集成光催化預處理功能的水樣重金屬微分析系統研究

一、項目背景

環境污染是當今社會面臨的重要問題，特別是水體重金屬污染，對人類健康和生態環境構成了嚴重威脅。因此，開發準確的水樣重金屬分析方法具有重要意義。光催化氧化技術在解決水環境污染等重大問題方面有著廣泛的研究和應用，但直接作為樣品預處理技術集成于微流控芯片還很少見。基于此，集成光催化預處理功能的水樣重金屬微分析系統應運而生。

二、項目簡介

該項目是由杭州師范大學的葉美英教授負責，依托杭州師范大學進行的青年科學基金項目研究。項目的目標是研制一種基于液芯波導的光催化流動型微反應器和微流控芯片分析的在線樣品預處理技術，以實現水樣中重金屬的快速分析。

三、技術原理

該系統以液芯波導技術的高光傳輸效率和微流控芯片的微流體控制為基礎，通過在液芯波導管內壁均勻涂覆TiO2薄膜，使光線在波導管內長距離傳播。通過光纖將激光耦合進液芯波導管，將波導管與微通道相耦合，利用芯片的網絡結構控制樣品及試劑溶液的流動，使物質在液芯波導管中實現在線光催化降解。隨后，利用芯片毛細管電泳對水樣中重金屬離子進行在線分離和電化學檢測。

四、系統特點與優勢

在線預處理：通過光催化氧化技術，實現了物質的在線光催化降解，為后續的重金屬分析提供了清潔的樣品。

微型化：系統集成了樣品預處理、分離、檢測于一體，實現了微型化，便于攜帶和操作。

快速準確：利用芯片毛細管電泳進行重金屬離子的在線分離和電化學檢測，提高了分析的準確性和速度。

環保節能：光催化氧化技術作為一種無污染的處理技術，符合環保節能的要求。

五、研究成果與應用

實現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，與國標法的線性范圍和檢出限非常接近。

實現了EDTA-重金屬水樣的在線光催化及重金屬Cd2+的電化學檢測：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92.6%。

研究了物質水樣的在線光催化降解及COD檢測：在優化的條件下，COD的測定范圍為20~1000mg/L，與標準方法相當。

此外，該系統在環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、無二次污染等優點。物質在微流控芯片中光催化降解反應的時間僅需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

隨著微流控技術和光催化氧化技術的不斷發展，集成光催化預處理功能的水樣重金屬微分析系統將在環境水樣分析領域發揮更大的作用。未來，可以進一步研究微型的、高靈敏的集成化檢測器，以提高系統的檢測速度和靈敏度。同時，也可以探索將該系統應用于更多類型的環境污染物分析，為環境保護和人類健康做出更大的貢獻。