微流控芯片及连续在线检测光催化过程中过氧化氢的方法技术

本发明专利技术公开了微流控芯片及连续在线检测光催化过程中过氧化氢的方法，通过微流控芯片将光催化反应、荧光试剂与待测溶液混合、过氧化氢检测等步骤集合在一起。本发明专利技术将光催化剂设置在第一通道内，并形成光催化涂层，使得样品在光催化区能够进行光催化反应。本发明专利技术设置催化混合区，由于羟基自由基本身寿命很短，设置催化混合区，能够保证光催化过程中产生的羟基自由基完全消失；本发明专利技术在第三通道设置混合区，过氧化氢、芬顿试剂、荧光试剂经过混合区时，能够使得过氧化氢能够与芬顿试剂反应完全，同时使荧光试剂与反应后的羟基自由基完全结合，本发明专利技术的方法可以实现光催化过程中H

【技术实现步骤摘要】
微流控芯片及连续在线检测光催化过程中过氧化氢的方法
本专利技术属于化学分析检测
，涉及微流控芯片及连续在线检测光催化过程中过氧化氢的方法。
技术介绍
公开该
技术介绍
部分的信息仅仅旨在增加对本专利技术的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。H2O2分解的唯一产物是水和氧，这使得它成为最清洁，最通用的化学氧化剂之一，因此在环境友好的化工行业中发挥了很大作用。目前国内外生产H2O2最主要的方法是蒽醌法。蒽醌氧化的工艺，因为它可以在中等温度连续地产生H2O2，同时还可以避免直接O2与H2进行接触所存在的爆炸危险。但是，这个过程涉及烷基蒽醌前体在有机溶剂混合物中的溶解过程中的的顺序氢化、氧化，进一步进行液－液萃取来回收H2O2。蒽醌氧化的工艺过程需要大量的能量输入并且会产生很大的浪费，因此比较繁琐。利用太阳能光合成H2O2越来越受到人们的重视，是一种具有极大发展潜力的途径。其原理是通过光催化材料吸收光产生分离的空穴和电子，电子迁移到催化材料的表面，通过二电子还原途径选择性地将吸附的氧气还原为H2O2，此过程有效避免了H2和O2直接混合，生产风险大大降低。利用太阳能作为能源供体、在温和条件下催化得到过氧化氢具有重要的理论和实际意义，它是实现太阳能到化学能转化的一条绿色、可持续的途径。其中，催化剂的高活性和稳定性一直是人们关注的焦点。该过程涉及的光催化剂的光吸收、在光的照射下电子和空穴分离、电子转移到光催化剂表面、光生空穴对水/醇的氧化以及光生电子还原氧气等步骤。在这一过程中，高效的光催化剂是直接合成H2O2的核心因素。对光催化过程中H2O2的产生机理以及影响因素等催化机理进行研究，是合成高效催化剂的关键。研究催化过程中H2O2的产生速度以及影响因素等，是进行催化机理研究的重要手段。因此，光催化过程产生H2O2的定性与定量分析一直是国际上研究的热点和难点。目前已经建立的测定光催化过程中H2O2的方法，主要有化学发光法、紫外分光光度法和荧光方法等。YoshioNosaka等利用荧光探针，对H2O2进行了定性和定量分析，研究了TiO2体系中不同晶型、修饰组分以及溶剂等对催化活性的影响。然而，经过本专利技术的专利技术人研究发现，目前检测H2O2的方法均为间歇法，需要通过加入选择性探针进行捕获，然后在某个时间点进行取样、分离、测定，另外，荧光探针与H2O2的反应速度较慢，大多需要30分钟以上时间才能得到稳定的荧光信号，上述因素使得目前无法进行在线测定。这些常规的方法费时、不能连续化、微量化，这很大程度上限制了对其生成动力学的研究。
技术实现思路
为了解决现有技术的不足，本专利技术的目的是提供微流控芯片及连续在线检测光催化过程中过氧化氢的方法，该方法可以实现光催化过程中H2O2的实时、在线检测，无需经过繁琐的取样、分离、更换催化剂等步骤。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案为：一方面，一种微流控芯片，微流控芯片设有两个进样池、三个废液池、两个缓冲储液池，第一进样池连接第一通道，第二进样池连接第二通道，第一通道与第二通道的出口与第三通道入口连通，第三通道入口处设置反应混合区，第三通道的另外一端为第三废液池；第三通道与第四通道相交，第四通道与第五通道相交，第五通道与第三通道不相交；第四通道两端为第一缓冲溶液池与第一废液池，第五通道两端为第二缓冲溶液池与第二废液池；第一通道设置光催化反应区和催化混合区，所述光催化反应区设有光催化剂层，光催化反应区位于第一进样池与催化混合区之间，将光催化反应后的溶液进行混合，两个进样池设置为用于连接泵出口，第四通道与第五通道均为电泳通道，第四通道设置用于荧光检测的荧光检测区；所述第二进样池用于盛放荧光探针、缓冲溶液以及芬顿试剂，所述荧光试剂为能够与羟基自由基特异性结合的化合物，所述芬顿试剂是指能够与过氧化氢反应产生羟基自由基的过渡金属离子等(例如Fe2+、Co2+、Cu2+、Ag2+、Mn2+、Ni2+或者它们的配合物等)，催化混合区与反应混合区均为混合通道。芬顿试剂，能够迅速将过氧化氢转化为羟基自由基，羟基自由基能够与特定的荧光探针进行特异性结合，从而利用羟基自由基对过氧化氢进行检测。然而，利用芬顿试剂仅能降低检测时间，仍然无法实现在线检测光催化过程中的过氧化氢，原因在于：光催化反应需要添加催化剂，而反应后光催化剂的存在影响荧光检测。同时，微流控技术能够进行微量化检测，但是基于上述问题，目前难以采用微流控技术对光催化过程中过氧化氢进行连续在线检测。本专利技术提供了一种新的微流控芯片，将光催化剂设置在第一通道内，并形成光催化涂层，使得样品在光催化区能够进行光催化反应，从而省略光催化剂与反应后的物料分离的步骤。光催化过程中产生的羟基自由基会影响芬顿试剂产生的羟基自由基的测定。本专利技术设置催化混合区，由于羟基自由基(水溶液中)本身寿命很短(纳秒)，设置催化混合区，能够保证光催化过程中产生的羟基自由基完全消失；同时能够使光催化产生的H2O2分散均匀，从而更好的与芬顿试剂混合反应。本专利技术在第三通道设置混合区，过氧化氢、芬顿试剂、荧光探针经过混合区时，能够增加各物质的分散性，使得过氧化氢能够与芬顿试剂反应完全，同时使荧光试剂与反应后的羟基自由基完全结合，从而实现对过氧化氢的定性、定量检测。本专利技术设置两个进样池，并且在进样池连接泵，同时在第一通道设置光催化反应区，而且光催化区内设置光催化剂层，目的在于：样品溶液从进样池能够进入至光催化区进行光催化反应，催化剂被固定在光催化反应区，样品溶液在流动中，实现溶液与催化剂的自动分离，另外，同时设两个进样池，并且都连接泵，能够将缓冲溶液、芬顿试剂、荧光试剂溶液通过另外一个通道与样品溶液混合，从而实现对流体的分别控制，还能够避免荧光试剂长间照射引起光漂白问题。为了满足连续在线的检测需求，与羟基自由基反应的荧光探针要求具有反应速度快的特点，例如2-[6-(4V-Hydroxy)phenoxy-3H-xanthen-3-on-9-yl]benzoicacid(HPF)、2-[6-(4V-amino)phenoxy-3H-xanthen-3-on-9-yl]benzoicacid(APF)等。一些核酸类羟基自由基荧光探针，例如无酶过氧化氢探针(张志昆，专利申请号201810501810.3)、Fc@MSN-FDNA/PTAD(Anal.Chem.2016,88,7,3998-4003)、纳米金-DNA-荧光素(张宁，山东师范大学硕士论文，2007)被用来检测H2O2，但是由于这些试剂在使用过程中，羟基需要切断核酸链，反应时间较长，不适合进行在线连续检测H2O2。另一方面，一种连续在线检测光催化过程中过氧化氢的方法，提供上述微流控芯片，向第一进样池中添加样品，向第二进样池添加荧光试剂、缓冲溶液以及芬顿试剂，样品流经光催化反应区，在光照下进行光催化反应，第二进样池中的荧光试剂及芬顿试剂直接与光催化反应后的物料在第三通道混合，在第三通道的混合区中进行芬顿反应，芬顿反应后的羟基自由基与荧光试剂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微流控芯片，其特征是，所述微流控芯片设有两个进样池、三个废液池、两个缓冲储液池，第一进样池连接第一通道，第二进样池连接第二通道，第一通道与第二通道的出口与第三通道入口连通，第三通道入口处设置反应混合区，第三通道的另外一端为第三废液池；第三通道与第四通道相交，第四通道与第五通道相交，第五通道与第三通道不相交；第四通道两端为第一缓冲溶液池与第一废液池，第五通道两端为第二缓冲溶液池与第二废液池；第一通道设置光催化反应区和催化混合区，所述光催化反应区设有光催化剂层，光催化反应区位于第一进样池与催化混合区之间，两个进样池设置为用于连接泵出口，第四通道与第五通道均为电泳通道，第四通道设置用于荧光检测的荧光检测区；所述第二进样池用于盛放荧光试剂、缓冲溶液以及芬顿试剂，所述荧光试剂为能够与羟基自由基特异性结合的化合物，所述芬顿试剂是指能够与过氧化氢反应产生羟基自由基的过渡金属离子，催化混合区与反应混合区均为混合通道。/n

【技术特征摘要】
1.一种微流控芯片，其特征是，所述微流控芯片设有两个进样池、三个废液池、两个缓冲储液池，第一进样池连接第一通道，第二进样池连接第二通道，第一通道与第二通道的出口与第三通道入口连通，第三通道入口处设置反应混合区，第三通道的另外一端为第三废液池；第三通道与第四通道相交，第四通道与第五通道相交，第五通道与第三通道不相交；第四通道两端为第一缓冲溶液池与第一废液池，第五通道两端为第二缓冲溶液池与第二废液池；第一通道设置光催化反应区和催化混合区，所述光催化反应区设有光催化剂层，光催化反应区位于第一进样池与催化混合区之间，两个进样池设置为用于连接泵出口，第四通道与第五通道均为电泳通道，第四通道设置用于荧光检测的荧光检测区；所述第二进样池用于盛放荧光试剂、缓冲溶液以及芬顿试剂，所述荧光试剂为能够与羟基自由基特异性结合的化合物，所述芬顿试剂是指能够与过氧化氢反应产生羟基自由基的过渡金属离子，催化混合区与反应混合区均为混合通道。


2.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征是，第一通道与第二通道的宽度比为2:0.9～1.1。


3.如权利要求1所述的微流控芯片，其特征是，光催化剂层采用的催化剂为二氧化钛。


4.如权利要求3所述的微流控芯片，其特征是，光催化剂层的制备方法为：将钛酸四丁酯加入至溶液中，加入聚乙烯吡咯烷酮获得混合液，将混合液旋涂在光催化反应区，然后在450～550℃下煅烧，使得光催化反应区形成光催化剂层。


5.一种连续在线检测光催化过程中过氧化氢的方法，其特征是，提供权利要求1～4任一所述的微流控芯片，向第一进样池中添加样品，向第二进样池添加荧光试剂、缓冲溶液以及芬顿试剂，样品流...

【专利技术属性】
技术研发人员：禚林海，张金军，
申请(专利权)人：泰山学院，
类型：发明
国别省市：山东;37