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稀土超分子传感材料让污染物无处遁形

2020年10月13日 10:06   来源: 中新网内蒙古

  中新网内蒙古新闻10月13日电 (李宝乐)近日,内蒙古自治区科技厅公布2020年度科研项目评审结果,中国北方稀土(集团)高科技股份有限公司(简称北方稀土)的“稀土超分子传感材料产业技术开发”项目(简称项目)被列为内蒙古关键技术攻关计划项目。

  “项目已投入计划并顺利实施。该项目能够有效推动稀土功能材料应用技术研究开发,进一步拓展北方稀土产业链。”项目负责人、包头稀土研究院高级工程师李静雅激动地说。

  近一个世纪的发展,尤其是随着工业的高速发展,废水、废气的排放让环境问题成为了焦点,有机物小分子、重金属离子及挥发胺等的污染物已严重威胁到环境及人身健康,及时检测发现并预防污染物向环境中扩散就成为当务之急。“这就是我们制备灵敏有效检测污染物传感器的初衷。”黑龙江大学教授李洪峰讲道。

  目前,在现有多种检测污染物的方法中,基于荧光的化学检测相比于其它复杂的设备有着许多优势,比如具有高高信噪比输出,操作简单,成本低廉,结果可靠等。“荧光传感器以其灵敏度高、选择性好等优点已成为传感器领域的主要研究对象之一。”李静雅坦言,寻找到合适的材料构筑实用化的荧光传感器仍然面临诸多挑战。

  据李洪峰介绍,稀土离子独特的电子层结构,稀土配合物具有荧光量子产率高,斯托克斯位移位移大,发射谱带较窄和荧光寿命较长等优点。这些优点可以有效克服来源于检测体系的背景荧光,提高检测的灵敏度和精确度。但因要同时兼顾材料的渗透性、器件的制造和优异的性能非常具有挑战性,所以关于稀土基配合物作为污染物检测传感器的开发较少。

  尤其值得关注的是传感性能的成功实现要求材料具有一定的孔隙率。然而,稀土离子较大的配位数往往会导致材料形成致密体的聚集体。稀土金属有机框架虽然具有多孔和明确的通道,但通道内的溶剂分子通常阻碍目标分子进入通道,导致它们与识别位点的相互作用受到限制,而溶剂分子的去除通常导致框架的崩溃,让薄膜成型难度加大。

  “一方面薄膜要好成型,另一方面让污染物自由进出薄膜,与薄膜内化学物质充分反应,并利用荧光强度的变化来定性和定量污染物的种类和含量,这是摆在我们面前的难题,目前鲜有人在这方面研究有突破。”李静雅说,我们的灵感来源于生物酶的超分子结构,其空间的专一选择性和高效的催化性能来自于特定的识别位点和空间的限域效应。稀土超分子笼恰是对生物大分子的一种模拟。

  “鉴于涉及相对复杂的光物理过程,将优良的选择性、灵敏度、快速响应和可逆性集中到一个传感器上仍然是一个挑战。”李洪峰说道。

  该项目结合分子笼的空间选择性、渗透性和稀土离子的特殊光谱特征,研究开发一类新型稀土超分子材料并将其制成薄膜用于检测有机物小分子、重金属离子及挥发胺。“我们制备的稀土超分子薄膜可以弥补荧光传感不能有效对有机物小分子、重金属离子及挥发胺进行探测的问题。”李静雅说。

  据悉,目前项目已投入计划并顺利实施,项目团队前期在实验室采用以三苯胺作为面式配体,以稀土铕离子为顶点,构筑了一种具有空穴结构的稀土四面体笼超分子材料,该稀土超分子材料具有较好的溶解性,可以用旋涂方法制备成薄膜。

  为了进一步检测薄膜的一些化学特性,项目研发团队还针对薄膜对各种不同浓度胺/NH3气体的荧光响应及检测限进行了探究。

  将不同浓度的NH3、丙胺、二丙胺、三丙胺、苄胺、苯乙胺、苯胺蒸汽通入装有稀土超分子薄膜的测试皿中,让稀土超分子薄膜与胺/NH3蒸汽充分作用后,测定荧光强度随胺/NH3浓度的变化曲线。

  随后又对稀土超分子薄膜的荧光强度增加率与各种胺浓度的关系进行了探究发现,如果以检测能到荧光强度变化率是0.1%为优良光学检测器的检测标准,得到胺类物质的检测限为微克级。

  所谓检测限指某一分析方法在给定的可靠程度内可以从样品中检测待测物质的最小浓度或最小量,这个微克级的检测限远低于大多数的胺类物质荧光检测器,并且远低于美国职业安全委员会所规定的允许暴露界限,可谓十分经济环保。

  同时通过实验可知,该稀土超分子材料薄膜对胺类物质的响应时间为亚秒级并对胺类物质的测试具有可逆性,这一特征,说明稀土超分子材料薄膜具有良好的光稳定性和化学稳定性,其在荧光传感方面具有较强的应用性。

  “项目开展可以开发出一种新型的稀土超分子传感材料,基于该材料所制得的薄膜可用于检测废水废气中的有机物小分子、重金属离子及挥发胺,能及时预防污染物向环境中扩散,该技术应用操作简单,结果可靠,对提升稀土产品的附加值意义重大。”李静雅信心满满。(完)

编辑:陈峰
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