光子晶体印迹聚合物对有害重金属的识别与比色分析研究

It is a completely challenge to develop a universal, label free and fast method for recognition and colorimetric assay of hazardous heavy metal ions, since these pollutants are of increasing concern all over the world. Based on our recent researches in imprinting photonic polymers, we target to construct a three-dimension ordered, hierarchical porous polymer films for hazardous heavy metal ions specific recognition by means of photonic crystals and molecular imprinting technology. In order to resolve the current low sensitivity and weak anti-interference of ionic imprinting polymers, the proposal intends to take use of ionic imprinting approach and synthesize polymers containing specific chelate groups to form ionic imprinting conformations complementary to valence state, configuration and size of target heavy metal ions inside polymeric matrix, and then clarify the affinitive adsorption and specific recognition of the ionic imprinting conformations to target heavy metal ions. Furthermore, the proposal adopts the three-dimension ordered porous photonic crystal structures to transduce the chemical response of polymers to target heavy metal ions into readable color change signals, like pH paper responding to hydrogen ion, to achieve sensitive, easy, reliable and quick assay of hazardous heavy metal ions, thereafter to contribute a new approach for heavy metals pollution control.

重金属污染已引起全球广泛关注，探索通用的无标记快速有害重金属离子识别与比色分析方法是一项极富挑战性的课题。本项目在已有的研究基础上，采用化学方法制备光子晶体，并结合利用分子印迹技术，构建具有三维有序分级多孔的、对有害重金属离子有特异性识别能力的离子印迹聚合物薄膜传感材料。探索设计合成含有特异性螯合基团配体的高分子材料，采用离子印迹手段，在聚合物基体中形成与目标重金属离子价态、构型和尺寸匹配的印迹构像，研究这种印迹构像对重金属离子亲和性吸附和特异性识别的机理，解决目前重金属离子印迹聚合物对目标离子响应灵敏度低，抗干扰能力差的问题。同时利用三维有序多孔的光子晶体结构，将其对目标重金属离子的化学响应转变成可读的颜色变化信号，类似于pH试纸对氢离子的响应，实现对有害重金属离子灵敏、简便、可靠和快速的分析，进而为重金属污染控制提供一种新的技术手段。

以各种化学态或化学形态存在的重金属在进入环境或生态系统后，由于其在大气、水以及土壤中不能被分解，就会存留、积累和迁移，引起严重的环境污染，对动植物以及人类有极大的伤害。因此，随着科技不断发展以及对重金属污染损害认识不断加深，金属污染已引起全球广泛关注，探索通用的快速标记有害重金属离子识别与比色分析方法是一项极富挑战性的课题。本项目在已有的研究基础上，采用化学方法制备光子晶体，并结合利用分子印迹、离子印迹技术，构建具有三维有序分级多孔的、对有害重金属离子有特异性识别能力的印迹聚合物薄膜传感材料。探索设计合成含有特异性螯合基团配体的高分子材料，采用离子印迹手段，在聚合物集体中形成与目标重金属离子价态、构型以及尺寸匹配的印迹构象，研究这种印迹构象对重金属离子亲和性吸附和特异性识别的机理，解决目前重金属离子印迹聚合物对目标离子相应灵敏度低，抗干扰能力差的问题。同时利用三维有序多孔的光子晶体结构，将其对目标重金属离子的化学响应转变为可读的颜色变化信号，类似于pH试纸对氢离子的响应，实现对有害重金属离子灵敏、便捷、可靠和快速的分析，进而为重金属污染控制提供一种新的技术手段。通过不断的深入研究与实验探索，在该项目中，成功制备了具有光子晶体结构的聚丙烯酰胺与聚五乙烯六胺组成的互穿网络结构共聚物，利用胺基与多种重金属离子都具有较高的络合常数，预先在光子晶体聚合物内部构筑重金属离子印迹构象。经过实验对比，该离子印迹的光子晶体聚合物不仅对不同种类以及浓度的重金属离子有特异性的自指示比色响应，检测限为10.0mg/L，还同时对铅离子、铜离子、锌离子、二价钴离子、铬离子以及镍离子等具有吸附处理作用，饱和吸附量可以达到65mg/g，即该离子印迹的光子晶体聚合物是一种对有害重金属离子既具有特异性检测作用同时又具有广谱吸附处理作用的水处理剂，这将极大的提高检测以及处理有害重金属水污染的效率。