集成光催化预处理功能的水样重金属微分析系统研究

集成光催化预处理功能的水样重金属微分析系统研究

一、项目背景

环境污染是当今社会面临的重要问题，特别是水体重金属污染，对人类健康和生态环境构成了严重威胁。因此，开发准确的水样重金属分析方法具有重要意义。光催化氧化技术在解决水环境污染等重大问题方面有着广泛的研究和应用，但直接作为样品预处理技术集成于微流控芯片还很少见。基于此，集成光催化预处理功能的水样重金属微分析系统应运而生。

二、项目简介

该项目是由杭州师范大学的叶美英教授负责，依托杭州师范大学进行的青年科学基金项目研究。项目的目标是研制一种基于液芯波导的光催化流动型微反应器和微流控芯片分析的在线样品预处理技术，以实现水样中重金属的快速分析。

三、技术原理

该系统以液芯波导技术的高光传输效率和微流控芯片的微流体控制为基础，通过在液芯波导管内壁均匀涂覆TiO2薄膜，使光线在波导管内长距离传播。通过光纤将激光耦合进液芯波导管，将波导管与微通道相耦合，利用芯片的网络结构控制样品及试剂溶液的流动，使物质在液芯波导管中实现在线光催化降解。随后，利用芯片毛细管电泳对水样中重金属离子进行在线分离和电化学检测。

四、系统特点与优势

在线预处理：通过光催化氧化技术，实现了物质的在线光催化降解，为后续的重金属分析提供了清洁的样品。

微型化：系统集成了样品预处理、分离、检测于一体，实现了微型化，便于携带和操作。

快速准确：利用芯片毛细管电泳进行重金属离子的在线分离和电化学检测，提高了分析的准确性和速度。

环保节能：光催化氧化技术作为一种无污染的处理技术，符合环保节能的要求。

五、研究成果与应用

实现了磷水样的在线光催化降解及总磷检测：总磷的检测范围为0.05~5mg/L，检出限为0.013mg/L，与国标法的线性范围和检出限非常接近。

实现了EDTA-重金属水样的在线光催化及重金属Cd2+的电化学检测：Cd2+的检测范围为0.005~0.5mg/L，检出限为2.5μg/L。适宜条件下EDTA的降解率可达92.6%。

研究了物质水样的在线光催化降解及COD检测：在优化的条件下，COD的测定范围为20~1000mg/L，与标准方法相当。

此外，该系统在环境水样分析中具有操作简单、试剂用量少、避免有毒试剂和珍贵试剂的使用、无二次污染等优点。物质在微流控芯片中光催化降解反应的时间仅需2060秒，但由于受检测器死体积灵敏度的限制，整个检测过程则需要3060分钟。

六、未来展望

随着微流控技术和光催化氧化技术的不断发展，集成光催化预处理功能的水样重金属微分析系统将在环境水样分析领域发挥更大的作用。未来，可以进一步研究微型的、高灵敏的集成化检测器，以提高系统的检测速度和灵敏度。同时，也可以探索将该系统应用于更多类型的环境污染物分析，为环境保护和人类健康做出更大的贡献。