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荧光“Turn-on”型铀酰离子传感-吸附材料的构建及应用认领

作者：

王申能

学位授予单位：

广州大学

摘要：

铀作为核能工业的核心战略资源,其高效回收对推动低碳能源转型至关重要。同时,铀兼具化学毒性与放射性危害,可以通过生物富集与食物链迁移对生态系统及公共健康构成持续性威胁。因此,发展水体中铀酰离子(UO22+)的高灵敏检测与高效富集技术是协调环境安全与能源供给的关键。共价有机聚合物（COPs）是一类通过动态共价键或非共价作用构建的多孔材料,具有高比表面积、可调孔径及化学稳定性。羟基磷灰石（Hydroxyapatite,HAP）晶体结构由PO43-四面体与Ca2+通过六方晶系有序排列构成,具有高机械强度、热稳定性、优异的离子交换能力和表面反应活性,在生物矿化领域展现出不可替代的作用。本研究围绕荧光“Turn-on”型铀酰离子(UO22+)检测材料的设计与应用,基于配位微环境调控策略,通过在COPs以及HAP多孔骨架中定向锚定选择性功能基团,构建出铀酰离子特异性识别-捕获双功能平台,为铀的现场快速检测、铀资源可持续利用与放射性污染治理的多重需求提供创新性解决方案。本文主要研究内容聚焦于以下方向: 1.利用具有AIE特性的四苯基乙烯四醛作为荧光团及COPs构筑基元,在常温下合成了对铀酰离子(UO22+)具有荧光增强响应的有机多孔聚合物（TPE-COPs）。根据FT-IR、荧光寿命和DFT计算等实验证明,TPE-COPs与铀酰离子的配位能够切断荧光团的光诱导电子转移机制（PET）,从而实现TPE-COPs荧光“Turn-On”。TPE-COPs对UO22+具有优异的选择性,可以在pH（3-5）范围内抵抗各种竞争离子的干扰。同时,“Turn-On”检测使得材料荧光寿命增加,可以增强检测灵敏度,降低背景干扰。在水体中UO22+的检测限为30.6 nM（约7.283μg/L）,成功应用于珠江水和镭渣矿水样中铀酰离子的检测。 2.由于受到线性对称构型与强自旋轨道耦合效应的影响,铀酰激发态电子发生系间窜跃,因此铀酰本征荧光强度很弱且易受配位环境的影响,不能满足复杂水体中铀的检测。为了激活铀酰本征荧光,提高荧光响应速度及吸附容量,针对铀酰分子轨道能级跃迁特性,本研究构建了一种羟基磷灰石基材料（HAP）功能材料,通过调控铀酰离子(UO22+)的配位环境,限制分子振动或阻断非辐射路径来激活铀酰本征荧光,提升检测灵敏度和吸附效率。区别于传统荧光增强或猝灭机制,该HAP材料本身无荧光特性,但其刚性纳米孔道结构与丰富的表面基团(-OH、PO43-)可于30秒内对UO22+实现快速配位,形成具有刚性平面结构的异金属络合物Ca（UO2）2（PO4）2·10H2O。该材料不但对UO22+具有690 mg/g超高吸附容量,而且实现了UO22+本征荧光的特异性放大,定量限为5 nM,为复杂水体中铀的实时快速检测提供了新思路。 3.由于UO22+是单色发光,在可视化检测中容易受到背景干扰;而稀土离子存在优异的窄带发射,长荧光寿命（可以消除或者减弱背景荧光干扰）,大Stokes位移（消除激发光源的干扰）等优势。为了提升可视化检测效果,本研究利用Eu3+与Ca2+的半径匹配特性,通过Eu3+掺杂策略使羟基磷灰石中部分Ca2+的晶格被Eu3+取代,构建出磷酸根桥连的共平面异核钙-铕络合物。通过阳离子间相互作用,铕掺杂羟基磷灰石实现了UO22+本征荧光和Eu3+红光的同步增强,对UO22+具有超快的荧光响应（30s）能力和定量限（25 nM）,并拥有优异的抗干扰能力、较宽的定量分析范围和高吸附容量（685 mg/g）。超灵敏检测与高效高吸附容量的双重特性使得铕掺杂羟基磷灰石材料不仅能实现实际水样中痕量UO22+的快速原位检测,同时也为铀资源的高效富集回收提供了新的研究方向。本研究对于环境中铀的可视化检测以及铀资源的可持续发展具有重要的意义,并为进一步构筑性能优异的吸附传感系统提供了一种新思路。

摘要译文

关键词：

铀; Turn-On型检测; 羟基磷灰石; 铕掺杂羟基磷灰石; 吸附

学位年度：

2025

学位类型：

硕士

学科专业：

环境工程

导师：

孙慧

中图分类号：

X771[原子能工业⑨]

学科分类号：

083002[环境工程]

D O I：

10.27040/d.cnki.ggzdu.2025.000055