基于离子浓差极化富集及原位检测的微流控痕量汞离子检测方法研究

Water pollution is very serious in China, and mercury ion contamination occurred frequently over the past few years. Since the safety limit of the concentration of mercury ions in natural waters is very low (50ng/L), it can only be detected by some big equipment in laboratories, which cannot meet the urgent requirement of mercury detection in China. In order to realize the detection of trace mercury ions, this proposal presents an integrated microfluidic system based on ion concentration polarization (ICP) pre-concentration and in-situ fluorescent detection of mercury ions. The concentration of mercury ions can be increased a lot before the detection, and the detection process can happen just when the concentration process is in process. A microfluidic platform will be developed to realize both the concentration process and detection process. In order to achieve a high concentration performance, many mechanisms will be studied in this project such as the flow distribution mechanism in micro channels in ICP process, the reaction principle of the specific fluorescent probes and mercury ions in ICP process, and the influence of external conditions on the ion concentration polarization effect. An integrated microfluidic chip based on ICP pre-concentration and in-situ fluorescent detection of mercury ions will be fabricated, and applied to the detection in real water samples. The objective of this project is to provide an effective method for the detection of trace mercury ions in the field of water environmental monitoring.

我国地表水污染严重，其中重金属离子，尤其是汞离子超标频发。由于汞的高毒性，其在地表水中的含量标准限值极低（50ng/L），检测难度大，只能在实验室采用大型分析仪器测量。本项目研究一种基于离子浓差极化（ICP）富集及原位检测的微流控痕量汞离子检测方法与器件，通过离子浓差极化方法实现痕量汞离子的富集，并引入对汞离子具有特异性反应的荧光探针，在ICP富集的同时，直接原位测试微流控芯片中富集区域的荧光强度，实现汞离子的检测，大幅度降低汞离子的检测下限。本项目通过研究微流控芯片结构对极化效果的影响、离子浓差极化现象中带电粒子的流场分布规律以及特异性荧光探针与汞离子在浓差极化条件下的反应规律等关键问题，探索提高汞离子富集倍数的方法，实现一种痕量汞离子富集与检测的集成化微流控芯片系统，完成系统原理样机，并开展其在实际水样中的应用研究，为水环境监测领域中的痕量汞离子检测提供一种有效的检测方法和途径。

本项目面向水环境监测中痕量汞离子检测的重要需求，提出一种基于离子浓差极化富集及原位荧光检测的微流控痕量汞离子检测方法，可在集成微流控芯片系统中完成汞离子的富集和检测全过程。本项目研究了带电粒子（包括阴、阳离子、带正负电荷的大分子等）在典型通道内ICP作用下的运动轨迹，研究典型荧光物质在电渗流及浓差极化下的运动规律；研究了阴、阳离子交换膜（离子选择通道）对阴、阳离子的选择性透过机理及耗尽区产生机理，并研究电渗流对极化效果的影响，研究了阴、阳离子交换膜（离子选择通道）的材料特性、几何形状以及与微流通道结合方式对离子选择透过性能之间的关系；研究离子浓差极化现象中极化电场、pH对荧光探针特性的影响，以及特异性荧光探针与汞离子在浓差极化条件下的反应规律。本项目设计、制备了基于图形化离子透过膜的富集芯片和基于三叉型结构离子交换膜的富集芯片，研究了两种结构的富集机理，并探索了离子交换膜的图形化方法以及芯片的键合方法，研究了荧光强度与样品浓度的对应关系、耗尽区域与富集区域的形成原理、富集时间和电压差对富集倍率的影响、富集芯片对不同浓度的阴离子的富集能力等。同时，本项目还开展了重金属离子的电化学检测方法以及多参数集成传感器芯片及检测系统研究。结果表明，该芯片具有富集阴离子的能力，富集倍率达到了102倍，具有非常广泛的应用前景。