光催化过程中活性氧物种的同时在线检测及催化机理研究

To simultaneously detect multiple ROS is deemed to be important to reveal and understand the mechanism of the photocatalytic reactions. But it is not an easy work for the simultaneous detection of these ROS due to their high reactivity, low homeostasis concentrations and fast interconversion. Therefore, it is very important to develop method to vercome these obstacles. The fluorescence methodology, associated with the use of suitable probes, is an excellent method to detect ROS because of its high sensitivity, simplicity, and high selectivity. But this approach is restricted to detect these ROS simultaneously due to limited probes and wide emission peak. In this research, we focus on the difficulty for simultaneous detection of ROS generated from the the photocatalytic reactions. A versatile programmable microfluidic system for detecting ROS generated from the the photocatalytic reactions is designed by using fluorescent probe combined with electrokinetic manipulation. The microfluidic system would integrate photocatalytic reactions and to detect ROS in one microfluidic chip. The microfluidic system can provide novel information for elucidating the mechanism of heterogeneous chemical reactions on semiconductor nanomaterials .The results obtained in the research as mentined above should be very helpful to improve our ability to design and make an efficient photocatalyst.

光催化反应过程中多种活性氧物种的同时定量检测是进行光催化反应机理研究的有效方法。活性氧具有高活性、短寿命的特点，使得对它们进行定性和定量十分困难，只有极少的研究尝试了同时检测化学模拟体系以及生物体系内几种活性氧物种。荧光法具有灵敏度高、选择性好的优点，用于活性氧物种的测定具有明显的优势，但是受限于发射峰宽且相互重叠，实现多种活性氧物种同时检测受到限制。本项目拟在微流控芯片通道内，将光催化反应、荧光探针捕获活性氧物种、芯片电泳通道分离与激光诱导荧光检测集成，发展一种自动化控制、实时在线检测多种活性氧物种的新方法。利用所建立的在线分析平台，分析催化过程中产生的活性氧物种的种类及其动力学差异，探讨光催化反应过程中影响活性氧物种产生的内外因素。本项目的研究将有利于深入理解光催化过程中电子和空穴的迁移方式以及活化路径，相关实验结果以及理论的发展能显著提高我们理性设计催化剂的能力。

本项目拟在微流控芯片通道内，将光催化反应、荧光探针捕获活性氧物种、芯片电泳通道分离与激光诱导荧光检测集成，发展一种自动化控制、实时在线检测光催化过程中多种活性氧物种的新方法。. 我们首先发展了一种采用超临界沉积技术合成光催化剂的新方法，合成出了2个新型的催化剂，我们还探索了气相沉积技术（ALD）在界面以及通道内负载催化剂的应用，相关实验结果对于下一步在微流控芯片通道内负载、沉积催化剂提供了实验基础和新思路。我们发明了一种新型结构的光催化活性评价系统，解决现有光催化过程中评价催化剂过程中微量气体收集及在线检测系统存在的缺陷问题。我们还搭建了“多激发、荧光多通道”检测的共聚焦光学光路，设计出了高灵敏度、响应速度快、能够提供荧光信息和空间信息的激光诱导荧光多通道检测器。. 我们在芯片上设置催化混合通道，能够保证经过混合通道光催化过程中产生的羟基自由基完全消失，同时能够使光催化产生的H2O2分散均匀，从而更好的与芬顿试剂混合反应，同时荧光探针与反应后的羟基自由基反应，产生荧光信号，样品经过电泳取样后，进行激光诱导荧光检测，从而实现对过氧化氢的连续、在线检测。.我们筛选出了三个能够满足微流控芯片在线、同时检测多种自由基的荧光探针。设计了新型的微流控芯片，上述探针溶液品从进样池经过泵能够进入至光催化区进行光催化反应，流动的探针溶液便于样品与光催化剂的分离，还能够避免荧光探针长时间照射引起光漂白问题。上述探针溶液经过光催化区后，在混合区混合，然后进入取样区，在取样区同时设两个电泳通道，通过电压转换进行取样，在电泳通道中，利用电泳对产物进行分离，从而进行激光诱导荧光检测，实现了同时在线检测光催化过程中多种自由基，包括1O2、•OH 以及O2•-。. 上述基于微流控芯片的光催化过程中自由基检测技术的发展，对于理解光催化过程机制、提高光解效率以及高效光催化剂的选择和光催化应用技术改进起着十分重要的作用。