近岸沉积物孔隙水中重金属原位监测微电极传感技术研究

It is of great importance to develop new techniques for in situ detection of heavy metals in near-shore sediment pore water for evaluation of the environmental behaviors of heavy metals in coastal zones and clarification of their biogeochemical processes. In this project, a novel sensing method for in-situ detection of heavy metals in near-shore sediment pore water is proposed, which is based on solid-state polymeric membrane ion-selective microelectrodes. The sensing mechanism of the microelectrodes and the strategies for rapid, sensitive and selective detection of heavy metals in pore water will be investigated intensively. By screening of rationally designed ionophores for specific metal ion sensing and optimizing the membrane compositions, highly sensitive and selective microelectrodes for heavy metal ions can be designed. The electrode membranes, which possess no ion exchange properties under zero-current conditions, will be used to eliminate the interferences from other ions in near-shore sediment pore water. A new sensing technique based on the integration of chronopotentiometry and chronoamperometry will be developed for rapid and reversible potentiometric sensing. An in situ sensing system will be constructed through the integration of the manipulator and microelectrode. With the introduction of the novel solid-contact polymeric membrane ion-selective microelectrode system without ion exchange properties and the new sensing mode based on the integration of chronopotentiometry and chronoamperometry, we believe that the proposed methodology would pave the way to using ion-selective microelectrode in environmental analysis.

发展近岸沉积物孔隙水中重金属原位监测技术，对于评价海岸带重金属环境行为、阐明其生物地球化学过程具有重要意义。本项目首次将聚合物膜微电极电位传感技术应用于沉积物孔隙水中重金属原位监测，深入探讨基于固体接触式离子选择性微电极的重金属快速检测新原理新方法。通过构建无离子交换功能的“惰性”聚合物敏感膜，有效消除沉积物海水中高浓度干扰离子对电极测定的影响；通过筛选高选择性离子载体、优化电极膜的组成以及完善微电极结构的设计，构建高灵敏、高选择性重金属固体微电极检测系统；采用计时电位和计时电流联用技术，实现对重金属的连续、可逆、快速电位检测；进一步结合微电极操控系统，首次发展适用于近岸孔隙水中重金属原位分析的电位型传感技术。项目在消除海水基体效应、实现固体接触式聚合物膜离子选择性微电极现场快速原位监测等方面具有重要的理论和方法创新，为微电极技术在环境分析领域中的应用做出贡献。

发展近岸沉积物孔隙水中重金属原位监测新技术，对于评价海岸带重金属环境行为、阐明其生物地球化学过程具有重要意义。目前沉积物孔隙水环境参数的监测主要是基于孔隙水的现场提取与后续实验室化学分析和仪器检测相结合。发展基于电化学微电极的传感技术，能够为孔隙水中重金属原位检测提供了一条新的思路。.项目制备了碳纤维、金属、介孔碳等多种电极材料的固体接触式离子选择性微电极；测试了以导电聚合物PEDOT/PSS/和无机纳米材料双金属硫化物纳米线、无序介孔碳和碳纳米管等为转导材料的离子选择性碳纤维微电极的性能；筛选出了以PVC为膜基体的离子选择性聚合物膜，并考察了不同膜组分对全固态微电极的性能影响；提出了电位型离子选择性微电极的计时电位检测技术；研制了防生物污损的电位型传感器，提高了电极的稳定性；搭建了基于固体接触式离子选择性微电极的微测平台，实现了对沉积物孔隙水中重金属离子的原位检测，在0.5 M NaCl背景条件下对铜、铅离子的检测线性范围分别为0.25 μM - 0.25 mM和2.1 nM - 0.21 mM，检出限分别为40 nM 和0.64 nM。在此基础上，该微电极检测平台亦成功用于单细胞膜表面离子的原位检测以及植物根系重金属离子通量的实时监测。本项目在固体微传感器的研制、固体接触式聚合物膜离子选择性微电极计时电位分析技术开发、沉积物孔隙水现场快速原位监测等方面具有重要的理论和方法创新，为微电极技术在环境分析领域中的应用做出了贡献。.项目共发表论文26篇，其中SCI期刊论文22篇，影响因子5.0以上17篇，1篇发表于著名的《德国应用化学》杂志、5篇发表于《美国分析化学》杂志；获得中国发明专利授权3项，申请中国发明专利15项；2人入选国家级人才计划，培养博士及硕士毕业生9名；项目组成员在国内外会议上做邀请/口头报告8次；研究团队获得2018年度中国分析测试协会科学技术奖一等奖。