長期以來，廢水、廢氣的排放一直是諸多環(huán)境問題中的焦點(diǎn)，其中有機(jī)物小分子、重金屬離子及揮發(fā)胺等污染物已嚴(yán)重威脅到環(huán)境及人身健康，及時(shí)檢測發(fā)現(xiàn)并預(yù)防污染物向環(huán)境中擴(kuò)散成為當(dāng)務(wù)之急。

科技日報(bào)記者2月21日從包頭市稀土高新區(qū)獲悉，“稀土超分子傳感材料產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)”項(xiàng)目正式實(shí)施。該項(xiàng)目將有效推動(dòng)我國稀土功能材料應(yīng)用技術(shù)研究開發(fā)，進(jìn)一步拓展北方稀土產(chǎn)業(yè)鏈。“基于這樣一種目的，我們將研發(fā)制備高靈敏和高選擇性污染物傳感器。”項(xiàng)目工程師、黑龍江大學(xué)教授李洪峰告訴記者。

稀土傳感材料存在痛點(diǎn)

“在現(xiàn)有多種檢測污染物的方法中，基于熒光的化學(xué)檢測方法相比于其他檢測方法具有更多優(yōu)勢，比如，操作簡單、成本低廉和測試結(jié)果可靠等。熒光傳感器以其靈敏度高、選擇性好等優(yōu)點(diǎn)已成為傳感器領(lǐng)域的主要研究對象之一。但是，尋找到合適的材料構(gòu)筑實(shí)用化的熒光傳感器仍然面臨諸多挑戰(zhàn)。”項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、包頭稀土研究院高級工程師李靜雅向記者介紹說。

據(jù)李洪峰介紹，稀土離子獨(dú)特的電子層結(jié)構(gòu)使稀土基配合物具有發(fā)射譜帶較窄、色純度高、熒光壽命較長和斯托克斯位移大等優(yōu)點(diǎn)。這些優(yōu)點(diǎn)可以有效克服來源于檢測體系背景熒光的干擾，提高檢測的靈敏度和精確度。但因要同時(shí)兼顧材料的滲透性、器件的制造工藝和性能，構(gòu)筑稀土基傳感材料仍面臨著技術(shù)難題，因此關(guān)于稀土基配合物作為污染物檢測傳感器的開發(fā)較少。

發(fā)揮好傳感性能，需要材料具有一定的孔隙率。然而，稀土離子較大的配位數(shù)往往會導(dǎo)致材料形成致密聚集體。通俗地講，就是稀土金屬有機(jī)框架雖然具有多孔和明確的通道，但其通道內(nèi)的溶劑分子通常會阻礙目標(biāo)分子進(jìn)入，并因此導(dǎo)致它們與識別位點(diǎn)的相互作用受到限制;而若去除溶劑分子則會導(dǎo)致框架的崩潰。此外，較差的溶解度也讓將材料制成傳感器薄膜的成型難度加大。

對此，李靜雅表示：“一方面?zhèn)鞲衅鞅∧ひ菀壮尚停硪环矫嬉屛廴疚镒杂蛇M(jìn)出薄膜，與薄膜內(nèi)化學(xué)物質(zhì)充分作用，并利用熒光強(qiáng)度的變化來定性和定量污染物的種類和含量，這是擺在我們面前的技術(shù)難題，很少有研究人員在這方面取得突破。”

創(chuàng)新材料操作簡單結(jié)果可靠

在研發(fā)過程中，研發(fā)團(tuán)隊(duì)的靈感來源于生物酶的超分子結(jié)構(gòu)，其空間的專一選擇性和高效的催化性能來自于特定的識別位點(diǎn)和空間的限域效應(yīng)。

項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)前期在實(shí)驗(yàn)室以三苯胺衍生物作為面式配體，以稀土銪離子為頂點(diǎn)，構(gòu)筑了一種具有空穴結(jié)構(gòu)的稀土四面體籠超分子材料(即稀土超分子籠)，該稀土超分子材料具有較好的溶解性，可以用旋涂方法制備成薄膜。

隨后，技術(shù)人員結(jié)合稀土超分子籠的空間選擇性、滲透性和稀土離子的特殊光譜特征，研究開發(fā)出一類新型稀土超分子材料并將其制成薄膜用于檢測有機(jī)物小分子、重金屬離子及揮發(fā)胺。“我們制備的稀土超分子薄膜可以彌補(bǔ)熒光傳感不能有效對有機(jī)物小分子、重金屬離子及揮發(fā)胺進(jìn)行探測的問題。”李靜雅說。

為了進(jìn)一步檢測薄膜的一些化學(xué)特性，項(xiàng)目研發(fā)團(tuán)隊(duì)還就薄膜對各種不同濃度胺/NH3氣體的熒光響應(yīng)及檢測限進(jìn)行了深入研究。

技術(shù)人員將不同濃度的NH3、丙胺、二丙胺、三丙胺、芐胺、苯乙胺、苯胺等氣體送入裝有稀土超分子薄膜的測試裝置中，讓稀土超分子薄膜與胺/NH3氣體充分作用后，測定熒光強(qiáng)度隨胺/NH3濃度變化的曲線。隨后又對稀土超分子薄膜的熒光強(qiáng)度增加率與各種胺濃度的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)對胺類物質(zhì)的檢測限達(dá)到微克級。

所謂檢測限，是指某一分析方法在給定的可靠程度內(nèi)可以從樣品中檢測待測物質(zhì)的最小濃度或最小量，這個(gè)微克級的檢測限遠(yuǎn)低于大多數(shù)的胺類物質(zhì)熒光檢測器，可謂十分經(jīng)濟(jì)環(huán)保。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過實(shí)驗(yàn)得知，該稀土超分子材料薄膜對胺類物質(zhì)的響應(yīng)時(shí)間為亞秒級并對胺類物質(zhì)的測試具有可逆性，這一特征說明稀土超分子材料薄膜具有良好的光穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性，其在熒光傳感方面具有較強(qiáng)的應(yīng)用性。

“本項(xiàng)目將開發(fā)出一種新型的稀土超分子傳感材料，基于該材料所制得的薄膜可用于檢測廢水廢氣中的有機(jī)物小分子、重金屬離子及揮發(fā)胺，能及時(shí)預(yù)防污染物向環(huán)境中擴(kuò)散，該技術(shù)應(yīng)用操作簡單，結(jié)果可靠，對提升稀土產(chǎn)品的附加值意義重大。”李靜雅說。