基于光热效应和激光背向散射干涉的水中重金属离子定量检测技术研究

The effective detection and monitoring of heavy metal ions in the water environment is of great significance to reduce pollution and protect people's health.The conventional atomic absorption spectrometry and other quantitative detection methods have the characteristics of high accuracy and high sensitivity, but depend on the expensive instruments, the operation is complex, the detection cycle is long. Method of Test strip and enzyme inhibition for rapid detection, usually suffer from sample color and impurity. ELISA, based immunoassay method, shows good selectivity. Heavy metals will be detected rapidly in microfluidic chip, but the weak absorbance in the channel is restricted.Under the strong laser irradiation of a specific wavelength, the photothermal effect in the absorbing material will cause the change of the refractive index. Laser backscattering interferometry (BSI) is a sensitive method to detect the change of refractive index. Therefore, the combination of photothermal effect and BSI technology can be used to realize the micro-volume and high sensitivity detection of colored compounds. In this project, we will use the ELISA including antigen antibody interaction, enzyme catalytic substrate to exhibit color, combine the photothermal effect, BSI technology and the microfluidic technology to realize quantitative detection of 5 kinds typical of heavy metal ions, Hg, Pb, Cd, Cr, Cu, and provides a new idea for the detection and monitoring of heavy metal ions in water.

水中重金属离子的有效检测和监控对于减少水污染、保障人们健康具有重要意义。常规的原子吸收光谱等方法准确度高，但依赖于昂贵的大型仪器，操作复杂、耗时长；试纸、酶活性抑制等方法操作简单、检测速度快，但易受到样品颜色和杂质的干扰；基于免疫分析的酶联免疫吸附测定法(ELISA)选择性好、将其结合微流控技术有望实现重金属的快速特异性检测，但微流通道内微弱吸收信号的检测成为难题。特定波长激光照射下，吸光物质中产生的光热效应会引起其折射率的变化。激光背向散射干涉技术（BSI）是一种灵敏的折射率变化检测方法，将光热效应和BSI技术结合可以实现吸光物质的微体积、高灵敏度检测。本项目中将利用ELISA方法中抗原抗体相互作用、酶催化底物显色实现重金属离子的识别，将光热效应和BSI技术结合，在微流控芯片中实现水中汞、铅、镉、铬、铜5种典型的重金属离子的快速定量检测，为水中重金属离子的检测和监控提供新的思路。

研究新型的水中重金属等污染物的快速定量检测方法对于减少水污染、保障人们健康具有重要意义。本项目开展了基于光热效应和激光背向散射干涉的水中重金属离子、抗生素等物质的定量检测技术研究。主要内容如下：（1）研究并设计了毛细管微通道和三维高通量微流控纸芯片，为微量液体的检测提供了检测平台；（2）发展了基于激光背向散射干涉的生化分子检测技术，利用甘油和超纯水验证了该技术用于检测微小折射率变化和温度变化的可行性，为基于光热-激光背向散射干涉的生化分子检测技术研究奠定了基础；（3）将显色反应、光热效应与激光背向散射干涉原理相结合，提出了基于光热-激光背向散射干涉的生化分子检测技术，实现了重金属离子Cr(VI)、Cu(Ⅱ)、Fe(Ⅱ)的定量检测，检测限分别为0.04 mg/L，0.3 mg/L和0.06 mg/L，满足国标要求；利用纳米金光热效应和目标分子适体链的特异性，实现了水中三价砷离子 As(III)以及抗生素SDM的定量检测；（4）搭建了基于泵浦-探测光路结构的双光束光热-激光背向散射干涉装置，结合ELISA原理，将该技术拓展到了疾病生物标志物检测领域，实现了急性肾损伤生物标志物NGAL的定量检测。（5）针对目标物的现场快速检测的实际需求，将本项目的研究内容进行了拓展，开展了基于智能手机等便携式智能设备的快速检测技术研究，利用智能手机的图片分析功能，结合显色反应和分光光度法，实现了水中Cr(VI)和亚硝酸盐的定量检测；将显色反应与新型二维码技术相结合，利用智能手机实现了水中Cr(VI)和Ni(II)的快速筛查，结果满足国标要求并具有便携、快速等优点。通过本项目的实施，在国内外重要学术刊物上已发表论文15篇，接收1篇（In Press），申请发明专利 3 件，授权发明专利3件，授权实用新型专利1件，获计算机软件著作权登记2项。培养硕士研究生14名，已毕业8名，培养博士生1名，项目负责人入选2018年度山西省高等学校优秀青年学术带头人支持计划、2018年度山西省“三晋英才”支持计划青年优秀人才，项目负责人获2020 年山西省自然科学二等奖（第二完成人)。