ITO基电化学传感器的构建及其在河水铁形态在线分析和水华预警中的应用研究

Iron element is involved in photosynthesis, respiration, enzymatic activities and other metabolic activities of algal blooms, which is also a necessary element for algae growth except nitrogen and phosphorus, and is one of the key factors for controlling bloom as well. The growth of algae highly depends on the speciation and distribution of iron in water, however, the research on the coupling relationship between iron and algae growth is limited due to the lack of fast and on-line detection methods of different species of iron. For problems of simple classification and complicated detection procedures of iron speciation, complex environmental samples and the poor electrode stability, this project studies a new etch-modification method of indium tin oxide film (ITO) and develops a nanomaterial modified electrode to construct a stable, sensitive and high selective ITO-based electrochemical sensor. The electrochemical response characteristics of iron in a complex environment is systematic investigated, with a proper sample pretreatment to simplify the iron speciation analysis process, on-line analysis method of six species of iron, including total iron, total dissolved iron, particulate iron, electroactive iron, acid dissolved iron and inert iron, will be established. Based on other physical and chemical parameters of water samples, this project will contribute to explore the relationship between different iron species and the growth of algae, giving the theoretical basis and scientific data for early warning and management measures of the bloom.

铁元素参与水华藻类的光合、呼吸、酶促等代谢活动，是氮、磷以外藻类生长所必需的元素，也是控制水华发生的关键因子之一。铁在水体中的赋存形态和分布规律直接影响藻类的生长状态，而目前不同形态铁快速、在线检测方法的欠缺限制了铁与藻类生长之间耦合关系的研究。本项目针对铁形态分类单一、检测方法步骤繁琐、环境样品成分复杂、电极稳定性差等问题，拟通过对氧化铟锡膜（ITO）进行新型刻蚀-修饰方法研究，发展基于ITO的纳米材料修饰电极，构建稳定、灵敏、高选择性的ITO基纳米电化学传感器；系统考察复杂水体环境下铁的电化学响应机制，结合适当的样品前处理简化铁形态分析流程，发展实际河水中不同形态铁（包括总铁、总溶解态铁、颗粒态铁、电活性态铁、酸溶解态铁和惰性态铁）的在线分析方法；结合水样的其它理化参数，探讨不同形态铁与藻类生长、发展和消亡之间的变化关系，为寻找水华事件预警和治理措施提供理论依据和数据支持。

铁在水体中的赋存形态分析对于研究藻类生长状况，了解水华的形成机制具有重要意义。本项目以重要的痕量金属元素铁作为研究对象，围绕新型ITO传感器的构建，复杂河水样品中不同形态铁的快速分析方法的建立等开展一系列研究工作。该项目主要完成了以下工作：1）采用新型刻蚀-修饰方法，构建了高稳定性ITO修饰基底，通过对参数进行设计调控，掌握了制备兼具稳定性、导电性、选择性的ITO基底的技术方法；2）基于材料各自优异的性质，结合不同的合成方法，成功构建了可同时实现铁离子快速可视检测的光、电双信号ITO基铁离子传感器。同时，对铁离子的响应机理进行了研究，该传感器具有良好的稳定性、选择性和抗干扰能力，对高浓度和低浓度的铁离子实际样品可分别实现可视化检测和超灵敏检测。该工作已授权中国发明专利，未来该传感平台有望实现商品化，发展为快速可视检测铁浓度的传感器；3）将所构建的铁离子检测方法与样品前处理过程结合，优化不同形态铁的检测处理流程，实现了不同水样，包括湖水、河水、自来水等中不同形态铁的浓度的快速检测，一定程度上完善了现有环境水体中不同形态铁的分析技术；4）此外，项目组还进行了藻类养殖工作，建立了一种常见的水华藻毒素-微囊藻毒素的检测方法，结合不同形态铁的检测方法探究了铁浓度和藻毒素含量之间的关系。本部分工作对于水环境检测监测具有重要意义。