基于电化学微流控技术的常见重金属离子检测系统

作     者：刘欣星 

作者单位：重庆理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：崔建国

授予年度：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 0804[工学-仪器科学与技术] 0703[理学-化学] 

主      题：石墨烯 重金属离子 电化学检测 纸基微流控芯片 3D结构 

摘      要：随着工业生产的不断发展,环境中有毒污染物积累逐渐增多,其中重金属离子污染对人体造成持久不可逆损伤的危险也日益增长,所以对重金属离子进行准确快速检测变得尤为重要。目前重金属离子的检测有多种检测方法,由电化学检测法发展而来的差分脉冲阳极溶出伏安法（DPASV）是检测重金属离子的有效方法之一,该方法具有检测灵敏、快速、选择性好、运行成本低以及能实现实时在线检测等优点,适用于多种金属离子、有机化合物以及微量和痕量组分的测定,可以很好满足重金属离子的定性和定量分析。 纸基微流控芯片作为一种新兴的微流控分析技术平台,具有低成本化、微型化、使用方便等优点,在医学诊断、生化分析和环境监测等众多领域具有广泛的应用前景。纸基微流控纸芯片利用纤维素材料作为基底,通过图案化的疏水边界形成亲水的微流控通道,待测液体样本在纤维束的毛细作用下自发流过微流控通道,并可对待测样本进行初步过滤。本文将微流控技术与电化学检测技术相结合开展了基于电化学微流控技术的常见重金属离子检测系统研究,搭建了重金属离子检测的系统,该系统包括硬件检测电路、软件程序和纸基微流控芯片三部分。具体开展了如下工作: （1）通过对现有重金属离子检测方法进行分析,对比其优缺点,并对电化学检测原理进行详细的介绍,选择差分脉冲阳极溶出伏安法作为检测方法。根据检测方法以及待检测信号的特点制作了相应的软件程序和硬件检测电路。其中硬件检测电路利用差分脉冲信号作为激励信号,以重金属离子得失电子产生的电流信号为检测对象。软件部分利用MATLAB开发了便于信号采集与显示的上位机软件,借助Keil 5编写了下位机程序。利用Solidworks为微流控芯片以及硬件电路部分分别设计了外壳封装,以增加整个系统的稳定性。将软硬件电路与纸基微流控芯片结合组成了完整的基于电化学微流控技术的常见重金属离子检测系统。整体检测装置大小仅15cm×15cm×9cm,且不需要专业技术人员进行操作。 （2）借助微流控技术设计了多层结构的纸基微流控芯片,芯片采用三维结构布局,利用疏水材料在纸基材料上制作了亲水的加样区、流路通道和检测区,并在芯片的流路结构中设置有废液通道,以稳定待检测液的流动,增强检测效果。基于石墨烯材料的特性,选择其作为三电极材料,经过性能对比最终选用叉指状电极结构布局,通过黏附材料将检测电极与三层纸基材料装配在一起,完成检测芯片的制作。根据相关理论研究流体在滤纸这类多孔介质中的传递情况,并利用COMSOL仿真软件对检测过程进行仿真验证。通过实验测试开展了检测芯片的性能对比,经测试发现叉指状检测电极结合3D结构芯片布局,可以大幅提高检测效果,相比与长条形电极和平面型的检测芯片,本芯片检测信号强度提升了194.66%。 （3）开展了待测溶液的定性定量检测,选用p H=4.5的乙酸-乙酸钠作为缓冲溶液,选择合适体积的缓冲液和重金属离子标准溶液配制待测溶液。在富集电压为-1.2V、富集时间为180s、静息时间为30s、步进电压为4m V、脉冲振幅为50m V、脉冲周期为100ms的条件下,对铅、汞、镉、铜等单一离子及其混合离子溶液开展检测,在约8分钟时间完成检测。根据检测结果可知四种单一离子浓度在10μg/L-100μg/L内呈现良好的线性度,其中镉离子的线性拟合方程为y=0.10632x+14.8566,R=0.9928;铅离子的线性拟合方程为y=0.02571x+1.43408,R=0.9857;铜离子的线性拟合方程为y=0.0082x+1.0316,R=0.9917;汞离子的线性拟合方程为y=0.00697x+1.42222,R=0.9595,且对其混合离子溶液具有良好的区分度。镉、铅、铜以及汞四种离子的检测限分别为0.34μg/L、1.40μg/L、4.39μg/L、5.16μg/L。 综上,本文将电化学技术与微流控技术相结合,设计并制作了重金属离子检测系统,基于电化学微流控技术对常见重金属离子进行了检测,本检测系统相比于其他检测系统,具有便携、检测快速、操作简单等优点,不需要高技术的专业人员进行操作,对重金属离子检测技术发展能起到一定的助力。