光电消解-电化学检测一体化集成微流控总磷检测方法研究

Water pollution is serious in China. Total phosphorus (TP) is often regarded as one of the main culprits in cases of eutrophication in lakes. This proposal presents an integrated microfluidic system based on optoelectric digestion and electrochemical detection for TP determination. In order to prevent the recombination of photogenerated electrons and photogenerated holes, an offset voltage is applied to the working electrode of photocatalytic cell, which increases the efficiency of digestion of total phosphorus a lot. In addition, since there is no oxidant agent required in this digestion process, the digestion process will not have further influence on the subsequent electrochemical detection process. The micro optoelectric digestion reactor and the micro electrochemical detection unit could be integrated together to realize a single chip for TP determination with the advantages of high efficiency, low power consumption, and low cost. In this proposal, many key issues will be investigated such as the method to increase the power density of light irradiation, the method to prepare the photocalalytic material on the electrode, the process to fabricate the ultramicroelectrode in microfluidic channels, the mechanism of electrochemical detection method based on molybdophosphate complex, the mechanism of electro-induced photocatalysis, the integration of the micro digestion unit and the micro electrochemical detection unit, and the application of this integrated microsystem to TP monitoring in water. This integrated microchip could realize both the digestion process and the detection process working at the same integrated microchip, which may lead a new approach for TP detection in the future.

我国水质富营养化严重。针对水质总磷检测的重要需求,研究一种光电消解-电化学检测一体化的集成微流控总磷检测方法。该方法采用阳极偏压辅助光催化氧化方法进行光电消解，减小光生电子与空穴的复合几率，极大提高消解效率；由于该消解方法无需使用氧化试剂，不会对电化学检测的氧化还原过程产生干扰，与电化学检测方法完全兼容，可实现消解预处理单元与电化学检测单元的单片集成，降低检测成本和功耗。本项目将通过研究提高紫外LED单位体积光密度的方法、催化材料的制备及提高催化性能的方法、微型光电催化电极系统的制备方法来研究在微尺度下提高光电消解效率的方法；通过研究微流控环境下电化学测试方法、光电消解单元与电化学检测单元的集成化制备技术、微流控系统的样品输运及反应控制技术等，实现在一个微流控芯片上完成对水样的消解预处理并直接检测，为水质中富营养化重要指标总磷的检测提供一种方便、快捷的检测手段。

本项目针对水质总磷检测的重要需求，研究一种光电消解-电化学检测一体化的集成微流控总磷检测方法。该方法采用阳极偏压辅助光催化氧化方法进行光电消解，减小光生电子与空穴的复合几率，极大提高消解效率；由于该消解方法无需使用氧化试剂，不会对电化学检测的氧化还原过程产生干扰，与电化学检测方法完全兼容，实现了消解预处理单元与电化学检测单元的单片集成，降低了检测成本和功耗，为水质富营养化重要指标总磷的检测提供一种方便、快捷的检测手段。主要成果如下：..1、电流型电化学磷酸根检测敏感机理和检测方法. 本项目研究了基于安培型的电化学磷酸根检测方法；通过研究磷酸根的络合反应在不同pH、温度、压力条件下随时间的反应过程及特性，指导了传感器微电极检测环境的优化设计；研究基于磷钼酸盐络合物的安培型电化学传感器的抗离子干扰性能，尤其是对硅酸盐的抗干扰性，提高了电化学磷酸根检测方法的稳定性。..2、微型磷酸根传感单元的修饰方法和制备技术. 本项目研究了磷酸根传感单元的修饰方法和制备技术，重点研究了纳米金材料在传感器电极表面的修饰方法，获得了疏松的纳米金修饰层，大幅度提高了金电极的灵敏度(3.3倍)，对同一浓度磷酸根溶液的电流密度响应是未修饰电极的6.21倍。..3、光电总磷催化氧化消解的机理和方法. 本项目研究了基于纳米TiO2的紫外光催化消解方法，重点研究了采用静电纺丝、阳极氧化等不同方法得到的不同形貌的TiO2材料的光学、光电催化氧化总磷效果的比较。结果表明，基于TiO2纳米管阵列在365波长紫外光照射下可大幅度提高总磷的消解效率。..4、光电消解-电化学检测一体化集成微流控总磷检测系统. 本项目设计、制备了总磷检测微传感器集成芯片系统，并进行了性能测试。消解单元采用365nm波长的UVA微型紫外LED阵列作为光源，TiO2作为催化剂，微型加热器供热，对水样进行消解；磷酸根检测单元采用基于金叉指微阵列电极的电化学检测方法。测试结果表明，对于4mg P/L的甘油磷酸钠模拟溶液，在40℃下消解1h，总磷测量结果的相对标准偏差 （RSD）平均值小于58%。.. 本项目共发表论文19篇，其中SCI期刊论文5篇，国内外其他期刊论文5篇（EI 2篇），会议论文9篇（EI 2篇），优秀论文奖2项；申请发明专利2项；本项目资助1位研究生获得博士学位、4名获得硕士学位。