CN109142307B - 一种具有Fe(Ⅲ)识别能力的镱基金属有机骨架材料及其制备和荧光检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有Fe(Ⅲ)识别能力的镱基金属有机骨架材料及其制备和荧光检测方法,将4‑羟基3‑硝基苯甲酸和2,2‑联吡啶加入水中,加入镱基金属盐,搅拌;在设定温度、设定反应时间下反应,制备得镱基金属有机骨架材料,该材料在320~350℃发生相变。将制备得到的镱基金属有机骨架材料滴加Fe(Ⅲ)的乙醇溶液到荧光强度不发生改变为止,得到Fe(Ⅲ)对镱基金属有机骨架材料的荧光淬灭率,同时,将荧光测试数据进行处理和拟合计算得到Fe(Ⅲ)的工作曲线、淬灭常数。本发明操作简单,成本低廉,并且能够实地及时得到反馈。相对其他化学试剂检测方法,本发明具有检测灵敏度高,检测限低等优点,能够适应各种环境的实时检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种具有Fe(Ⅲ)识别能力的镱基金属有机骨架材料及其制备和荧光检测方法,属于化学传感技术领域。
背景技术
金属的腐蚀已经逐渐成为人们社会经济发展不可忽视的一个问题,据统计每年由于金属腐蚀所造成的钢铁的损耗量达到当年刚总产量的10~20%,此外由于金属腐蚀引起的安全事故更是不计其数。在所有金属中,用量最大的金属──铁制品的腐蚀最为常见。铁制品的的腐蚀分为化学腐蚀和电化学腐蚀。根据研究表明,在两种腐蚀中,Fe(Ⅲ)的存在会大大加快腐蚀的进行。因此,对于Fe(Ⅲ)的检测势在必行。目前检测铁离子的方法主要有:电感耦合等离子发射光谱法、火焰原子吸收光谱法和毛细管电泳法等,这些方法虽然灵敏度准确性高,但是仪器价格昂贵。因此设计出一种高效、简单、价格低廉的铁离子荧光传感平台已经成为研究热点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷,提供一种具有Fe(Ⅲ) 识别能力的镱基金属有机骨架材料(Yb-MOF)及其制备和荧光检测方法,可以高效、简单地检测出Fe(Ⅲ)。
为解决上述技术问题,本发明提供一种具有Fe(Ⅲ)识别能力的镱基金属有机骨架材料的制备方法,包括以下步骤:
将4-羟基3-硝基苯甲酸和2,2-联吡啶加入水中,加入六水硝酸镱,搅拌;在设定温度、设定反应时间下反应,制备得到红色颗粒状晶体。
进一步地,所述设定温度为100~150℃。
进一步地,所述反应时间为20~80h。
同时,本发明提供了一种具有Fe(Ⅲ)识别能力的镱基金属有机骨架材料,在320~350℃发生相变。
本发明还提供了一种具有Fe(Ⅲ)识别能力的镱基金属有机骨架材料的荧光检测方法,其特征是,包括如下步骤:
(1)将制备得到的镱基金属有机骨架材料研磨5分钟,称取12份质量均为2mg的镱基金属有机骨架材料置于瓶中,分别加入2mL乙醇溶液,然后将瓶中的溶液放入超声仪中超声半小时,制备得到分散均一的溶液;
(2)超声完取出其中一个瓶子分散液立刻置于荧光仪中测试,逐渐滴加新制备的1mmol/L的Fe(Ⅲ)的乙醇溶液,滴加到荧光强度不发生改变为止,记录不同浓度的Fe(Ⅲ)对应的荧光强度,得到Fe(Ⅲ)对镱基金属有机骨架材料的荧光淬灭率,同时,将荧光测试数据进行处理和拟合计算得到Fe(Ⅲ)的工作曲线、淬灭常数;
(3)将步骤(1)所得的其余11个瓶子其余11个瓶子分别加入1mmol/L的 Al(Ⅲ)、Ba(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)、Li(Ⅰ)、Mg(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、 Zn(Ⅱ)、Zr(Ⅳ)的乙醇溶液,滴加到荧光强度不发生改变为止,将得到的荧光强度与步骤(2)中的荧光强度对比。
进一步地,所述步骤(2)中Fe(Ⅲ)的浓度为0~50μmol/L。
进一步地,所述Fe(Ⅲ)对镱基金属有机骨架材料的荧光淬灭率为0~94.3%。
进一步地,所述淬灭常数通过Stern-Volmer公式计算得到,所述公式如下:
I0/I=KSV[A]+1
其中:I0为加入Fe(Ⅲ)之前悬浮液的荧光强度,I为加入Fe(Ⅲ)后悬浮液的荧光强度,[A]为分析物的浓度,Ksv为淬灭系数。
本发明所达到的有益效果:
本发明操作简单,成本低廉,并且能够实地及时得到反馈。相对其他化学试剂检测方法,本发明具有检测灵敏度高,检测限低等优点,能够适应各种环境的实时检测。本发明所涉及材料可以制成Fe(Ⅲ)检测试剂或者试纸,使用方便准确。
附图说明
图1是本发明的Yb-MOF材料的粉末衍射图;
图2是本发明的Yb-MOF材料的结构示意图;
图3是本发明的Yb-MOF材料的热分析曲线;
图4是本发明的不同Fe(Ⅲ)滴加量下Yb-MOF材料的荧光强度图;
图5是本发明的I/I0与Fe(Ⅲ)浓度的对应曲线;
图6是本发明的Yb-MOF材料对不同金属离子的荧光响应图;
图7是本发明的I0/I-1和Fe(Ⅲ)浓度的线性回归曲线;
图8是本发明的Yb-MOF材料识别Fe(Ⅲ)实际效果图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
粉末X-射线衍射检测使用的仪器为Bruker D8ADVANCE;
单晶X-射线衍射分析使用的仪器为Bruker D8venture衍射仪,测定温度为 293K;
荧光强度检测通过Hitachi F-7000荧光光谱仪进行测试。
一种具有Fe(Ⅲ)识别能力的镱基金属有机骨架材料的制备方法:
在20mL反应釜内胆中,将0.1g 4-羟基3-硝基苯甲酸和0.05g 2,2-联吡啶加入到5mL水中,然后再加入0.2g六水硝酸镱(Yb(NO)3·6H2O,),超声半小时将其混合。将反应釜内胆装入反应釜中,放入烘箱,在100℃条件下反应20h,得到红色颗粒状晶体材料Yb-MOF。
如图1所示,粉末X-射线衍射是通过射线衍射进行测试,之后通过测试结果与模拟数据对比,进行晶体纯度测试。实测得到Yb-MOF材料X-射线粉末衍射分析(PXRD)衍射峰与由单晶数据模拟得到的PXRD衍射峰保持一致,这表明由实验得到的Yb-MOF材料具有很高的相纯度。
如图2所示,采用经石墨单色器单色化的Mo–Kα射线作为入射光源,以ω扫描方式收集衍射点,单胞测定程序采用Bruker Advanced X-ray Solutions软件,数据还原应用Saint软件包,吸收校正则用SADABS软件。
Yb-MOF材料的金属中心Yb原子为八配位模式,每个Yb原子分别与6个 O原子,2个N原子配位,O来自4-羟基3-硝基苯甲酸的硝基、羧基和羟基,2 个N原子来自2,2-联吡啶,构成Yb-MOF材料中Yb原子的配位环境。
如图3所示,TGA分析中显示:Yb-MOF材料在320℃之前保持质量不变,说明该材料热稳定性能良好,在350℃时质量发生急剧减少,该材料在350℃结构发生坍塌。DSC也证明在320~350℃发生了相变。
对所制备的Yb-MOF进行荧光检测,Yb-MOF样品的乙醇悬浮液在紫外灯照射下发出淡蓝色荧光。室温下,将激发和发射狭缝分别设定为20nm和10nm,扫速设定为1200nm/min,光电倍增管电压设定为400V,Yb-MOF探针的特征激发波长450nm,特征发射波长为350nm。并收集350至700nm的数据。
具有Fe(Ⅲ)识别能力的镱基金属有机骨架材料的荧光检测方法,其特征是,包括如下步骤:
(1)将制备得到的镱基金属有机骨架材料研磨5分钟,称取12份质量均为2mg的镱基金属有机骨架材料置于小瓶中,分别加入2mL乙醇溶液,然后将小瓶中的溶液放入超声仪中超声半小时,制备得到分散均一的溶液;
(2)超声完取出其中一个小瓶子分散液立刻置于荧光仪中测试,逐渐滴加新制备的1mmol/L的Fe(Ⅲ)的乙醇溶液,滴加到荧光强度不发生改变为止,记录0μmol/L、2.5μmol/L、5.0μmol/L、7.5μmol/L、10μmol/L、15μmol/L、 20μmol/L、25μmol/L、30μmol/L、40μmol/L、50μmol/L的不同浓度的Fe (Ⅲ)对应的荧光强度,得到Fe(Ⅲ)对镱基金属有机骨架材料的荧光淬灭率,如图4所示。同时,将荧光测试数据进行处理和拟合计算得到Fe(Ⅲ)的工作曲线、淬灭常数。
(3)将步骤(1)所得的其余11个瓶子分别加入1mmol/L的Al(Ⅲ)、Ba(Ⅱ)、 Co(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)、Li(Ⅰ)、Mg(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Zr(Ⅳ) 的乙醇溶液,滴加到荧光强度不发生改变为止,将得到的荧光强度与步骤(2) 中的荧光强度对比。
如图4所示,随着Fe(Ⅲ)的滴加,Yb-MOF材料的荧光强度持续降低,在 Fe(Ⅲ)的浓度达到50μmol/L时荧光强度不再发生变化,此时相对初始Yb-MOF 材料的荧光强度降低了94.3%,说明Fe(Ⅲ)对所述材料有良好的荧光淬灭效果。
如图5所示,通过Fe(Ⅲ)的滴加实验,随着Fe(Ⅲ)浓度提升,Yb-MOF 的荧光减弱,I/I0的值与浓度的二分之一次方成正比,基本满足以下公式:
I/I0=aC0.5+b
I:实测荧光强度
I0:初始荧光强度
C:Fe(Ⅲ)浓度
a、b:系数
从图5可以看出,Yb-MOF荧光强度会随着Fe(III)浓度升高而降低,根据数据拟合得出的公式,可以粗略估算出Fe(III)的含量。
如图6所示,将其他金属离子进行同样滴加实验,结果仅有Fe(Ⅲ)使 Yb-MOF的荧光强度减弱,说明所述材料对Fe(Ⅲ)具有较高的选择性。
如图7所示,线性校准曲线是:y=0.204x-0.646,计算得到Ksv[Fe(Ⅲ)] =0.204×106M-1,结果表明属于显著的荧光“turn-off”反应,所述Yb-MOF 对Fe(Ⅲ)有很高的灵敏性。
如图8所示,加入Fe(Ⅲ)前后荧光效果变化明显,达到肉眼可见的级别,说明在实际应用中反应灵敏,使用便捷。
本发明操作简单,成本低廉,并且能够实地及时得到反馈。相对其他化学试剂检测方法,本发明具有检测灵敏度高,检测限低等优点,能够适应各种环境的实时检测。本发明所涉及材料可以制成Fe(Ⅲ)检测试剂或者试纸,使用方便准确。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种镱基金属有机骨架材料荧光检测Fe(Ⅲ)的方法,其特征是,包括如下步骤:
(1)镱基金属有机骨架材料的制备: 将4-羟基3-硝基苯甲酸和2,2-联吡啶加入水中,加入六水硝酸镱,搅拌;在设定温度、设定反应时间下反应,制备得到红色颗粒状晶体;所述设定温度为100~150℃;所述反应时间为20~80h;
(2)将制备得到的镱基金属有机骨架材料研磨5分钟,称取12份质量均为2mg的镱基金属有机骨架材料置于瓶中,分别加入2mL乙醇溶液,然后将瓶中的溶液放入超声仪中超声半小时,制备得到分散均一的溶液;
(3)超声完取出其中一个瓶子分散液立刻置于荧光仪中测试,逐渐滴加新制备的1mmol/L的Fe(Ⅲ)的乙醇溶液,滴加到荧光强度不发生改变为止,记录不同浓度的Fe(Ⅲ)对应的荧光强度,得到Fe(Ⅲ)对镱基金属有机骨架材料的荧光淬灭率,同时,将荧光测试数据进行处理和拟合计算得到Fe(Ⅲ)的工作曲线、淬灭常数;
(4)将步骤(2)所得的其余11个瓶子分别加入1mmol/L的Al(Ⅲ)、Ba(Ⅱ)、Co(Ⅱ)、Cr(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)、Li(Ⅰ)、Mg(Ⅱ)、Ni(Ⅱ)、Pb(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)、Zr(Ⅳ)的乙醇溶液,滴加到荧光强度不发生改变为止,将得到的荧光强度与步骤(3)中的荧光强度对比。
2.根据权利要求1所述的镱基金属有机骨架材料荧光检测Fe(Ⅲ)的方法,其特征是,所述步骤(3)中Fe(Ⅲ)的浓度为0~50μmol/L。
3.根据权利要求1所述的镱基金属有机骨架材料荧光检测Fe(Ⅲ)的方法,其特征是,所述Fe(Ⅲ)对镱基金属有机骨架材料的荧光淬灭率为0~94.3%。
4.根据权利要求1所述的镱基金属有机骨架材料荧光检测Fe(Ⅲ)的方法,其特征是,所述淬灭常数通过Stern-Volmer公式计算得到,所述公式如下:
I0/I=KSV[A]+1
其中:I0为加入Fe(Ⅲ)之前悬浮液的荧光强度,I为加入Fe(Ⅲ)后悬浮液的荧光强度,[A]为分析物的浓度,Ksv为淬灭系数。
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