基于光纤表面高灵敏渐逝场变化行为的重金属离子检测研究

作     者：王清 

作者单位：西南石油大学 

学位级别：硕士

导师姓名：熊艳

授予年度：2019年

学科分类：082803[工学-农业生物环境与能源工程] 081704[工学-应用化学] 07[理学] 08[工学] 0828[工学-农业工程] 0817[工学-化学工程与技术] 0804[工学-仪器科学与技术] 070302[理学-分析化学] 0703[理学-化学] 

主      题：光纤传感器 渐逝场吸收 渐逝场荧光 重金属离子 

摘      要：随着人口的快速增长和工业化进程的加快,自然界水环境不断受到污染,其中重金属离子对水体的污染现象愈发严重。有毒有害的重金属离子通过水源进入人体,导致其在人体中的含量严重超标,对人体健康造成了巨大危害。因此,开发灵敏度高、选择性好及检测速度快的分析检测方法,用于检测水体环境中重金属离子的含量,具有重要的研究价值和社会意义。光纤渐逝场是由于光束在纤芯进行全内反射传播时,在光纤表面形成的一种电磁场。渐逝场强度沿着轴向呈现指数衰减,穿透深度约为100 nm,可以用于灵敏地探测界面处的界面现象和界面行为。本论文以光纤表面的渐逝场为工作基础,通过微型化、模块化的传感器结构设计,构建了渐逝场型光纤化学传感器,用于水体环境中重金属离子的选择、快速、灵敏检测。研究分别基于渐逝场吸收和渐逝场激发荧光两个基本传感原理构建了四个分析检测系统,通过传感检测平台的模块化设计和搭建,并将其与选择性显色试剂或高灵敏荧光探针进行结合,分别探讨了不同重金属离子光纤渐逝场传感器的传感特性。本文的主要研究工作包括以下几个方面:(1)构建了基于渐逝场光学吸收的高灵敏Pb2+光纤渐逝场传感器。实验选取蓝色LED(λ=480nm)为光源,以双硫腙(DTZ)为Pb2+特异显色剂,利用光纤表面渐逝场与DTZ-Pb2+显色产物的光学吸收作用,通过检测渐逝场强度的变化获得Pb2+浓度。实验结果表明,Pb2+浓度在0.05-3.0 mg L-1范围内与渐逝场强度的变化值呈良好线性关系。该方法对Pb2+的检出限为17μg L-1,响应时间为0.27 min,显色试剂消耗280μL。(2)构建了固相萃取预富集型渐逝场吸收的高灵敏Cu2+光纤渐逝场传感器。实验制备了 Fe3O4@PDA@KH550 固相萃取柱,在pH=8条件下固相萃取柱对Cu2+的选择性吸附;通过选取绿色LED(λ=505nm)为光源,以1,5-二苯甲基卡巴肼(DPC)为Cu2+特异显色剂和洗脱剂,在pH=10的条件下洗脱和显色Cu2+,利用光纤表面渐逝场与DPC-Cu2+显色产物的光学吸收作用,通过检测渐逝场强度的变化获得Cu2+浓度。实验结果表明,Cu2+浓度在0.01-6 mg L-1范围内与渐逝场强度变化呈良好线性关系。该方法对Cu2+的检出限为3.24 μg L-1,响应时间2.07 min,显色试剂消耗280μL。(3)构建了基于量子点荧光猝灭的高灵敏Cu2+光纤渐逝场传感器。实验通过柠檬酸的热解和聚乙烯亚胺(PEI1800)的引入,制备了氨基修饰碳量子点;选取紫色LED(λ=365 nm)为光源,利用光纤表面渐逝场对制备的量子点进行荧光激发;基于Cu2+对产生的荧光发射(λ=438nm)具有高效猝灭作用,通过检测荧光强度的变化获得Cu2+的浓度。实验结果表明,Cu2+浓度在0.01-8 mg L-1范围内与荧光强度的变化呈良好线性关系。该方法对Cu2+的检出限为3.33 μg L-1,响应时间0.8 min,试样用量20μL。(4)构建了基于含N量子点荧光猝灭的高灵敏Hg2+光纤渐逝场传感器。实验以柠檬酸作为碳源,氨水为掺N试剂,通过简单易行的水热法合成掺N碳量子点;选取紫色LED(λ=365 nm)为光源,利用光纤表面渐逝场对制备的量子点进行荧光激发;基于Hg2+对所产生的荧光发射(λ=440 nm)具有高选择性猝灭作用,通过检测荧光强度的变化获得Hg2+的浓度。实验结果表明,Hg2+浓度在0.08-1.2mg L-1范围内与荧光强度的变化呈良好线性关系。该方法对Hg2+的检出限为26.67μg L-1,响应时间0.26min,试样用量 20 μL。