The presence of metal ions, especially heavy metals, in various waters at elevated levels can pose a high risk to the environment and human health. Drinking water is one of the major sources that contributes to the daily intake of heavy metals by humans, and thus a rapid, low-cost and sensitive method for detection of heavy metal content in water is desirable. The goals of this study are to develop a chemical method for rapid testing of lead (PbII) ion in water solutions and to incorporate the method into a portable device for potential onsite applications. First, a rapid and sensitive colorimetric method for lead detection has been developed in this study by utilizing the unique optical properties and surface chemistry of gold nanoparticles (GNPs) and glutathione (GSH), which is a peptide used for lead recognition. In the reaction, GSH molecules serve as linkers to coordinate with both PbII and GNPs so as to aggregate the GNPs and thereby change the colour of the assay solution. The colour changes as measured by absorbance at selected wavelengths using UV-Vis spectrometry are proportional to the levels of PbII in aqueous samples, and thus quantification of PbII can be realized. As the reaction is based on label-free GNPs, no pre-modification is required. The limit of detection (LOD) of 6.0 ppb achieved by the method is lower than the maximum acceptable PbII concentrations (10 -15 ppb) in drinking water, indicating its high sensitivity and potential applicability in drinking water testing. The high selectivity for PbII against 10 metal ions has been demonstrated, and several masking agents were evaluated for their effectiveness in reducing potential inferences for an additional four metals. Second, a polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic chip was fabricated and coupled with a portable optical reader specifically designed for GNP probes. This device was first tested for detection of aluminum (AlIII) as a model compound by GNP probes to examine the compatibility of the microfluidic chip with the GNP probes and the sensitivity to the corresponding colour changes of the GNPs. It showed an LOD (1.2 ppm) comparable with that of UV-Vis Spectrometry (1.3 ppm) and operations were simple since only pipetting was required. The prominent feature of the device is that PDMS microfluidic chips are disposable and can be redesigned for other assays as well, such that the label-free GNP probes developed in this study for PbII detection can be possibly integrated in those microfluidic chips in the near future. The use of LED array light sources with controllable wavelengths is another feature to enable multi-analyte capability, which could be examined in the near future. / La présence d'ions métalliques en particulier les métaux lourds dans différents types d'eau à des niveaux élevés peut présenter un risque important pour l'environnement et la santé humaine. L'eau potable est l'une des principales sources qui contribuent à l'apport quotidien en métaux lourds chez l'humain, et donc une méthode rapide, peu coûteuse et sensible à la détection des métaux lourds dans l'eau est en grande demande. Les objectifs de cette étude est de développer une méthode chimique pour un dépistage rapide d'ion de plomb (PbII) en phase aqueuse et d'intégrer la méthode dans un dispositif portable à des fins d'applications potentielles sur place. Premièrement, une méthode colorimétrique rapide et sensible à la détection de plomb a été développée dans cette étude en utilisant les propriétés optiques uniques et la chimie de surface des nanoparticules d'or (GNPs) et le glutathion (GSH), qui est un peptide utilisé pour la reconnaissance de plomb. En réaction, les molécules de GSH servent de relieurs à fin de coordonner avec le PbII ainsi que le GNPs de manière à regrouper les sondes GNPs et ainsi changer la couleur du dosage. Les changements de couleur mesurée par absorption à des longueurs d'onde sélectionnées en utilisant la spectrométrie d'UV-Vis sont proportionnels au niveau du PbII dans des échantillons aqueux, permettant ainsi la quantification de PbII. Comme la réaction est basée sur l'utilisation des GNPs non-libellés, pas de pré-modification est requise. La limite de détection (LOD) de 6,0 ppb réalisée par la méthode est inférieure aux concentrations maximales de PbII acceptable (10 à 15 ppb) dans l'eau potable, ce qui indique sa haute sensibilité et applicabilité potentielle en analyse d'eau potable. Une haute sélectivité pour le PbII contre 10 ions métalliques a été démontrée, et plusieurs agents masquant ont été évalués pour leur efficacité dans la réduction des interférences potentielles pour quatre autres métaux. Deuxièmement, une puce microfluidique en polydiméthylsiloxane (PDMS) a été fabriqué et couplé à un lecteur optique portable spécialement conçu pour les sondes de GNPs. Cet appareil a été d'abord testé pour la détection de l'aluminium (AlIII) comme composé modèle, par des sondes de GNPs à fin d'examiner la compatibilité de la puce microfluidique avec les sondes de GNPs et la sensibilité aux changements de couleur correspondante du GNPs. Elle a démontré une LOD comparable (1,2 ppm) à celui de la spectrométrie UV-Vis (1,3 ppm) et les opérations étaient simples puisque seulement le pipetage était nécessaire. L'aspect remarquable du dispositif est que les puces microfluidiques de PDMS sont jetables et peuvent être reformulées pour d'autres dosages ainsi, de sorte que les sondes de GNPs non-libellées développées dans cette étude pour la détection de PbII peuvent être éventuellement intégrés dans des études futures. L'utilisation des sources de lumière à faisceau LED aux longueurs d'onde contrôlables est une autre caractéristique permettant une capacité multi-analyte, qui pourrait être examinée dans un proche avenir.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.121545 |
| Date | January 2014 |
| Creators | Zhong, Guowei |
| Contributors | Jinxia Liu (Internal/Supervisor), Xinyu Liu (Internal/Cosupervisor2) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Science (Department of Civil Engineering & Applied Mechanics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses |
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