全固态离子传感器的研制及其在西南印度洋热液探测中的应用

发布时间：2020-04-02 16:24

【摘要】：随着近年来工农业的发展,水质污染越来越严重,水域中的离子检测受到科学家的广泛关注。全固态离子传感器法是实现各水域中原位长期离子检测的重要方法,特别是对于深海复杂环境中的离子检测,全固态离子传感器法更显出其独特的优势。海底热液系统是海洋的巨大宝藏,蕴藏着人类生活所需的许多资源。但由于热液喷口附近化学环境恶劣,目前能用于热液离子探测的化学方法较少。因此,研发一种既能用于不同水域离子原位检测,又能用于海底恶劣环境下热液探测的全固态离子传感器,对于水域污染评估和海洋资源开发具有重要意义。一方面,本文利用电化学方法,以铅膜为中间层,PbSiO_3为敏感膜,制备了全固态Ag/Pb/PbSiO_3硅酸根离子传感器。该传感器响应机理来源于敏感膜表面与待测溶液之间可逆的离子交换反应和金属与膜之间的可逆电子交换反应。利用电子扫描电镜和电化学分析对传感器进行性能表征分析发现,传感器表面覆盖一层直径约为0.2-0.5 μm的颗粒薄膜,传感器对硅酸根响应的线性范围为10~(-1)-10~(-5)M,线性拟合斜率为-33.35～-3 1.77 mV/decade,响应时间为5 s左右,电阻抗约为65Ω,重复好,对NO3~-、SO_4~(2-)、CH_3COO~-、CO_3~(2-)和PO_4~(3-)等多种离子具有较好的选择性。除此之外,Ag/Pb/PbSiO_3硅酸根离子传感器体积小(直径约0.4 mm,长约2-3 cm),操作简单,易于集成,能够在野外环境下实现自容/在线式原位监测,具有广阔的应用前景。另一方面,本文介绍了全固态pH、Eh、H_2S和Ag/AgCl参比传感器的组装及标定方法。中国大洋341和4911在西南印度洋热液探测过程中,将该多参数化学传感器结合商业传感器(温度、甲烷、浊度、CTD传感器)搭载在摄像拖体上,在海水深超过2000 m的水下进行连续原位探测。在已知龙热液羽状流区,pH、Eh和H_2S传感器分别显示出18、49和98 mV的电位异常,表明该多参数化学传感器在热液羽状流区会出现电位异常;在西南印度洋未知区域,该传感器显示了轻微的异常,暗示该处可能存在热液羽状流。在应用过程中,所有化学传感器电位异常处都与商业传感器对应。应用结果表明,多参数化学传感器能够快速响应热液羽状流引起的海水化学环境异常,是深海热液探测的有效工具。
【图文】：

电化学传感器,基本原理

关系的可识别电信号，从而来定性或定量分析被检测物质含量的装置或者器件逡逑［３０］，其基本结构和原理如图１．１所示。首先将具有识别功能的材料固定在基材的逡逑表面从而形成相应感应元件；当感应元件与目标物质发生反应时，将获得的反应逡逑参数转化成感应信号；装置中的转换器将接收到的感应信号转化成可测量的电信逡逑号，然后把所获得的电信号通过电子系统进行二次放大处理后输出并由显示器记逡逑录下来。由于该电信号与目标物质浓度成一定的比例关系，，所以可以根据它们之逡逑间的线性关系对目标物质实现定性和定量分析检测［３１］。离子选择传感器是表示一逡逑种对某种特定的离子具有选择性的电化学传感器［３２］。其中ｐＨ电极是最早且至今逡逑研究最多的离子选择传感器，其原理基体上是以不同敏感膜对Ｈ＋具有选择性从逡逑而测定溶液的ｐＨ值。１９０６年，Ｃｒｅｍｅｒ和Ｈａｂｅｒ等人首次研制成ｐＨ坡璃电极［３３】，逡逑并随其配套仪器的完善而投入使用。随后，各种固态氧化物ｐＨ电极逐渐研制出逡逑来［３４－３７］。该传感器具有技术设备简单，易于制备，操作简单，检测速度快、不破逡逑坏样品等优点。逡逑＞邋１邋＾邋：邋－ｉｒ＾－逡逑■逦Ｕ逡逑目标物质逦感应元件逦换能器逦电信号逡逑图１．１电化学传感器的结构及其基本原理［３１］逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ｔｈｅ邋ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ邋ａｎｄ邋ｍｅｃｈａｎｉｓｍ邋ｏｆ邋ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ邋ｓｅｎｓｏｒｓ．逡逑除以上分光光度法、原子发射法、色谱法外

示意图,羽状,热液,流形

海底热液系统是岩石圈与大洋（水圈）在洋脊扩张中心、岛弧、弧后扩张中逡逑心及板内活动中心发生热和化学交换的产物［４８］。一般来说，海底热液系统由三个逡逑部分组成：补给区、反应区和释放区［４９］。如图１．２，岩浆沿通道上涌，在海底形逡逑成了新的洋壳。冷海水从洋壳断裂或微裂中向下渗透，下渗过程中被岩浆等热源逡逑加热，从围岩中淋滤出的铜、锌、铁、锰、铅、硫、硅等元素，枿后又沿裂隙上逡逑升从海底喷出，形成烟囱体结构（即黑烟囱）及热液羽状流ｔ５０＊５１ｌ。逡逑６逡逑
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：P715

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