MOFs基光电传感材料制备及在抗生素检测中的应用

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自上世纪抗生素被发现以来,人类已开发出几千种抗生素,其中应用于医学、畜牧及水产养殖业等领域也有几百种,但同时也造成了严重的滥用现象,对人类健康乃至生态环境造成的危害愈演愈烈。例如会使人体产生耐药性,对人体器官造成毒性损伤等,甚至会破坏生态平衡,产生“超级细菌”。光电化学(PEC)传感器作为一种设备操作简单、分析快速、特异性高的新型分析方法顺应了当前的检测技术发展趋势。光电化学传感器将光电转换单元与传感识别单元结合在一起,因此分析物的确定在很大程度上取决于电极材料的光电转换特性。近年来,科学研究者致力于设计开发光电转换效率高、稳定性好的光电活性材料,金属有机框架材料(MOFs)由于其组成结构可调、性质可控、功能可设计等优势已成为研究热点。本论文致力于设计MOFs基光电活性材料,并通过有机配体功能化、金属离子掺杂、MOFs衍生、半导体多级敏化及电子传输介质杂化等手段对MOFs进行改性,并结合适配体识别技术构建了一系列光电化学传感器,实现了对环境中抗生素的灵敏检测。主要工作如下:(1)利用两步溶解热法制备了MIL-68(In)-NH2/MWCNT/CdS纳米复合材料为光活性电极,结合四环素(Tc)适配体为传感识别单元,构建了无标记型的光电化学传感器。首先通过改良的动态溶剂热法制备了氨基修饰的MIL-68(In)(MIL-68(In)-NH2),其光吸收边缘由于将氨基引入有机配体而有效地转移到可见光区域,使其具有良好的可见光吸收能力。多壁碳纳米管(MWCNT)作为电子传输介质通过调节电子传输路径,促进了电子的快速转移,MIL-68(In)-NH2/CdS异质结的形成显着促进了转移并抑制了电荷载流子的重组,进一步提高了光电转换效率。随后利用适配体特异性捕获Tc分子,通过观察光电流信号的波动来监测Tc的浓度。在优化条件下,光电化学传感器显示出宽的线性范围为0.1 nmol/L-1μmol/L,检测限低至0.015 nmol/L。(2)设计了基于氮掺杂石墨烯量子点(N-GQDs)和AgBi S2共敏化Zn/Co双金属氧化物(ZnxCo3-xO4)十二面体为光活性电极的光电化学适配体传感器,用于环境介质中残留的氨苄青霉素(AMP)的灵敏检测。衍生自ZnCo-ZIF的ZnxCo3-xO4十二面体保留了母体原始的中空结构,同时在低温退火后形成多孔的形貌,显着提高了光利用率并缩短了光电子的传输路径。具有上转换发光性能的N-GQDs及接近于太阳能最佳吸收带隙的AgBi S2共敏化ZnxCo3-xO4十二面体,实现了对可见光利用的最大化,进一步了增强光电转换活性。随后,适配体通过化学键作用与光活性电极结合,所构建的光电化学适配体传感器实对不同浓度的AMP具有良好的光电响应性能,线性响应范围为0.5pmol/L-10 nmol/L,检测极限为0.25 pmol/L。(3)首先通过溶剂热法制备了铈元素掺杂的UiO-66(Ce-UiO-66),Ce-UiO-66中存在Zr4+-Zr3+及Ce3+-Ce2+的价间循环,可以有效地提高了电荷分离效率。随后通过后修饰[Ru(bpy)3]2+及Mn:Bi2S3进一步改性Ce-UiO-66以提高光电活性。[Ru(bpy)3]2+一方面可以拓宽吸收光波长范围,另一方面[Ru(bpy)3]2+与电子供体发生反应,可以维持光电转换过程。Mn:Bi2S3作为光敏化剂同时形成了[Ru(bpy)3]2+@Ce-UiO-66/Mn:Bi2S3异质结构,最大程度地促进了电子和空穴的分离效率,显著提高了光电流。基于上述复合材料的构建的光活性电极偶联适配体的构建的光电化学传感器,实现了对氧氟沙星(OFL)的灵敏检测,检测范围为0.01 nmol/L-100 nmol/L,检测限低至6 pmol/L。通过设计了三种MOFs基的光电活性材料,构建了一系列光电化学适配体传感器用于检测环境中抗生素。所制备的传感器展示出优异的性能,为构建新型环境残留污染物的检测技术的提供了新平台。
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