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有害重金屬是廣泛存在的環(huán)境污染物，給公眾健康和生態(tài)系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害。作為危害最大的重金屬之一，汞被大量排放到環(huán)境中，主要來源于采礦、冶煉、廢物處理、燃料燃燒、電子工業(yè)等。水環(huán)境中的汞離子造成水體、土壤污染，而且易被微生物轉(zhuǎn)化為甲基汞。甲基汞是一種強(qiáng)效神經(jīng)毒素，通過食物鏈富集于人體，導(dǎo)致疾病，如引起神經(jīng)系統(tǒng)損害、肺部疾病、腎臟疾病等。因此，水體系中汞離子的監(jiān)測和富集去除一直受到高度關(guān)注。設(shè)計(jì)開發(fā)兼具高靈敏度汞離子檢測和有效富集的功能材料為解決汞離子污染提供思路。

近日，張淑芬教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)簡單，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)水環(huán)境中汞離子可視化檢測和高效吸附的介孔光子晶體智能膜材料。所制備的彩色光子晶體薄膜能夠高效捕獲水環(huán)境中的汞離子，實(shí)現(xiàn)汞離子的富集和水環(huán)境污染的修復(fù)。同時(shí)，汞離子的吸附觸發(fā)光子晶體體積收縮、晶格間距減小，從而引起薄膜顏色的改變，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水環(huán)境中汞離子的可視化定量檢測。相關(guān)研究成果以“Functional?Mesoporous?Photonic Crystal Film for Ultrasensitive Visual Detection and Effective Removal of Mercury (II) Ions in Water”為題，發(fā)表在最新一期的Advanced?Functional?Materials雜志上，論文第一作者為博士研究生寇東輝，通訊作者為該團(tuán)隊(duì)的馬威教授。

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圖1?光子晶體薄膜可逆吸附、檢測汞離子示意圖

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圖2 光子晶體薄膜對(duì)汞離子檢測性能測試

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智能光子晶體由含硫脲官能基的聚合物納米粒子P(AM-ATU)和高折光指數(shù)的納米氧化鈦交替堆疊而成，其結(jié)構(gòu)中含有豐富的汞離子識(shí)別位點(diǎn)，通過配位鍵合，選擇性捕獲水環(huán)境中的汞離子?；诩{米粒子形成的結(jié)構(gòu)孔隙，使被檢測物快速滲透、擴(kuò)散、吸附到作用位點(diǎn)，加速傳感。研制的光子晶體對(duì)汞離子的響應(yīng)靈敏度高，檢測限可達(dá)1?nM，且對(duì)汞離子具有特異性識(shí)別能力。設(shè)計(jì)了時(shí)間分辨檢測方法，實(shí)現(xiàn)1?nM -?800 μM的寬范圍檢測，且可逆性和重現(xiàn)性優(yōu)異。研究中所選取的不同水源對(duì)汞離子測試幾乎無干擾。循環(huán)吸附測試顯示，光子晶體薄膜具有良好的循環(huán)再生性能。當(dāng)水環(huán)境中汞離子初始濃度低于20 μM時(shí)，汞離子吸附平衡后去除率超過90.0%。該光子晶體膜對(duì)汞離子的最大平衡吸附量可達(dá)739.6 mg·g^-1。研究采用耗散型石英晶體微天平實(shí)時(shí)監(jiān)測了薄膜在汞離子吸附過程中的質(zhì)量和粘彈性變化，揭示了基于納米聚合物的兩階段汞離子吸附過程原理。該工作得到了國家自然科學(xué)基金、興遼人才計(jì)劃、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)的大力支持。