集成光催化預(yù)處理功能的水樣重金屬微分析系統(tǒng)研究

一、項目背景

環(huán)境污染是當(dāng)今社會面臨的重要問題，特別是水體重金屬污染，對人類健康和生態(tài)環(huán)境構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此，開發(fā)準(zhǔn)確的水樣重金屬分析方法具有重要意義。光催化氧化技術(shù)在解決水環(huán)境污染等重大問題方面有著廣泛的研究和應(yīng)用，但直接作為樣品預(yù)處理技術(shù)集成于微流控芯片還很少見。基于此，集成光催化預(yù)處理功能的水樣重金屬微分析系統(tǒng)應(yīng)運而生。

二、項目簡介

該項目是由杭州師范大學(xué)的葉美英教授負(fù)責(zé)，依托杭州師范大學(xué)進(jìn)行的青年科學(xué)基金項目研究。項目的目標(biāo)是研制一種基于液芯波導(dǎo)的光催化流動型微反應(yīng)器和微流控芯片分析的在線樣品預(yù)處理技術(shù)，以實現(xiàn)水樣中重金屬的快速分析。

三、技術(shù)原理

該系統(tǒng)以液芯波導(dǎo)技術(shù)的高光傳輸效率和微流控芯片的微流體控制為基礎(chǔ)，通過在液芯波導(dǎo)管內(nèi)壁均勻涂覆TiO2薄膜，使光線在波導(dǎo)管內(nèi)長距離傳播。通過光纖將激光耦合進(jìn)液芯波導(dǎo)管，將波導(dǎo)管與微通道相耦合，利用芯片的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)控制樣品及試劑溶液的流動，使物質(zhì)在液芯波導(dǎo)管中實現(xiàn)在線光催化降解。隨后，利用芯片毛細(xì)管電泳對水樣中重金屬離子進(jìn)行在線分離和電化學(xué)檢測。

四、系統(tǒng)特點與優(yōu)勢

在線預(yù)處理：通過光催化氧化技術(shù)，實現(xiàn)了物質(zhì)的在線光催化降解，為后續(xù)的重金屬分析提供了清潔的樣品。

微型化：系統(tǒng)集成了樣品預(yù)處理、分離、檢測于一體，實現(xiàn)了微型化，便于攜帶和操作。

快速準(zhǔn)確：利用芯片毛細(xì)管電泳進(jìn)行重金屬離子的在線分離和電化學(xué)檢測，提高了分析的準(zhǔn)確性和速度。

環(huán)保節(jié)能：光催化氧化技術(shù)作為一種無污染的處理技術(shù)，符合環(huán)保節(jié)能的要求。

五、研究成果與應(yīng)用

實現(xiàn)了磷水樣的在線光催化降解及總磷檢測：總磷的檢測范圍為0.05~5mg/L，檢出限為0.013mg/L，與國標(biāo)法的線性范圍和檢出限非常接近。

實現(xiàn)了EDTA-重金屬水樣的在線光催化及重金屬Cd2+的電化學(xué)檢測：Cd2+的檢測范圍為0.005~0.5mg/L，檢出限為2.5μg/L。適宜條件下EDTA的降解率可達(dá)92.6%。

研究了物質(zhì)水樣的在線光催化降解及COD檢測：在優(yōu)化的條件下，COD的測定范圍為20~1000mg/L，與標(biāo)準(zhǔn)方法相當(dāng)。

此外，該系統(tǒng)在環(huán)境水樣分析中具有操作簡單、試劑用量少、避免有毒試劑和珍貴試劑的使用、無二次污染等優(yōu)點。物質(zhì)在微流控芯片中光催化降解反應(yīng)的時間僅需2060秒，但由于受檢測器死體積靈敏度的限制，整個檢測過程則需要3060分鐘。

六、未來展望

隨著微流控技術(shù)和光催化氧化技術(shù)的不斷發(fā)展，集成光催化預(yù)處理功能的水樣重金屬微分析系統(tǒng)將在環(huán)境水樣分析領(lǐng)域發(fā)揮更大的作用。未來，可以進(jìn)一步研究微型的、高靈敏的集成化檢測器，以提高系統(tǒng)的檢測速度和靈敏度。同時，也可以探索將該系統(tǒng)應(yīng)用于更多類型的環(huán)境污染物分析，為環(huán)境保護(hù)和人類健康做出更大的貢獻(xiàn)。