微流控芯片光电化学分析法检测环境水体中氯酚污染物的研究

Chlorophenols(CPs) are typical pollutants in environment waters. Due to their strong carcinogenicity, teratogenicity and mutagenicity, the determination of CPs in environment waters is of great importance for the protection of human’s health. This project aims at developing a fast and sensitive CPs detection method based on the hyphenation of microchip electrophoresis and photoeletrochemical(PEC) detection. By virtues of the high separation efficiency from microchip and the high sensitivity from PEC detection, the developed method is promising to satisfy the requirement of real time and onsite monitoring of CPs in environment waters. In this project, PEC nanomaterial with hierarchical structure based on one-dimension oxide is designed and prepared on conductive glass to fabricate PEC electrode. The relationship between composition, structure of nanomaterial and its PEC characteristic is investigated to obtain PEC electrode with high sensitivity to CPs. The interface between microchip electrophoresis and PEC detection is delicately designed and fabricated to establish a microchip-PEC hyphenated system with both high separation efficiency and high detection sensitivity. An integrated CPs analytical setup based on above studies will designed and established to achieve the real time and onsite CPs monitoring in environment waters. The study of this project will provide a new CPs detection method, promote the application of PEC detection and microfluidic chip in environmental analysis, and lay the foundation for the development of portable CPs analytical instruments.

氯酚(CPs)是环境中的一类典型污染物，具有很强的“三致”效应，环境水体中CPs的检测对保护人体健康具有重要意义。本项目将微流控芯片电泳与新兴的光电化学检测结合，发挥芯片电泳高效分离和光电分析高灵敏检测的特点，建立一种快速灵敏的CPs分析方法，以满足环境水体CPs现场实时分析的需要。在导电玻璃上设计制备基于一维氧化物的多级纳米结构光催化材料作为光电检测电极，研究材料的组成、结构与CPs光电检测性能的关系，筛选对CPs检测具有高灵敏度的光电传感材料；合理设计并优化微流控芯片电泳与光电检测的耦合方式，构建高效分离和高灵敏检测的微流控芯片光电化学分析系统；制作基于微流控芯片光电化学检测的集成化CPs分析样机，并将其应用于环境水体中CPs的检测。本项目的研究将为环境水体中CPs的现场实时检测提供新方法，有力地推进微流控芯片和光电分析法在环境领域的应用，并为便携式CPs分析仪器的研制打下一定基础。

光电化学分析基于光电化学活性物质在光照作用下与待测物发生相互作用产生光电流的变化，从而建立起光电响应与待测物浓度之间的定量关系，由于采用不同能量形式的激发与检测信号，该技术具有干扰小、灵敏度高的特点。常见的光电活性物质如二氧化钛存在光电活性低、光响应范围窄的问题，对其进行修饰改性是提高其光电活性和提高分析方法灵敏度的关键。本项目开展了二氧化钛与其他半导体材料结合作为光电敏感材料用于光电化学检测氯酚污染物的研究。研究合成了2D/2D氮化碳/二氧化钛纳米片、硫化镉量子点敏化二氧化钛纳米棒等复合材料，探索光电活性与复合材料组成、结构、形貌之间的关系，获得了优化二氧化钛基光电材料活性的方法，再与分子印迹技术结合，通过在光电活性物质表面构建分子印迹膜，实现了对2,4-二氯酚高选择性、高灵敏度的检测。此外，本项目还开展了二氧化钛基光活性材料制氢的研究，以高效、廉价的过渡金属硫化物为析氢助催化剂，修饰于二氧化钛表面形成紧密结合的助催化剂/光催化剂异质结。研究了助催化剂的结构、组成对复合材料光催化产氢活性的影响规律，探索了光催化制氢过程中光生电子与空穴的迁移规律，阐明了二氧化钛基光催化材料产氢活性增强的机理。研究发现硫化钼团簇、多硫化钴等助催化剂中丰富的不饱和硫的存在使其具有优异的催化析氢活性，负载在二氧化钛表面促进了光生电子与空穴的分离，显著提高了光催化剂的催化产氢活性。本项目的研究有助于发展新型光电化学传感体系，为氯酚污染物检测提供一种新方法；同时对发展新型高效的产氢光催化剂提供理论指导，为高效光催化剂产氢体系的构建提供了新思路。