“智能光子晶體膜”用于水中汞離子的高靈敏度可視化檢測(cè)和有效去除
有害重金屬是廣泛存在的環(huán)境污染物，給公眾健康和生態(tài)系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)重危害。作為危害最大的重金屬之一，汞被大量排放到環(huán)境中，主要來(lái)源于采礦、冶煉、廢物處理、燃料燃燒、電子工業(yè)等。水環(huán)境中的汞離子造成水體、土壤污染，而且易被微生物轉(zhuǎn)化為甲基汞。甲基汞是一種強(qiáng)效神經(jīng)毒素，通過(guò)食物鏈富集于人體，導(dǎo)致疾病，如引起神經(jīng)系統(tǒng)損害、肺部疾病、腎臟疾病等。因此，水體系中汞離子的監(jiān)測(cè)和富集去除一直受到高度關(guān)注。設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)兼具高靈敏度汞離子檢測(cè)和有效富集的功能材料為解決汞離子污染提供思路。
近日，張淑芬教授團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境中汞離子可視化檢測(cè)和高效吸附的介孔光子晶體智能膜材料。所制備的彩色光子晶體薄膜能夠高效捕獲水環(huán)境中的汞離子，實(shí)現(xiàn)汞離子的富集和水環(huán)境污染的修復(fù)。同時(shí)，汞離子的吸附觸發(fā)光子晶體體積收縮、晶格間距減小，從而引起薄膜顏色的改變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水環(huán)境中汞離子的可視化定量檢測(cè)。相關(guān)研究成果以“Functional?Mesoporous?Photonic Crystal Film for Ultrasensitive Visual Detection and Effective Removal of Mercury (II) Ions in Water”為題，發(fā)表在最新一期的Advanced?Functional?Materials雜志上，論文第一作者為博士研究生寇東輝，通訊作者為該團(tuán)隊(duì)的馬威教授。
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圖1?光子晶體薄膜可逆吸附、檢測(cè)汞離子示意圖
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圖2 光子晶體薄膜對(duì)汞離子檢測(cè)性能測(cè)試
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智能光子晶體由含硫脲官能基的聚合物納米粒子P(AM-ATU)和高折光指數(shù)的納米氧化鈦交替堆疊而成，其結(jié)構(gòu)中含有豐富的汞離子識(shí)別位點(diǎn)，通過(guò)配位鍵合，選擇性捕獲水環(huán)境中的汞離子?；诩{米粒子形成的結(jié)構(gòu)孔隙，使被檢測(cè)物快速滲透、擴(kuò)散、吸附到作用位點(diǎn)，加速傳感。研制的光子晶體對(duì)汞離子的響應(yīng)靈敏度高，檢測(cè)限可達(dá)1?nM，且對(duì)汞離子具有特異性識(shí)別能力。設(shè)計(jì)了時(shí)間分辨檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)1?nM -?800 μM的寬范圍檢測(cè)，且可逆性和重現(xiàn)性優(yōu)異。研究中所選取的不同水源對(duì)汞離子測(cè)試幾乎無(wú)干擾。循環(huán)吸附測(cè)試顯示，光子晶體薄膜具有良好的循環(huán)再生性能。當(dāng)水環(huán)境中汞離子初始濃度低于20 μM時(shí)，汞離子吸附平衡后去除率超過(guò)90.0%。該光子晶體膜對(duì)汞離子的最大平衡吸附量可達(dá)739.6 mg·g-1。研究采用耗散型石英晶體微天平實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)了薄膜在汞離子吸附過(guò)程中的質(zhì)量和粘彈性變化，揭示了基于納米聚合物的兩階段汞離子吸附過(guò)程原理。該工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、興遼人才計(jì)劃、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)的大力支持。
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