基于发光金属有机框架的重金属传感器设计制备及性能研究

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在当前社会发展的背景下,由重金属引起的环境危害以及食品安全问题引起人们的广泛关注。传统的处理方式可能具有一定的局限性和不合理性,影响重金属检测结果的准确性,无法准确反映食品以及环境中重金属的真实情况,因此借助新技术高效准确地检测环境中潜在的重金属是食品安全评价和控制的必要前提。本研究以发光金属有机框架(LMOFs)为基础,重金属污染物铜和镉为研究对象,设计制备了两种多功能传感器并探究其检测机理及应用价值。论文主要研究内容和结果如下:1.RhB@ZIF-8智能检测平台的制备及其对铜离子检测去除性能的研究。采用简单有效的封装策略,将荧光染料(RhB)封装到传统的MOFs材料中(ZIF-8)设计成为一种新型智能比率传感器(RhB@ZIF-8)。通过SEM、FT-IR和XRD表征,证明复合后材料形貌未发生明显变化,颗粒的平均尺寸为50-100 nm,并且保持了单独MOFs组分完整的晶体特征。TEM、UV-vis和Zeta电位证明了RhB的稳定封装,N2吸附-解吸试验结果表明制备的复合材料具有大的比表面积、大的孔容积和均一的孔径,并对RhB@ZIF-8的铜离子检测去除性能进行了评估。由于ZIF-8优异的离子结合力和RhB的自校准效应,所制备的传感器实现了广泛的响应范围(0.05-200 ppm,2.07×10-7-8.29×10-4 M)、超高的灵敏度(0.04 ppm,1.91×10-7 M)、优越吸附性能(608 mg g-1)以及对Cu2+较强的抗干扰能力。区别于传统的双功能材料,所合成的MOFs基复合材料对Cu2+的荧光响应呈线性变化并且与吸附过程具有一定的相关性,通过DFT理论计算证明了去除与检测过程之间的能量匹配,为开发有效双功能的荧光传感器技术提供了一定的参考价值,为构建多功能纳米材料提供了新的思路和方法。2.缺陷型镧系金属有机骨架(Eu@UIO-MOFs)传感器的制备及其对镉离子检测性能的研究。采用酸调配剂辅助策略,将配体缺陷引入镧系基金属有机框架中(Eu@UIO-MOFs-X),使其具有可调特性。通过SEM、TGA、1H NMR和XRD等表征手段证明了不同程度缺陷结构的成功引入,进一步研究了配体缺陷的引入对检测性能的调节作用。研究结果表明,通过合成过程中引入不同程度的缺陷数量,可以提高材料对镉离子的预富集能力,并且实现高效的能量传递,最终通过调控缺陷数量,可以实现可调的传感性能。检测效果结果证实,在合成的Eu@UIO-MOFs-2传感器中,响应斜率显著增强,实现了在0-10 ppm范围极好的痕量检测以及超低的检测限(114 ppb,5.67×10-7 M),为Cd2+的跟踪检测提供了一个强大的信号放大器。同时,该检测探针成功地应用于实际样品中,证明了所合成的Eu@UIO-MOFs的可调性和灵敏度,可用于食品体系中Cd2+的精确识别。因此,通过探针结构中缺陷工程的调控作用,可以实现对探针检测性能的积极调节,为探索食品以及环境污染物监测创新技术提供了一条新途径。
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