张淑芬、马威：“智能光子晶体膜”用于水中汞离子的高灵敏度可视化检测和有效去除

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有害重金属是广泛存在的环境污染物，给公众健康和生态系统带来严重危害。作为危害最大的重金属之一，汞被大量排放到环境中，主要来源于采矿、冶炼、废物处理、燃料燃烧、电子工业等。水环境中的汞离子造成水体、土壤污染，而且易被微生物转化为甲基汞。甲基汞是一种强效神经毒素，通过食物链富集于人体，导致疾病，如引起神经系统损害、肺部疾病、肾脏疾病等。因此，水体系中汞离子的监测和富集去除一直受到高度关注。设计开发兼具高灵敏度汞离子检测和有效富集的功能材料为解决汞离子污染提供思路。
       近日，张淑芬教授团队开发了一种结构简单，可同时实现水环境中汞离子可视化检测和高效吸附的介孔光子晶体智能膜材料。所制备的彩色光子晶体薄膜能够高效捕获水环境中的汞离子，实现汞离子的富集和水环境污染的修复。同时，汞离子的吸附触发光子晶体体积收缩、晶格间距减小，从而引起薄膜颜色的改变，实现了对水环境中汞离子的可视化定量检测。相关研究成果以“Functional Mesoporous Photonic Crystal Film for Ultrasensitive Visual Detection and Effective Removal of Mercury (II) Ions in Water”为题，发表在最新一期的Advanced Functional Materials杂志上，论文第一作者为博士研究生寇东辉，通讯作者为该团队的马威教授。

图1 光子晶体薄膜可逆吸附、检测汞离子示意图

图2 光子晶体薄膜对汞离子检测性能测试

       智能光子晶体由含硫脲官能基的聚合物纳米粒子P(AM-ATU)和高折光指数的纳米氧化钛交替堆叠而成，其结构中含有丰富的汞离子识别位点，通过配位键合，选择性捕获水环境中的汞离子。基于纳米粒子形成的结构孔隙，使被检测物快速渗透、扩散、吸附到作用位点，加速传感。研制的光子晶体对汞离子的响应灵敏度高，检测限可达1 nM，且对汞离子具有特异性识别能力。设计了时间分辨检测方法，实现1 nM - 800 μM的宽范围检测，且可逆性和重现性优异。研究中所选取的不同水源对汞离子测试几乎无干扰。循环吸附测试显示，光子晶体薄膜具有良好的循环再生性能。当水环境中汞离子初始浓度低于20 μM时，汞离子吸附平衡后去除率超过90.0%。该光子晶体膜对汞离子的最大平衡吸附量可达739.6 mg·g-1。研究采用耗散型石英晶体微天平实时监测了薄膜在汞离子吸附过程中的质量和粘弹性变化，揭示了基于纳米聚合物的两阶段汞离子吸附过程原理。该工作得到了国家自然科学基金、兴辽人才计划、中央高校基本科研业务费的大力支持。


       文章来源：大连理工大学
       张淑芬，长江学者特聘教授，国家杰出青年科学基金获得者。长期从事精细化工方面教学科研工作，主要学术方向为：染料化学与光化学、生物质资源开发的基础研究、精细化工合成新技术、光子晶体光物理生色材料。研究工作得到包括国家杰出青年科学基金、国家自然科学基金重点项目等9项国家自然科学基金的资助、国家“863”项目、国家科技支撑计划资助以及多项省部级资助，获得了国家和省部级科技成果奖5项，何梁何利科学与技术创新奖。
       马威，汉族，大连理工大学研究生院副教授。研究方向：1、高光稳定性功能分子的设计合成与应用：2、功能染料的设计合成及清洁染整工艺的研究：3、抗菌抗紫外功能大分子的设计合成。