一种超灵敏检测水中Cr(的制作方法

一种超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子敏感膜及其制备方法
技术领域
1.本发明属于薄膜敏感材料以及重金属检测技术领域，涉及一种超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子的敏感膜；本发明还涉及一种该敏感膜的制备方法。


背景技术：

2.近年来，环境污染问题日益突出，其中重金属污染引起了全球的广泛关注，实现对重金属的实时监测是环境综合治理的关键环节。环境污染方面所指的重金属主要是生物毒性显著的汞、铅、镉、铬以及类金属砷，其具有致癌性、生物不可降解性和不可逆性等特点。重金属污染主要通过采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素对环境以及人类健康造成了严重的威胁。其中铬作为重金属元素之一，人体中的铬通常是三价的，而六价铬离子具有严重的生物毒性。因此，亟待在水环境中原位、快速、灵敏和特异性检测重金属含量，及时修复污染的水体环境，降低重金属污染带来的一系列健康风险。
3.目前，传统检测重金属的方法有原子吸收光谱法（aas）、原子荧光光度法（afs）、电感耦合等离子体法（icp）、高效液相色谱法（hplc）、电化学法等。虽然可以较为准确的进行检测分析，但是检测成本高，操作复杂等各种因素使这些方法难以普及应用。荧光法因其高选择性、高灵敏度、操作简便和易于操作而显示出明显的优势。同时，荧光传感器具有成本低、体积小、易集成、可实时监测等优点，是目前应用和研究最为广泛的传感器。其中mof检测材料由于其脆性、溶解性差、塑膜困难以及与其他材料的低相容性，通常难以将mof颗粒加工成特定应用的装置，在实际应用中仍然存在巨大的挑战。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种实际检测限低、能够用于实际水样中六价铬离子简便、快速和特异性识别检测的超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子的敏感膜。
5.本发明的另一个目的在于提供一种上述敏感膜的制备方法。
6.为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子敏感膜，包括基底和负载在基底表面上的活性膜；该活性膜的组分包括金属有机树脂（mor
‑
2）和羧甲基纤维素钠（cmc
‑
na）；该基底为微孔滤膜（混合膜，孔径：0.22μm）；基底上负载0.030g～0.055 g的活性膜（cmc
‑
mor），mor
‑
2和cmc
‑
na的质量比为2～4.5︰1。
7.本发明所采用的另一个技术方案是：一种上述敏感膜的制备方法，按以下步骤进行：1）制备2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体：按70ml甲醇（meoh）中，加入1g的2
‑
氨基对苯二甲酸（5.5 mmol）、0.884 g吡啶
‑2‑
甲醛（8.25 mmol）和2.08～2.80g的nabh4的比例，分别取meoh、2
‑
氨基对苯二甲酸、吡啶
‑2‑
甲醛和nabh4，将meoh和2
‑
氨基对苯二甲酸加入圆底烧瓶中，超声，得均匀的悬浮液，再加入吡啶
‑2‑
甲醛，形成澄清的红棕色溶液；在冰水浴中缓慢加入nabh4，搅拌3～24h，直至浅棕色固体沉淀析出，经过抽滤、冰meoh洗涤后，置于烘箱中干燥，得2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨
基）
‑
对苯二甲酸配体；制得的2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体不需要进一步处理即可用于mor
‑
2的合成。产量：1 g；产率：66.7%。
8.2）合成mor
‑
2：按37.5～75 ml的dmf中加入0.5～1.0 g的2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体、0.3125～0.625g的zrcl4和2.5～5.0 ml 盐酸的比例，分别取dmf、2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体、zrcl4和盐酸，加入反应釜中，于烘箱内温度120℃反应20h，自然冷却至室温，过滤分离并用dmf洗涤，真空干燥，得到浅黄色粉末状的金属有机树脂（mor
‑
2）。
9.合成的mor
‑
2的扫描电子显微镜图，如图1所示。图中显示，mor
‑
2由海绵状的颗粒聚集而成。
10.3）制备絮状cmc
‑
na：称取0.5～0.8 g的 cmc
‑
na于250 ml烧杯中，加入120～200ml二次水（因为蒸馏水中钙、镁等金属离子的含量比二次水中多，可能会被cmc
‑
na吸附，二次水的使用尽可能地避免了其他外界因素对检测的干扰），室温下充分搅拌18～36 h，形成均匀透明的胶状液体，冷冻干燥，得到絮状cmc
‑
na；4）制备超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子敏感膜：按10ml的hcl溶液中加入0.010～0.050g絮状cmc
‑
na和0.020～0.050g的mor
‑
2的比例，分别取cmc
‑
na、mor
‑
2和ph值为1～3的hcl溶液，混合，室温下剧烈搅拌18～24h，得均匀分散的cmc
‑
mor胶体溶液，将该胶体溶液加入含有以微孔滤膜（混合膜，孔径：0.22μm）为基底的砂芯漏斗装置中，进行过滤，过滤过程中cmc
‑
mor胶体溶液沉积在该微孔滤膜上，共同构成了稳定的超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子敏感膜。沉积在聚四氟乙烯基底膜上的cmc
‑
mor薄膜为具有柔韧性的浅黄色活性薄膜。
11.敏感膜储存在二次水中用于后续的检测。
12.图2是cmc
‑
mor薄膜的扫描电子显微镜图，图中显示了mor
‑
2与cmc
‑
na之间相互缠结交联，说明制备的cmc
‑
mor薄膜比独立的mor
‑
2更加致密均匀。
13.本发明制备的cmc
‑
mor薄膜固体荧光的检测方法：将cmc
‑
mor薄膜裁剪成6 mm
×
6 mm的正方形的薄膜片，将其中一张薄膜片固定在载玻片上，用滤纸吸干水分。取50 ml二次水于烧杯中，放入固有薄膜片的载玻片，浸泡2～10min后取出，先用滤纸吸干薄膜片表面的水分，再在薄膜片上滴注10μl二次水，以保证该薄膜片的含水量一致，用石英片压紧载玻片上的薄膜片，在荧光分光光度计上检测该薄膜片的初始荧光强度；然后，取下石英片，将该固定有薄膜片的载玻片放入50 ml待测液中，再在该待测液中滴入1μl含有cr2o
72
‑
离子的溶液（浓度为100 ppm），混合均匀，得到浓度为2ppb的待测混合溶液，该固定有薄膜片的载玻片在混合溶液中浸泡2～10min后取出，先用滤纸吸干薄膜片表面的水分，再在薄膜片上滴注10μl二次水，以保证该薄膜片的含水量一致，再用另一石英片压紧薄膜片，在荧光分光光度计上检测薄膜片的荧光强度变化。
14.其他浓度为4ppb、6ppb、8ppb、10ppb、12ppb、14ppb、16ppb的待测液的检测方法同浓度2ppb的待测液的检测方法一致，最后得到图3所示相应的浓度
‑
荧光强度标准工作曲线图。
15.从图3中的标准曲线可以看出，随着待测液中cr2o
72
‑
离子浓度的增加，敏感膜的荧光强度逐渐降低。当cr2o
72
‑
离子浓度为2ppb时，含有cr2o
72
‑
离子敏感膜的荧光强度明显低于空白膜，即在使用荧光发射光谱检测cr2o
72
‑
时，本发明制备的敏感膜的实际检测限可低至2ppb。
16.本发明制备的cmc
‑
mor薄膜对六价铬离子的特异性识别，需要考虑其选择性和抗干扰性。
17.首先配制下列溶液：50 ml 浓度为100 ppb 的cro
42
‑
溶液；50 ml 浓度为100 ppb 的cr2o
72
‑
溶液；各50 ml 浓度均为1 ppm （当量：10倍）的其他金属离子溶液，该其他金属离子溶液包括nacl溶液、na2so4溶液、nabr溶液、naf溶液、nano2溶液、naso3溶液、na2s
·
9h2o溶液、nascn溶液、kcl溶液、cacl2溶液、zncl2溶液、hgcl2溶液、nicl2·
6h2o溶液、cdcl2·
2.5h2o溶液、fecl3溶液、mncl2·
4h2o溶液、cucl2·
2h2o溶液、pbcl2溶液、crcl3·
3h2o溶液以及mgcl2溶液。
18.然后，用上述固体荧光的检测方法测试二次水浸泡2～10 min后每张薄膜片的初始荧光强度，接着测试在不同金属离子存在下的荧光强度，最后测试cr(
ⅵ
)与其他金属离子共存的荧光强度。得到图4所示本发明敏感膜对阳离子的选择性及抗干扰性图和图5所示本发明敏感膜对阴离子的选择性及抗干扰性图（图4中的m

表示阳离子，图5中的m
‑
表示阴离子）。通过对比荧光强度变化，发现只有六价铬离子溶液使薄膜的荧光强度发生了明显的变化，说明本发明敏感膜对六价铬离子具有优异的选择性和抗干扰性。
19.本发明敏感膜在检测实际水样中的应用，具体实施步骤如下：将五种不同的地下水样（sk1、sk2、sk3、3#、5#）通过微孔滤膜（混合膜，孔径：0.22μm）过滤后，取50 ml水样检测其荧光强度的变化值，得到图6所示的响应图。由图6可知，本发明敏感膜在五种不同地下水样中的荧光强度与初始荧光强度有明显的变化，说明地下水样中含有的cr(
ⅵ
)离子使敏感膜的荧光强度降低，因此可初步确定地下水中含有cr(
ⅵ
)离子。
20.本发明敏感膜中的mor
‑
2具有大的表面积（400 m2/g）和高的孔隙率（4.2～6.2
ꢀå
），与羧甲基纤维素钠相互作用形成的cmc
‑
mor薄膜具有优异的吸附性能，在检测cr(
ⅵ
)离子时起到信号放大的作用。该cmc
‑
mor薄膜作为固体荧光传感平台容易集成，对cr(
ⅵ
)离子具有富集作用，并且具有良好的亲水性和稳定性。当cmc
‑
mor薄膜浸入含有六价铬离子的溶液中，可以检测到荧光强度的降低，该薄膜使用时的荧光激发波长为405 nm，发射波长为468 nm，响应时间为2min，其检测范围为2～16 ppb，实际最低检测为2.0 ppb。该敏感膜有望应用于实际水样的原位检测，从而改善获得安全饮用水的途径并减轻全球重金属的健康威胁，在环境健康的风险评价中具有十分重要的实用价值。
21.将本发明敏感膜裁剪成适当大小的薄膜片，固定于载玻片上，浸入待检测溶液2 min后，在激发波长为405 nm，薄膜片含水量保持一致的条件下，在固体荧光装置上分别检测有待检测金属离子敏感膜和无待检测金属离子敏感膜的荧光强度，若含有待检测金属离子的敏感膜发生荧光淬灭现象，说明待检测溶液中有cr(
ⅵ
)离子。
22.本发明制备方法具有如下优点：
1）用具有大表面积和高孔隙率的mor
‑
2与cmc
‑
na之间的配位作用和静电吸附作用，制备出新型cmc
‑
mor薄膜猝灭型荧光探针。
23.2）cmc
‑
mor薄膜吸附能力强，亲水性及水稳定性好，对水中的六价铬离子具有富集作用，检测时无需样品制备，能够提高检测效率。
24.3）制备cmc
‑
mor薄膜所用的材料成本低廉、不会对环境造成二次污染且易集成，可应用于实际地下水样的检测。
附图说明
25.图1是本发明制备方法制得mor
‑
2的扫描电子显微镜图。
26.图2是本发明制备方法制得cmc
‑
mor薄膜的扫描电子显微镜（sem）图。
27.图3是本发明制备方法制得敏感膜的线性滴定图。
28.图4是本发明制备方法制得敏感膜对阳离子的选择性及抗干扰性图。
29.图5是本发明制备方法制得敏感膜对阴离子的选择性及抗干扰性图。
30.图6是本发明制备方法制得敏感膜对实际地下水样的响应图。
具体实施方式
31.实施例1将1g 的2
‑
氨基对苯二甲酸（5.5 mmol）和70 ml 的meoh加入100 ml的圆底烧瓶中，超声后呈均匀的悬浮液，再加入0.884g吡啶
‑2‑
甲醛(8.25 mmol)，形成澄清的红棕色溶液；在冰水浴中缓慢加入2.08 g的nabh4(55 mmol)，搅拌3h，直至浅棕色固体沉淀析出，经过抽滤、冰meoh洗涤，置于烘箱中干燥；得2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体。在100ml反应釜中加入0.3125 g的zrcl4（1.35mmol）、0.5g的2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体（1.87 mmol）、37.5 ml的二甲基甲酰胺（dmf）和2.5 ml 的hcl(4m)，于烘箱内温度120℃反应20h，自然冷却至室温，过滤分离并用dmf洗涤，真空干燥，得到浅黄色粉末状的金属有机树脂（mor
‑
2）。称取0.8g 的cmc
‑
na于250 ml烧杯中，向其中加入200 ml二次水，室温充分搅拌24h，形成均匀透明的胶状液体，随后进行冷冻干燥，得到絮状cmc
‑
na。称取0.010g絮状cmc
‑
na和0.050g的mor
‑
2于10ml ph=2的hcl溶液中，室温搅拌24h，得到均匀分散的cmc
‑
mor胶体溶液，将该胶体溶液加入含有以微孔滤膜（混合膜，孔径：0.22μm）为基底的砂芯漏斗装置中，进行过滤，过滤过程中cmc
‑
mor胶体溶液沉积在该微孔滤膜上，共同构成了稳定的超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子敏感膜。沉积在聚四氟乙烯基底膜上的cmc
‑
mor薄膜为具有柔韧性的浅黄色活性薄膜。
32.实施例2将1g的2
‑
氨基对苯二甲酸（5.5 mmol）和70ml甲醇加入圆底烧瓶中，超声，得均匀的悬浮液，再加入0.884 g吡啶
‑2‑
甲醛（8.25 mmol），形成澄清的红棕色溶液；在冰水浴中缓慢加入2.80g的nabh4，搅拌24h，直至浅棕色固体沉淀析出，经过抽滤、冰meoh洗涤后，置于烘箱中干燥，得2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体。将75 ml的dmf中加入1.0 g的2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体、0.625g的zrcl4和5.0 ml 盐酸加入反应釜中，于烘箱内温度120℃反应20h，自然冷却至室温，过滤分离并用dmf洗涤，真空干燥，得到浅黄色粉末状的金属有机树脂（mor
‑
2）。称取0.5 g的 cmc
‑
na于250 ml烧杯中，加入120ml
二次水，室温下充分搅拌18h，形成均匀透明的胶状液体，冷冻干燥，得到絮状cmc
‑
na。将0.050g絮状cmc
‑
na和0.020g的mor
‑
2 加入10ml ph=1的hcl溶液中，室温下剧烈搅拌18h，得均匀分散的cmc
‑
mor胶体溶液，将该胶体溶液加入含有以微孔滤膜（混合膜，孔径：0.22μm）为基底的砂芯漏斗装置中，进行过滤，过滤过程中cmc
‑
mor胶体溶液沉积在该微孔滤膜上，共同构成了稳定的超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子敏感膜。沉积在聚四氟乙烯基底膜上的cmc
‑
mor薄膜为具有柔韧性的浅黄色活性薄膜。
33.实施例3将1g的2
‑
氨基对苯二甲酸（5.5 mmol）和70ml甲醇（meoh）加入圆底烧瓶中，超声，得均匀的悬浮液，再加入0.884 g吡啶
‑2‑
甲醛（8.25 mmol），形成澄清的红棕色溶液；在冰水浴中缓慢加入2.44g的nabh4，搅拌13h，直至浅棕色固体沉淀析出，经过抽滤、冰meoh洗涤后，置于烘箱中干燥，得2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体。将56.3 ml的dmf、0.75 g的2
‑
（（吡啶
‑2‑
基甲基）氨基）
‑
对苯二甲酸配体、0.46875g的zrcl4和3.85 ml 盐酸加入反应釜中，于烘箱内温度120℃反应20h，自然冷却至室温，过滤分离并用dmf洗涤，真空干燥，得到浅黄色粉末状的金属有机树脂（mor
‑
2）。称取0.65g的 cmc
‑
na于250 ml烧杯中，加入160ml二次水，室温下充分搅拌36 h，形成均匀透明的胶状液体，冷冻干燥，得到絮状cmc
‑
na。将0.030g絮状cmc
‑
na和0.035g的mor
‑
2加入10ml ph=3的hcl溶液中，室温下剧烈搅拌21h，得均匀分散的cmc
‑
mor胶体溶液，将该胶体溶液加入含有以微孔滤膜（混合膜，孔径：0.22μm）为基底的砂芯漏斗装置中，进行过滤，过滤过程中cmc
‑
mor胶体溶液沉积在该微孔滤膜上，共同构成了稳定的超灵敏检测水中cr(
ⅵ
)离子敏感膜。沉积在聚四氟乙烯基底膜上的cmc
‑
mor薄膜为具有柔韧性的浅黄色活性薄膜。
34.应用例1将实施例1制备的cmc
‑
mor薄膜裁剪成6 mm
×
6 mm正方形薄膜片固定于载玻片上，并用滤纸吸干薄膜上的水分，再滴入10 μl的二次水以此保证薄膜的含水量一致，然后将含有薄膜的载玻片浸入50 ml含有2~16 ppb六价铬离子的待测溶液中，待2min后在荧光分光光度计上检测其荧光强度的变化，即可得到相应的浓度~荧光强度标准工作曲线。
35.应用例2将实施例2制备的cmc
‑
mor薄膜裁剪成6 mm
×
6 mm正方形薄膜固定于载玻片上，并用滤纸吸干薄膜上的水分，再滴入10 μl的二次水以此保证薄膜的含水量一致，然后将含有薄膜的载玻片浸入50 ml含有待测溶液中，先测试每张6 mm
×
6 mm正方形薄膜的初始荧光强度，再测试在不同金属离子存在下的荧光强度，最后测试cr(
ⅵ
)与其他金属离子共存的荧光强度。
36.应用例3将实施例3制备的cmc
‑
mor薄膜裁剪成6 mm
×
6 mm正方形薄膜固定于载玻片上，并用滤纸吸干薄膜上的水分，再滴入10 μl的二次水以此保证薄膜的含水量一致，先测量薄膜的初始荧光强度，然后将含有薄膜的载玻片分别浸入已通过滤纸过滤的50 ml五种场地地下水中（sk1、sk2、sk3、3#、5#），检测其荧光强度的变化值，可初步确定地下水中含有cr(
ⅵ
)离子。