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主要作者与机构
本研究的主要作者包括Jiaqi Ma、Weiwei He、Xiaoli Han和Daoben Hua,他们分别来自苏州大学放射医学与防护学院(School for Radiological and Interdisciplinary Sciences, RAD-X)以及化学、化工与材料科学学院(College of Chemistry, Chemical Engineering and Materials Science)。此外,Daoben Hua也是江苏省高等教育机构放射医学协同创新中心(Collaborative Innovation Center of Radiological Medicine of Jiangsu Higher Education Institutions)的成员。该研究发表于期刊《Talanta》,发表日期为2017年2月27日。
学术背景
本研究的主要科学领域是环境分析化学,特别是针对水溶液中微量铀酰离子(UO₂²⁺)的检测。铀是一种广泛应用于核能的重要元素,但其放射性和化学毒性对人类健康构成严重威胁,可能导致肾脏损伤、泌尿系统疾病和肺癌。美国环境保护署(EPA)规定饮用水中铀酰离子的最大允许浓度为1.30×10⁻⁷ mol/L。因此,开发一种简单、快速且高选择性的铀酰离子检测方法具有重要意义。传统检测方法如表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy)、电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)等虽然准确,但设备复杂且昂贵,难以实现实时和现场检测。化学传感器,尤其是荧光传感器,因其高灵敏度和空间分辨率,成为近年来研究的热点。
研究目标
本研究旨在开发一种基于荧光聚合物的新型传感器,利用偕胺肟(amidoxime)基团对铀酰离子的高选择性结合能力,实现对水溶液中微量铀酰离子的高灵敏度和高选择性检测。
研究流程
研究流程主要包括以下几个步骤:
1. 聚合物传感器的合成
首先,合成含有羰基的聚合物P1,然后与丙二腈(malononitrile)反应,引入氰基,生成中间体P2。最后,通过羟胺(hydroxylamine)反应将氰基转化为偕胺肟基团,得到目标聚合物P3。每一步的产物通过¹³C NMR、FT-IR和元素分析进行表征,确保合成成功。
荧光性能测试
测试P3在不同浓度下的荧光性能,确定其最大吸收波长(λabs=340 nm)和最大发射波长(λem=547 nm)。实验表明,P3在1.0×10⁻⁵ mol/L浓度下荧光强度最佳,且具有优异的稳定性,120天内荧光强度几乎无变化。
铀酰离子检测实验
通过荧光“关闭”响应(fluorescence “turn-off” response)检测铀酰离子。实验结果显示,P3对铀酰离子的检测范围为10–150 nM,响应时间为200秒,检测限为10 nM。Stern-Volmer方程分析表明,P3对铀酰离子的荧光猝灭效率极高,KSV值为1.58×10⁶ mol⁻¹。
选择性测试
测试P3对多种金属离子的选择性,结果表明P3对铀酰离子具有极高的选择性,其他金属离子(如Fe³⁺、Ni²⁺等)的干扰可以忽略。
环境样品应用
将P3应用于湖水、自来水和去离子水中铀酰离子的检测,结果与ICP-MS测定值一致,验证了P3在实际环境中的适用性。
主要结果
1. 聚合物P3的合成与表征
成功合成了含有偕胺肟基团的荧光聚合物P3,并通过¹³C NMR、FT-IR和元素分析验证了其结构。
荧光性能
P3在547 nm处具有显著的荧光发射,且在1.0×10⁻⁵ mol/L浓度下荧光强度最佳,表现出优异的稳定性。
铀酰离子检测
P3对铀酰离子的检测范围为10–150 nM,响应时间为200秒,检测限为10 nM,荧光猝灭效率极高。
选择性
P3对铀酰离子具有极高的选择性,其他金属离子的干扰可以忽略。
环境应用
P3成功应用于实际环境样品中铀酰离子的检测,结果与ICP-MS测定值一致。
结论
本研究开发了一种基于偕胺肟基团的荧光聚合物传感器P3,能够以高选择性和高灵敏度检测水溶液中的微量铀酰离子。P3具有线性响应范围宽(10–150 nM)、响应时间短(200秒)、检测限低(10 nM)等优点,且在实际环境样品中表现出良好的适用性。该研究为铀酰离子的现场和快速检测提供了一种新的策略,具有重要的科学和应用价值。
研究亮点
1. 创新性
首次将偕胺肟基团引入荧光聚合物中,用于铀酰离子的检测,实现了高选择性和高灵敏度的结合。
实用性
P3在实际环境样品中表现出良好的适用性,为铀酰离子的现场检测提供了可能。
高效性
P3对铀酰离子的检测具有线性响应范围宽、响应时间短、检测限低等优点。
稳定性
P3在120天内荧光强度几乎无变化,表现出优异的稳定性。
其他有价值的内容
本研究还探讨了P3对铀酰离子的荧光猝灭机制,认为其可能通过光诱导电子转移(photo-induced electron transfer)过程实现。这一发现为进一步优化荧光聚合物传感器的设计提供了理论依据。
以上是本研究的主要内容,为铀酰离子的检测提供了一种新的、高效的解决方案。