基于卟啉的光学传感功能膜的构筑及其用于重金属离子的富集与检测

In order to meet demand of heavy metal ions detection, a new type of membrane material for preconcentration and detection of heavy metal ions will be developed in this project. The optical sensing membrane is based on optial sensors of high sensitivity and selectivity, as well as porous membrane of high efficiency. Firstly a membrane matrix will be prepared by surface grafting polymer brushes PCMSt and PQAMSt from the polymer membrane. Then, porphyrin can be loaded through chemical bonding and electrostatic interaction with the polymer brushes. Thus, the functional membrane can be obtained with a porphyrin functional body and a membrane matrix. Specifically, the controllable constructing method of the composite structure porphyrin/membrane-matrix will be established. The relationship among the microcosmic (surface molecular structure), mesoscopic (formation environment for functional body) and macroscopic (performance of membrane) characteristics of the functional membrane will be investigated. Further study will focus on the preconcentration and detection mechanism for heavy metal ions.The membrane structure will be adjusted by changing the preparation condition of membrane matrix and the porphyrin load, in order to optimize the performance of membrane, such as detection sensitivity, selectivity, regeneration capacity and so on. These studies will provide scientific basis for the development and design of optical sensing membrane.. .The functional membrane with optical sensing characteristic provides a convenient and effective new way to detection heavy metal ions. It is also important for the enrichment and development of preparing method and structural control theory of functional membranes.

本项目针对当前水质重金属离子检测技术的需求，将光学传感器的高灵敏度和高选择性与膜色谱的高效率有机结合，构筑一种光学传感功能膜，以期实现对重金属离子的富集与检测。首先通过PVDF基膜表面接枝聚合物刷PCMSt和PQAMSt，进而通过化学键连接或静电作用，负载光学指示剂卟啉，获得以卟啉为功能体，以高分子聚合物为基膜材料的功能膜。具体开展卟啉/基膜的复合结构的可控构筑研究；考察功能膜的微观（表面分子结构）/介观（功能体形成环境）/宏观（膜性能）特征三者之间的关系和规律；研究功能膜对重金属离子的富集和检测机制，结合膜基质制备条件及光学指示剂负载量，对膜结构进行可控调节，优化检测灵敏度，选择性和再生等性能，为光学传感功能膜的开发与设计提供科学依据。.具有光学传感特性的功能膜为重金属离子的检测提供了方便、有效的新途径，对于丰富和发展功能膜制备和结构调控理论也具有重要意义。

本项目针对当前水质重金属离子检测技术的需求，将高灵敏度和高选择性的光学指示剂卟啉与膜材料相结合，探索构筑光学传感功能膜的有效途径。通过膜表面化学结构改性，光学指示剂卟啉的负载量的调控，检测条件的优化，实现了有毒重金属离子镉离子（Cd(II)）的检测与吸附。. 通过表面季铵化反应及表面ATRP接枝聚合等方法实现PSF基膜的修饰，为卟啉的负载提供大量功能性基团，大大提高了卟啉在PSF膜表面的负载量，这也为开发PSF膜在膜吸附等方面的应用奠定基础。通过等温吸附方程的拟合和吸附动力学的研究，探索季铵化聚砜膜对卟啉的吸附机理，为卟啉/聚合物膜的有效构筑提供理论依据。. 阴离子型卟啉TPPS在膜表面表现出特殊的酸碱性和聚集行为，考虑这种聚集行为会影响其配合重金属离子的能力，我们选择阳离子型卟啉TMPyP为光学指示剂，并将其负载于聚阴离子接枝修饰的聚砜膜（PSF-PNaSS）表面制备功能膜。详细研究了功能膜对重金属离子的吸附机理与检测性能。结果表明：功能膜可有效吸附Cd(II)离子，为重金属离子的吸附富集提供实验基础；功能膜与Cd(II)离子作用后发生显著的光谱变化，膜表面也发生有橙红色到绿色的变化，为重金属的检测提供裸眼识别的方法；负载卟啉的功能膜显示出比卟啉溶液更快的响应速度和更高的检测灵敏度，在合适的卟啉负载量及作用时间下，功能膜可实现痕量Cd(II)离子的检测；功能膜在EDTA和HCl处理下，可完成对Cd(II)离子的脱附，颜色也恢复至初始状态，这种吸附脱附过程可反复重复，这对功能膜的重复利用及重金属离子的浓缩处理具有重要意义；在动态条件下，Cd(II)离子可在膜表面富集并显色，吸附平衡与检测平衡速率基本一致，在重金属离子的实时在线检测中提供理论和实验依据。. 基于卟啉的功能膜为重金属离子的检测提供了方便、有效的新途径，有助于丰富和完善功能膜制备及结构调控手段，为新型膜材料的开发提供理论及实验基础。