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基于天然纤维素物质的化学传感器的制备及性质研究

张学海  
【摘要】:光学传感器由于具有可实时实地检测而不需要复杂光学仪器而备受关注。其中,比色传感器可以通过肉眼直接观察实现对目标物质的检测,使用更加方便,具有非常大的发展空间。纤维素物质是世界上最丰富的天然有机材料,在天然纤维素物质(如纸张、棉花、布料等)中,纤维素链通过氢键结合成具有巨大比表面积的复杂层次结构。因此,使用天然纤维素物质作为基体制备化学传感器是一个非常好的选择。 本文以天然纤维素纤维物质为基体,采用表面溶胶-凝胶法和自组装方法相结合制备了重金属离子富集纤维材料和比色化学传感器,并将其用于重金属离子的富集和传感,以及阴离子(如F-、N02-)的传感。主要研究内容和结论如下: 1.重金属离子富集纳米纤维材料的制备及性质研究。我们以天然纤维素纤维物质(普通定量滤纸)为基体,以四甲氧基硅烷(TMOS)溶液为前体物,采用表面溶胶-凝胶法在滤纸纤维表面沉积Si02薄膜。随后自组装对铜或汞敏感的硅氧烷配体分子,从而制备得到重金属离子富集材料。该纤维素材料对汞离子和铜离子具有良好的吸附效果,通过简单的过滤过程便可实现对重金属离子的有效富集。而且通过煅烧可以实现重金属离子的回收,并得到二氧化硅和金属氧化物的复合纳米管材料。 2.基于天然纤维素物质的汞离子化学传感器的制备及性质研究。我们以普通定量滤纸为基体,设计制备了一种可以重复使用的用于水溶液中汞离子检测的比色化学传感器。首先,采用表面溶胶-凝胶法在滤纸纤维表面沉积纳米层次的Ti02薄膜,随后自组装钌染料(N719)分子单层,从而制备得到传感器材料。我们分别从灵敏度、选择性和重复利用性质等方面对其进行了研究。把该材料浸润在不同浓度的汞离子水溶液中,一定时间后产生明显的颜色变化,类似常用的pH试纸的效果,而且即使浓度低至10 ppb时仍然保持很好的比色传感现象。该材料具有非常好的选择性,将该其浸润在不同金属离子的水溶液中,除汞离子外均不会产生颜色改变,而且其他金属离子的存在不会干扰Hg2+传感,当其他金属离子的浓度是Hg2+的100倍时仍可以将Hg2+从混合水溶液中检测出来。对该材料的重复利用性 3.基于天然纤维素物质的氟离子化学传感器的制备及性质研究。同样,我们以普通定量滤纸为基体,采用表面溶胶-凝胶法在滤纸纤维表面沉积纳米层次的TiO2薄膜,随后自组装茜素络合剂(AC)分子单层,从而制备得到氟离子传感器材料。该材料具有良好的灵敏度,当氟离子浓度降至500 nM时仍可观察到明显的颜色改变,而且其对除氟离子外的其他阴离子没有传感效果。 4.基于天然纤维素物质的亚硝酸根离子化学传感器的制备及性质研究。我们以Griess反应为基础,以普通定量滤纸为基体,采用表面溶胶-凝胶法在滤纸纤维表面沉积纳米层次的TiO2薄膜,随后自组装萘胺分子单层,然后将其浸润在NO2-和对氨基苯磺酸的混合溶液中,实现对亚硝酸根离子的传感。该方法可以检测浓度低至2μM的NO2-,而且其他阴离子的存在不会影响对NO2-的传感。


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