便携式硝基污染物浓度检测系统设计与应用.pdf

摘要

随着工业化进程的加速，硝基污染物的环境风险日益显著，尤其是在水体污

染方面，硝基污染物2,4二硝基甲苯和2,4二硝基苯胺，因其难以降解，且会对环

境和人类健康构成严重威胁，受到人们的广泛关注。目前，针对硝基污染物虽然

已有多种检测方法，如高效液相色谱（HPLC）、质谱（MS）等，但这些方法往

往需要昂贵的仪器和复杂的操作程序，限制了在快速现场检测中的应用。因此，

开发一种低成本、高效率且易于操作的硝基污染物检测技术显得尤为重要。本研

究致力于设计一款高效的小型便携式硝基污染物浓度检测系统，本系统基于便携

式荧光光谱检测技术的思想，成功制备了Tb-MOF/PP（聚丙烯）荧光敏感薄膜，

并通过对光路结构进行细致分析，和对关键设计参数的严格控制，验证了其在检

测特定硝基污染物中的应用潜力。本研究主要工作包括：

（1）在材料制备方面，以Tb为中心合成Tb-MOFs，这些MOFs通过原位生

长法在PP薄膜上形成。制备的Tb-MOF/PP荧光敏感薄膜对2,4-二硝基甲苯和

2,4-二硝基苯胺显示出极高的选择性和灵敏度，且在310nm的紫外线激发下，荧

光强度随污染物浓度的变化显著，实现了迅速且高灵敏度的检测。通过进一步的

结构和表征研究，包括SEM、FTIR、XPS和荧光光谱等分析，深入揭示了荧光

敏感薄膜的微观结构和荧光猝灭响应机制。通过定量分析，本系统在对2,4-二硝

基苯胺的检测中实现了0-70mg/L的良好线性范围和0.361mg/L的检测限，在对

2,4-二硝基甲苯的检测中实现了0-100mg/L的良好线性范围和7.981mg/L的检测

限。

（2）在光学结构设计方面，本研究对几种光路结构进行了比较，最终选择

了小型平谱全息凹面光栅进行设计，充分考虑了分辨率、体积和成本效益。检测

系统的光谱检测部分，达到了350-700nm的光谱范围和5nm的光学分辨率，检

测设备的尺寸被控制在5×15×15cm3以内，优化了便携性和应用的灵活性。

（3）在硬件和软件集成方面，研究采用了紫外LED光源模块、TCD1304AP

线性CCD芯片和STM32F401CCU6微控制器等器件，确保了系统的高效稳定运

行。上位机软件的开发基于LabVIEW环境，不仅提供了直观的用户界面，还实

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现了实时数据处理和分析，进一步提高了检测的准确性和操作的便利性。

最终，通过实验验证，该便携式荧光检测系统在2,4-二硝基甲苯和2,4-二硝

基苯胺的检测中表现出了优异的性能。该研究不仅为实现高性能的光谱检测设备

提供了有效的技术方案，而且对环境监测与分析领域具有重要的理论和实践意

义。本研究的成功展示了软硬件紧密结合的重要性，为未来相关设备的设计和应

用开辟了新的路径，尤其在快速现场检测和环境监测方面展现了巨大的应用潜

力。

关键词：环境监测，镧系金属有机框架材料，荧光探测，光谱仪

Abstract

Withtheaccelerationofindustrialization,theenvironmentalrisksofnitroaromatic

pollutantshavebecomeincreasinglysignificant,especiallyintermsofwaterpollution.

Nitroaromaticpollutants,suchas2,4-dinitrotolueneand2,4-dinitroaniline,have

attractedwidespreadattentionduetotheirdifficultyindegradationandthesevere

threatstheyposetotheenvironmentandhumanhealth.