隨著城市的擴大和大規模工業的發展，重金屬污染日益加劇。水環境中的重金屬可通過食物鏈長期累積在生物體內不可降解，在極其微量的情況下也會對各種生態系統產生不同程度的危害。因此，水環境中重金屬的現場實時檢測意義重大。電化學方法作為一種直接分析技術，由于其快速、低耗、靈敏度高、易操作等優點，是電分析技術中最常用的實時在線檢測手段。本文分析了基于溶出伏安法的電流型傳感器—微納電極陣列傳感器的電化學伏安特性，介紹了離子敏電位型傳感器—光尋址電位傳感器的基本原理，針對傳感器微型化、集成化和無線網絡化這三個發展方向，設計了微電極陣列傳感器和納米帶電極陣列傳感器，并結合光尋址電位傳感器，研制了光電復合微納傳感器芯片，開發了用于水環境重金屬監測的無線傳感器網絡節點。研究工作受國家高技術研究發展計劃(863計劃)項目和國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)項目的支持。

本文所做的主要工作和創新如下：

1、基于半導體微加工技術設計了金微電極陣列傳感器，陣列中相鄰電極之間的距離與電極直徑比為10：1；對傳感器的電位工作范圍、實際表面積及擴散層厚度進行了電化學表征；利用金微電極陣列傳感器可直接檢測純水背景樣本中的Pb2+和Cu2+，檢測靈敏度分別為23nA/μg和12nA/μg，檢出限分別為1.8pg/L和3.5μg/L。

2、優化了金微電極陣列傳感器鍍汞后的測試條件，包括溶液的pH值、富集電位與富集時間及電位掃描速率；汞膜金微電極陣列傳感器同時檢測純水背景樣本中的Zn2+、Cd2+、Pb2+和Cu2+四種重金屬元素，檢測靈敏度分別為33nA/μg、19nA/μg、65nA/μg和23nA/μg，檢出限分別為4.5μg/L、0.5μg/L、1.2μg/L和1.5μg/L；對海水背景樣本中的Cd2+、Pb2+和Cu2+進行了有效測定，檢測結果與國家標準分析方法—原子吸收光譜法的檢測值相符。

3、研制了納米帶電極陣列傳感器，包含50個金工作電極和50個鉑對電極；對傳感器進行了表面表征和伏安特性測試，傳感器特性良好；金納米帶電極陣列傳感器直接檢測純水背景樣本中的Pb2+和Cu2+，靈敏度分別為105nA/μg和88.5nA/μg，檢出限為0.97μg/L和0.73μg/L；檢測海水背景樣本中pb2+和Cu2+的濃度值分別為9.47±0.78μg/L和5.41±0.57μg/L，與原子吸收光譜法的測定值10±0.6μg/L和5±0.4μg/L接近。

4、探索了環境友好的鉍膜敏感材料的伏安特性，采用鉍膜金納米帶電極陣列傳感器檢測純水背景樣本中的Zn2+、Cd2+和Pb2+，檢測靈敏度分別為17nA/μg、28nA/μg和154.4nA/μg，采用鉍膜納米帶電極陣列傳感器檢測Cd2+和Pb2+的靈敏度最高；

5、針對水環境重金屬檢測傳感器集成化的發展方向，設計了光電復合微納傳感器芯片，將微電極陣列或納米帶電極陣列與光尋址電位傳感器集成在同一硅基底上；基于復合芯片，搭建了測試流路系統，實現了無線傳感器網絡節點的功能；通過復合芯片檢測純水背景樣本中的Zn2+、Pb2+和Cu2+獲得的偏置電壓與溶出峰電流值構建了對照工作表，建立了多元線性回歸方程組，實現了復合芯片的自校準。