现场实时水环境痕量重金属微传感器的研究

Under the increasing pressure of heavy metal pollution in water environment, the traditional detection methods can not meet the needs of on-site and real-time detection of heavy metal. Therefore, it is of great research significance and practical value to explore portable, fast on-site and real-time detection methods for heavy metal detection. Based on this requirement, we propose this project to explore and research the micro-sensor for heavy metal detection based on conductive polymer hydrogel. We study the controllable preparation and performance optimization of conductive polymer hydrogel firstly. The redox electron mediators with sulfonic acid groups or phosphoric acid groups will have been immobilized on the conductive polymer chains by doping. And the conductive polymer hydrogel with enhanced electron transfer ability has been prepared and has been used as a versatile interfacial modification nanomaterial for the working electrode of electrochemical sensor. Based on this, we research the synergistic effect of doped conductive polymer hydrogel on enhancing the electron transfer between interface material and the working electrode. And the finite element model will been used to optimize the design of microfluidic chip structure. By this project, we want to explore the large-scale fabrication of compact and portable micro-sensor by combining electrochemical detection technology, nano-materials and microfluidic technology, and apply to the on-site and real-time detection of heavy metals in water environment.

在日趋严重的水环境重金属污染的巨大压力下，传统的检测方法已无法满足现场实时检测的需求，因此探索便携、快速、实时现场重金属检测方法具有重要的研究意义和实用价值。本项目通过对导电高分子水凝胶进行可控制备和性能优化设计，将带有磺酸、磷酸等基团的氧化还原电子媒介体通过掺杂作用固载到导电高分子链上，构建具有增强电子传递能力的导电高分子水凝胶并将之用作电化学传感器电极的界面修饰材料，研究掺杂电子媒介体的导电高分子水凝胶在电极界面上电子传递的增效作用。同时利用有限元模型对微流体芯片进行结构设计优化，将电化学检测技术、纳米材料与微流体技术相结合探索研制规模化制备紧凑、便携的高性能微传感器的实现可能，并将电化学微传感器应用于水环境重金属的实时现场检测。

在日趋严重的水环境重金属污染的巨大压力下，传统的检测方法已无法满足现场实时检测的需求，因此探索便携、快速、实时现场重金属检测方法具有重要的研究意义和实用价值。本项目以导电聚合物为研究对象，构建具有增强电子传递能力的导电聚合物并将之用作电化学传感器电极的界面修饰材料，实现对水环境中重金属的快速检测。主要研究内容包括三个部分：第1部分主要研究了导电聚苯胺水凝胶的可控制备及用于细胞培养和原位监测。将全溶液法制备导电聚苯胺水凝胶与柔性碳布基底相结合，构建柔性传感器，并在电极表面直接进行细胞培养及活细胞电信号监测。该传感器可以实现10 μM ~ 10 mM范围内H2O2的线性检测且检测限为1.6 μM，并且培养5天后电极表面均匀分布大量细胞簇。表明导电聚苯胺水凝胶的制备具有良好的可控性，而且材料导电性能优异，还有很好的生物相容性，不会对环境造成污染。导电聚苯胺水凝胶可扩展为通用电化学传感器界面平台，实现对更多物质的检测。第2部分主要是基于导电聚苯胺的电化学传感器制备及用于对Pb2+和Cd2+的同时检测。在第1部分研究的基础之上，利用导电聚苯胺水凝胶构建了一个电化学重金属传感器，并通过共价固定L-半胱氨酸对聚苯胺水凝胶进行官能团修饰，增强聚苯胺与重金属的螯合，有效提高检测过程中电极表面重金属的富集，进而提高检测电信号。在30 ~ 800 nM宽线性范围内实现对Pb2+和Cd2+的同时检测，检测限分别为10.5 nM和11.6 nM，均低于世界卫生组织最低标准。第3部分研究是基于聚吡咯的一次性电化学试片电极制备及用于对铅离子的检测。将导电聚吡咯与丝网印刷试片电极相结合快速构建一次性电化学传感器，并通过植酸掺杂有效提升聚吡咯修饰电极的导电性能及界面亲水性，结合流道技术实现10 - 600 nM的Pb2+检测，其检测限为0.43 nM，并且可用于真实水样的检测。通过掺杂得到的电子传递增强型导电聚合物可以作为电化学传感器的通用传感平台，为医学、环境检测等各个领域提供快速检测方法。