稀土超分子薄膜让污染物无处隐藏

据悉,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2020年内蒙古关键技术攻关计划项目。稀土超分子薄膜因具有良好的光稳定性和化学稳定性等特点,而能用于检测废水废气中的有机物小分子、重金属离子以及挥发胺,能及时预防污染物向环境中扩散,该技术的应用操作简单,结果可靠,对提升稀土产品的附加值意义重大。

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的设备有着更多的优势,比如具有高信噪比输出,操作简单,成本低廉,结果可靠等。项目负责人、包头稀土研究院高级工程师李静雅认为,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,但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。

稀土矿图片

据黑龙江大学李洪峰教授介绍,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,使之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应具有一定的孔隙率。

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信道,但信道内的溶剂分子通常阻碍目标分子进入信道,造成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。

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,以弥补荧光传感器的不足。

废水图片

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,经济环保。

同时通过实验知道了,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。

李静雅表示,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。

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