

因此，提出了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的現(xiàn)場檢測技術:以自行研制的帶狀微電極陣列為核心敏感器件，開發(fā)了自動化重金屬現(xiàn)場檢測儀器;多臺儀器通過802.11 b/g無線協(xié)議組成無線傳感器網(wǎng)絡，共同檢測區(qū)域水環(huán)境中重金屬含量，并將檢測結果傳送至岸邊計算機，從而實現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境重金屬檢測。

1 系統(tǒng)結構與設計

1.1 帶狀微電極陣列

如圖2(a)所示，帶狀微電極陣列由多個帶狀微電極組成。各電極彼此隔開，間距等于或大于工作維度尺寸的10倍，保證相鄰電極的擴散層不會因重疊而相互干擾，電流具有可加性。帶狀微電極陣列的制作工藝如下:微電極陣列的基底為N型硅材料(15 Ω·cm)，厚度為 300 μm;將硅基底通過標準工藝清洗后，在兩側外延生長厚度為100 nm厚的SiO2層;通過磁控濺射的方法，在SiO2層表面生成20 nm厚的TiW黏附層;隨后，在基底兩側的TiW黏附層上，分別濺射厚度為100 nm的金/鉑電極層，其中金電極作為工作電極，鉑電極作為對電極;最后，使用等離子增強化學氣相沉積法沉積絕緣層，并光刻局部絕緣層，形成焊盤區(qū)域。

圖2 帶狀微電極陣列介紹

使用導電銀漿將加工完成的帶狀微電極陣列封裝在PCB上;封裝過程可以使用兩片PCB疊加的方式完成，帶狀微電極陣列工作表面高出測試腔內(nèi)液體底部一定高度(約2 mm左右);在封裝完成后，帶狀微電極陣列施加導電銀漿部分及不必要的PCB導電區(qū)域均以絕緣硅橡膠密封，防止與待測溶液接觸，如圖2(b)所示;在此基礎上，使用聚甲基丙烯酸甲酯材料加工測試腔，測試腔容積約為2.47 mL左右，并以密封硅橡膠作防水處理;為構成三電極系統(tǒng)，使用外置Ag/AgCl電極作為參比電極。

1.2 儀器整體設計

如圖3(a)所示，重金屬現(xiàn)場檢測儀器主要由水路系統(tǒng)、檢測電路、包含微電極陣列的測試腔及無線網(wǎng)卡等四部分組成。其中，水路系統(tǒng)以注射泵與多通閥為核心(注射泵型號 Micro CSP-3000，美國FIAlab公司;多通閥型號 Vici C22-6186E，加拿大Valco儀器公司)，完成清洗測試腔、進樣品、加緩沖液、加標、排樣品等功能。檢測電路均為自行研制;檢測電路主要功能包括儀器工作流程控制、水路系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)采集/傳輸以及算法功能實現(xiàn)，具體表現(xiàn)為:接收遠端計算機發(fā)送的控制命令以及檢測參數(shù)，通過微處理器的接收解析并完成指定任務(如上述水路系統(tǒng)功能);定時采集工作電極溶出電流數(shù)據(jù)，并通過微處理器將經(jīng)過預處理的數(shù)據(jù)打包發(fā)送回遠端計算機(通過無線網(wǎng)卡實現(xiàn));測量與數(shù)據(jù)傳輸完成后，微處理器按照預設程序，通過泵閥接口控制水路，排空并清洗管路，準備下一階段的檢測。特別地，恒電位儀通過使用差分脈沖溶出伏安法進行掃描，具體設置參數(shù)為:富集電壓-1.1 V，富集時間85 s;掃描電壓范圍-1.0 V至0.25 V;脈沖高度24 mV;電壓步進5 mV;脈沖周期50 ms。微電極陣列在測試腔內(nèi)完成檢測過程，測試腔對微電極陣列提供一定的保護，避免或減輕環(huán)境溫度、濕度、灰塵、振動等各種外部因素影響。除無線網(wǎng)卡外，儀器其他部分均安裝在金屬機箱內(nèi)，如圖3(b)所示。

圖3 重金屬現(xiàn)場檢測儀器

為避免金屬機箱屏蔽效應，無線網(wǎng)卡外置;無線網(wǎng)卡使用了適應室外應用的工業(yè)級商品化設備，型號為LP-9387 802.11b/g USB(臺灣 LOOPCOMM 公司)。

1.3 無線及組網(wǎng)功能實現(xiàn)

以重金屬現(xiàn)場檢測儀器為基礎，構成水環(huán)境重金屬檢測系統(tǒng)，這個過程可以分為兩個步驟實現(xiàn):第一，單臺儀器與岸邊計算機通過802.11 b/g無線協(xié)議進行連接，構成基本的無線檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)某一地點的水環(huán)境重金屬現(xiàn)場檢測;第二，多臺儀器無線互聯(lián)，構成無線傳感器網(wǎng)絡，并與岸邊計算機通訊，實現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境重金屬現(xiàn)場檢測。

圖4(a)所示為基于單臺儀器的水環(huán)境重金屬檢測系統(tǒng)。儀器以專用浮標為載體:浮標布置于自然水域，由太陽能和蓄電池提供電源;儀器安裝在浮標上，由浮標供電;在岸邊布置有計算機，為遠程監(jiān)測中心和儀器之間提供指令和數(shù)據(jù)的中繼;岸邊計算機與無線路由器由網(wǎng)線連接，兩者與浮標之間的距離控制在1 km以內(nèi)，并通過802.11 b/g無線協(xié)議連接;無線路由器同樣選用工業(yè)級商品化設備，型號為 CPE-2630A/B/G/N(臺灣 ARGTEK公司)。為保證無線傳輸質(zhì)量，無線網(wǎng)卡固定在浮標桅桿頂部。在基于單臺儀器無線監(jiān)測系統(tǒng)的基礎上，可以引入多臺儀器構建區(qū)域水環(huán)境重金屬檢測系統(tǒng):如圖4(b)所示，在天然水域內(nèi)布置多個安裝測試儀器的浮標;臨近浮標可以通過安裝在桅桿頂部的無線網(wǎng)卡進行無線通訊;指令信息通過浮標間的無線中繼由岸邊計算機傳送到預定的目標，而檢測數(shù)據(jù)同樣由無線中繼傳送到距離岸邊計算機最近的浮標，并進一步傳送至岸邊計算機。

圖4 無線及組網(wǎng)功能示意圖

2 實驗與討論

2.1 試劑準備

實驗用純水為Milli-Q超純水機(美國Millipore公司)制取，電阻率≥18 Ω·cm(25℃)。鍍汞液為硝酸底液的硝酸汞溶液，硝酸汞濃度為300 mg/L，溶液pH=2。純水背景的鋅、鉛、銅加標液由國家海洋局第二海洋研究所提供，其中鋅、鉛、銅的濃度均為1 mg/L，使用硝酸作為穩(wěn)定劑(pH=1)，室溫下保存穩(wěn)定期一年以上。緩沖液為濃度0.1 mol/L醋酸。為驗證帶狀微電極陣列性能及儀器精確度，配置了五種濃度不同的重金屬標準溶液:在每種溶液中鋅、鉛、銅含量均相等;不同溶液中各重金屬含量分別 10 μg/L、20 μg/L、30 μg/L、40 μg/L及50 μg/L。上述試劑純度均為分析純，使用聚四氟乙烯材料容器密封盛放;容器在使用前均使用稀硝酸浸泡48 h，并用純水洗凈烘干。

2.2 溶出伏安測量

使用重金屬現(xiàn)場檢測儀器對上述五種鋅、鉛、銅重金屬標準溶液進行測量，得到五組溶出伏安曲線，如圖5(a)所示。由溶出曲線可以看出，鋅、鉛、銅的溶出峰在電壓軸上能較好地區(qū)分;溶出峰形狀清晰規(guī)則，無明顯疊加噪聲;由重金屬濃度不同，各組溶出曲線之間呈現(xiàn)明顯、規(guī)則的梯度。以重金屬離子濃度為橫軸，以經(jīng)基線校正而得到的溶出峰峰高為縱軸，可得到鋅、鉛、銅重金屬的校準曲線，如圖5(b)所示;對于鋅、鉛、銅重金屬，校準曲線的相關系數(shù)均在0.99以上，呈現(xiàn)出較好的線性;重復進行多次試驗，均可獲得基本一致的溶出伏安曲線與校準曲線，且校準曲線相關系數(shù)基本不變。另外，通過多次重復測量與標準溶液具有相同基底的空白溶液，取測量結果的三倍方差，確認儀器對鋅、鉛、銅重金屬的檢出限分別為 0.4 μg/L，1 μg/L 及 0.4 μg/L。

圖5 溶出伏安測量結果

2.3 無線傳輸距離及組網(wǎng)功能驗證

為了模擬現(xiàn)場環(huán)境，在浙江大學紫金港校區(qū)的啟真湖水域?qū)x器通訊功能進行了測試驗證。以筆記本計算機作為岸邊計算機，通過RJ-45網(wǎng)線接口與無線路由器連接;因水面距離限制，儀器與無線網(wǎng)卡并未安裝于浮標，而以置于水域?qū)Π洞?兩者建立跨過湖面的無線通訊，如圖6所示。由Google Earth軟件判斷，兩者距離約為1 050 m。在1 050 m距離上，岸邊計算機均可以遠程控制儀器完成對水樣的取樣與檢測。

圖6 在啟真湖水域進行無線傳輸測試

在重金屬現(xiàn)場檢測儀器中提取無線網(wǎng)卡及微處理器部分，制作了簡化的中繼節(jié)點;除不具備測量功能外，中繼節(jié)點具有與重金屬現(xiàn)場檢測儀器相同的無線特性;使用重金屬現(xiàn)場檢測儀器、中繼節(jié)點和岸邊計算機，進行組網(wǎng)功能驗證。實驗表明:重金屬現(xiàn)場檢測儀器、中繼節(jié)點和岸邊計算機可以組成無線傳感器網(wǎng)絡;通過中繼節(jié)點，岸邊計算機可以遠程控制儀器完成檢測，控制距離不小于2 000 m?？梢酝普?如果將中繼節(jié)點替換為重金屬現(xiàn)場檢測儀器，在完成中繼功能的同時，可以對該位置重金屬含量進行檢測;使用岸邊計算機與多臺重金屬現(xiàn)場檢測儀器，可以組成無線傳感器網(wǎng)絡，實現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境重金屬檢測。

2.4 自然水域樣品測試

使用重金屬現(xiàn)場檢測儀器對自然水域樣品進行了測試，在測試中模擬了浮標應用環(huán)境，使用無線傳感器網(wǎng)絡對儀器進行控制，完成了遠程控制與測量過程，證明了可以通過浮標等載體，實現(xiàn)對自然水域重金屬元素的自動、無人檢測。將儀器法實驗結果與原子吸收法進行了對比驗證，結果如表1所示。重金屬現(xiàn)場檢測儀器采用溶出伏安法，檢測樣品中重金屬離子濃度，而原子吸收法檢測樣品中重金屬總量;因此原子吸收法的測量結果高于前者;盡管如此，在同一水域內(nèi)，樣品基底基本近似，因此重金屬現(xiàn)場檢測儀器測量結果與原子吸收法測量結果之間仍存在較好的相關性。隨元素種類不同，水環(huán)境中重金屬離子占總量比例在35% ～70%之間變動;該比例同樣因水環(huán)境的地域區(qū)別而變化［14］。

表1 自然水域樣品的測試結果

3 結論與展望

提出了一種帶狀微電極陣列芯片，開發(fā)了自動化的重金屬現(xiàn)場檢測儀器，用于鋅、鉛、銅等三種重金屬離子的檢測;重金屬現(xiàn)場檢測儀器可以作為傳感節(jié)點，與岸邊計算機通過802.11 b/g無線協(xié)議構成無線傳感器網(wǎng)絡;在檢測過程中，可以使用點對點形式完成對傳感節(jié)點的遠程控制和查詢，實現(xiàn)局部水環(huán)境重金屬檢測;同時，也可以對多個檢測節(jié)點同時進行控制，實現(xiàn)區(qū)域水環(huán)境重金屬檢測。

目前，重金屬現(xiàn)場檢測儀器已經(jīng)完成實驗室樣本驗證;無線傳輸距離及組網(wǎng)功能已經(jīng)由天然水域的現(xiàn)場測試而得到驗證;使用儀器測試自然水域樣品，并與原子吸收法進行了對比，驗證了數(shù)據(jù)的可靠性。下一步將在太湖水域應用重金屬現(xiàn)場檢測儀器，組成無線傳感器網(wǎng)絡，進行更加深入的現(xiàn)場應用。

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