水环境中重金属污染物激光诱导击穿光谱电化学分析新方法研究

Electrochemical analysis has been widely used for on-situ fast and accurate analysis of heavy metal pollutants in the water environment due to its inherent advantages. However, because of the complex background of the water environment, various components of heavy metal pollutant, serious mutual interferences of their electrochemical behaviors and other factors, the accuracy analysis is a difficult problem in the field of electrochemical analysis. In order to solve this problem, a new method will be developed via combining laser-induced breakdown spectroscopy with electrochemical analysis. An approach of laser induced breakdown spectroscopy quantitative and qualitative analysis will be established for trace heavy metal on solid surface in the solution; Then, among heavy metal pollutants, the interference mechanism of their electrochemical behaviors is revealed via in-situ characterizing electrochemical electrode using laser induced breakdown spectroscopy. Moreover, the inherent relation between the spectra and electrochemical signals is established via simultaneously acquiring them. Then an effective method is proposed to eliminate the influence of background and the mutual interference among heavy metal pollutants. Finally, the accurate analysis of heavy metal pollutants is achieved in the water environment. The expected results will provide a new method and technical support for on-situ fast and accurate analysis of heavy metal pollutants, which is of important scientific significance for evaluation of heavy metal pollution, monitoring the process of pollution, protection of regional groundwater resources security.

电化学分析方法因其固有的优点，在水环境重金属污染物现场快速检测方面有着广泛的应用。然而，因水环境背景复杂、重金属污染物组分多样且电化学行为相互干扰严重等因素，准确性分析一直是电化学分析领域面临的难点。针对该科学问题，本项目拟将激光诱导击穿光谱技术融入到电化学分析中，发展出激光诱导击穿光谱电化学分析新方法。通过建立溶液体系下固体表面痕量重金属激光诱导击穿光谱定性与定量分析方法，原位表征重金属污染物电化学检测过程中电极表面的状态变化，揭示重金属污染物间电化学行为的相互影响机制；同步获取电化学信号和激光诱导击穿光谱信号，确立它们的内在相关性，消除背景环境和重金属污染物间相互干扰的影响，实现水环境中重金属污染物的准确分析。预期研究成果将为水环境中重金属污染物的现场快速准确分析提供新方法和技术支撑，对于重金属的污染评估、污染过程以及保障水资源安全具有重要的科学意义。

电化学分析方法因其灵敏度高、易于微型化、自动化和连续分析等优点在重金属污染物的现场快速检测方面倍受关注，且已应用于实际水环境监测。然而，其准确分析依然面临着巨大挑战，主要原因在于：实际水体环境背景复杂，含有大量无机矿物盐和有机质且pH值多变等；重金属污染物组分和赋存形态多样，且重金属污染物间电化学行为相互干扰严重。这些客观因素的存在，直接影响到水环境中重金属污染物电化学分析的准确性。.针对上述关键科学问题，本项目将激光诱导击穿光谱检测技术融入到电化学分析中，开发了激光诱导击穿光谱-电化学（LIBS-EC）检测分析系统及原理性便携样机，建立了溶液体系下电极表面痕量重金属激光诱导击穿光谱定性与定量分析方法，克服了电分析方法中共存离子的干扰问题，实现了复杂背景下重金属污染物的原位准确分析。针对水环境中典型的重金属污染物，合成了具有强吸附能力与优异催化性能的石墨烯、Mn-TiO2纳米管阵列、NiCo2O4-x纳米片、Ru-MoS2等敏感材料，构筑了系列灵敏度高、稳定性强的电极结构，克服了LIBS检测灵敏度低及电极表面烧蚀斑不均匀的问题，提高了重金属LIBS-EC信号的灵敏度与稳定性；设计了主动可控火花放电装置，解决了低脉冲能量下重金属等离子体含量不足的问题，提高了检测的准确性；通过在不同电场作用下基于功能化石墨烯材料修饰电极选择性电化学富集 Cr(OH)2+ 和 HCrO4-，显著改善了检测限，实现了对不同形态铬的准确分析；原位表征重金属污染物电化学检测过程中电极表面的状态变化，同步获取电化学信号和激光诱导击穿光谱信号，确立它们的内在相关性，揭示了重金属污染物间电化学行为相互影响的电子诱导干扰效应与金属置换等机制。研究成果为水环境中重金属污染物的现场快速准确分析提供新方法和技术支撑，对于重金属的污染评估、污染过程以及保障水资源安全具有重要的科学意义。