CN112881304A - 基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸及其检测方法和应用 - Google Patents

基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸及其检测方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多孔金属‑有机络合物材料的有色物质快速检测试纸，其包括空白试纸，其表面涂敷有间隔排列的三种多孔金属‑有机络合材料条状涂层，分别为Cu(APM)、MIP‑202(Zr)和UiO‑66(Zr)的聚乙烯醇混合涂层。同时还公开了该试纸的检测方法以及利用该试纸构建有色物质鉴定数据库的方法。本发明利用了三种不同的吸附剂对染料分子的选择性吸附，且吸附剂在吸附有色物质后颜色存在明显异性，可用于低浓度下的有色染料物质的快速鉴定；同时构建三种材料的颜色矩阵并编码为计算机语言，可用于相关电子检测设备的开发。

Description

基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸及 其检测方法和应用
技术领域
本发明涉及有色物质检测技术领域，尤其涉及一种基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸及其检测方法和数据化方向的应用。
背景技术
水体中含有大量的有机污染物，具有氧化性或还原性，使得水中的溶解氧含量降低，进而对生态系统产生影响。其中，如偶氮苯类染料、吩噻嗪类染料等有机染料具有很强的生物积累性、持久性，具有血液毒、神经毒和致癌作用。因此，这类有机污染物的检测十分重要。然而，目前这类物质的检测主要依赖大型设备仪器，检测成本较高，消耗的试剂较多，测试时间较长，亟需开发新的检测手段和方法，实现低成本、快速检测、可户外便携检测的目的。
吸附方法是去除有机污染物的重要手段之一，主要包括了物理吸附、静电吸附和离子交换吸附，分别利用了分子间范德华力、电荷相互作用和液固两相间的传质和化学反应过程。多孔金属-有机络合物材料具有较大的比表面积，具有绿色环保和工艺成本低、一次成型等优点。
发明内容
基于此，为解决上述问题，本发明提供一种基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸，其利用多孔金属有机络合物材料对有机污染物的选择性吸附，以及不同的吸附效率，实现对染料的快速检测。
本发明提供了一种基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸，包括空白试纸，其表面涂敷有间隔排列的三种多孔金属-有机络合材料条状涂层，分别为Cu(APM)、MIP-202(Zr)和UiO-66(Zr)的聚乙烯醇混合涂层。
相比于现有技术，本发明的试纸采用的三种多孔金属-有机络合物材料对有色物质具有选择性吸附，且三种材料在吸附有色物质后颜色存在明显异性，可用于低浓度下的有色物质快速鉴定。上述三种多孔金属-有机络合物材料制备工艺简单，合成条件温和，用少量样品即可完成有色物质的鉴定。同时，三种金属-有机络合物材料具有耐酸耐碱耐有机溶剂的特点，能够满足在不同环境条件下对有色物质的吸附和鉴定。本发明的试纸能够快速完成对分析物的吸附，且不依赖大型设备仪器，缩短鉴定时间、降低鉴定成本。
优选的，所述涂层的质量密度为25mg/cm2，涂层宽度为0.3cm，长度为0.6cm，涂层间隔为0.25cm。
进一步地，该试纸采用以下方法制备而成：将Cu(APM)、MIP-202(Zr)和UiO-66(Zr)三种粉末材料分别与聚乙烯醇的乙醇/水溶液混合，配制成50mg/mL的粉末悬浊液，其中聚乙烯醇的质量分数为10％，乙醇/水溶液的体积浓度为40％；配制完成后将悬浊液搅拌均匀得到混合液；最后采用刷涂法将三种混合液分别刷涂到疏水的空白试纸表面并烘干。
进一步地，上述制备方法中，悬浊液以60转/分的转速在40℃温度环境下搅拌30分钟后获得分散均匀的混合液。
本发明还提供了一种采用上述试纸进行有色物质快速检测的方法，包括以下步骤：
S1：将试纸一端插入待测溶液中，在毛细效应作用下，溶液浸润试纸；然后将充分吸附待测溶液中的分析物的试纸进行干燥处理；
S2：鉴定吸附了有色物质后三种材料的颜色，并对应转化为RGB颜色值；
S3：将三种材料的RGB颜色值转化为十六进制颜色码，在数据库中对其进行匹配，确定待测溶液中的有色物质。
相对于现有技术，本发明提供的检测方法以三种材料组成的颜色矩阵为基础，通过与数据库进行匹配，能方便快捷地鉴定有色物质种类。
进一步地，步骤S1中，试纸浸没在溶液中30秒。
进一步地，步骤S2中的RGB颜色值以取样点拾取51*51像素范围为准。
本发明还提供了采用上述试纸构建有色物质鉴定数据库的方法，包括以下步骤：
S1：配置浓度为0.01～0.5mM的有色染料物质水溶液；
S2：将试纸一端插入待测溶液中，在毛细效应作用下，溶液浸润试纸；浸没时间为30秒；然后将充分吸附有色染料物质的试纸进行干燥处理；
S3：鉴定吸附了有色物质后三种材料的颜色，并对应转化为RGB颜色值；
S4：将三种材料的RGB颜色值转化为十六进制颜色码，并建立十六进制颜色码与有色染料物质对应的数据库关系；
S5：重复步骤S1～S4，构建完整的有色物质鉴定数据库。
进一步地，步骤S3中的RGB颜色值以取样点拾取51*51像素范围为准。
相比于现有技术，本发明提供的构建有色物质鉴定数据库的方法以三种金属-有机络合物材料吸附有色染料物质后形成的三种不同颜色为矩阵，将其转化为计算机语言，建立十六进制颜色码与有色染料物质对应的数据库关系，从而构建出完整的有色物质鉴定数据库，便于后续利用该数据库对检测的有色物质进行快速匹配并鉴定，同时为相关电子检测便携设备的开发提供了基础。
本发明还提供一种有色物质电子检测设备，其采用上述试纸，并基于上述方法构建的有色物质鉴定数据库。该有色物质电子检测设备携带方便，可以随时进行有色物质的快速检测。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本发明。
附图说明
图1是实施例2的试纸吸附10种有色物质后对应的颜色状态图；
图2是对比例1的试纸吸附10种有色物质后对应的颜色状态图；
图3是对比例2的试纸吸附10种有色物质后对应的颜色状态图；
图4是实施例3的构建有色物质鉴定数据库的流程图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
在本发明使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包含多数形式，除非上下文清楚地表示其含义。还应当理解，本发明中使用的术语“和/或”是指包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能的组合。
以下实施例中采用的原料为：
UiO-66(Zr)，有机配体为对苯二甲酸，金属离子为锆离子；
MIP-202(Zr)，有机配体为天门冬氨酸，金属离子为锆离子；
Cu(APM)，有机配体为阿斯巴甜，金属离子为铜离子。
以下实施例中采用的设备为：
光谱数据由722N型可见分光光度计采集。
实施例1
本实施例提供了一种基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸，其包括空白试纸，其表面涂敷有间隔排列的三种多孔金属-有机络合材料条状涂层，分别为Cu(APM)、MIP-202(Zr)和UiO-66(Zr)的聚乙烯醇混合涂层。
Cu(APM)、MIP-202(Zr)和UiO-66(Zr)均采用现有技术合成，具体的，可以采用以下方法进行合成：
Cu(APM)的制备：将2.56质量份的阿斯巴甜和4.5质量份的硫酸铜溶解分散于20质量份的甲醇/水混合溶液中，放入80℃烘箱里静置24小时。待冷却后分别用水和甲醇溶剂洗除残留物质，再置于60℃烘箱中干燥。
MIP-202(Zr)的制备：将2.8质量份的L-天冬氨酸和2.33质量份的氯化锆溶解分散于10质量份的N,N-二甲基甲酰胺溶液中密封放入110℃烘箱里静置24小时。待冷却后分别用N,N-二甲基甲酰胺和乙醇溶剂洗除残留并溶剂置换，再置于60℃烘箱中干燥。
UiO-66(Zr)的制备：将5.3质量份的氯化锆和7质量份的1，4-苯二甲酸混合于200质量份的N,N-二甲基甲酰胺溶液中密封放入110℃烘箱里静置24小时。待冷却后分别用N,N-二甲基甲酰胺和乙醇溶剂洗除残留并溶剂置换，再置于60℃烘箱中干燥。
本实施例的试纸采用以下方法制得：
将Cu(APM)、MIP-202(Zr)和UiO-66(Zr)三种粉末材料分别与10％的聚乙烯醇乙醇溶液混合并配制成50mg/mL的悬浊液，其中乙醇溶液的体积浓度为40％；配制完成后将悬浊液搅拌均匀得到混合液；最后采用刷涂法将三种混合液分别刷涂到疏水的空白试纸表面并烘干，形成三条条状涂层。优选的，涂层质量密度为25mg/cm2，涂层宽度为0.3cm，长度为0.6cm，涂层间隔为0.25cm。在其他实施例中，涂层的尺寸可根据需要进行刷涂。
实施例2
本实施例采用实施例1的试纸对10种有色染料物质进行检测，测试试纸的三种金属-有机络合物对这10种物质的吸附效果。
分别配置浓度为0.02mM藻红B，0.02mM胭脂红，0.05mM甲基红，0.02mM苋菜红，0.03mM日落黄，0.02mM柠檬黄，0.01mM亮蓝，0.5mM靛蓝、0.04mM溴酚蓝，和0.02mM的亚甲基蓝，以上10种有色物质水溶液；将包含三种多孔金属-有机络合材料(蓝色粉末材料Cu(APM),白色粉末材料MIP-202(Zr)和白色粉末材料UiO-66(Zr)的试纸，分别插入到以上10种有色物质水溶液；利用毛细效应，溶液浸润试纸，三种多孔涂层材料吸附溶液中的分析物。
采用紫外可见分光光度计分别记录三种金属-有机络合物材料吸附有色物质后，其离心上清液在以上10种有色物质最大吸收波长处的吸光度变化，如表1所示。计算三种金属-有机络合物材料对以上10种物质的吸附效率，如表2所示。
表1.三种金属-有机络合物材料对以上10种有色物质在其最大吸收波长处的吸光度变化
Figure BDA0002894082910000051
表2.三种金属-有机络合物材料对以上10种有色物质的吸附效率对比表
Figure BDA0002894082910000052
Figure BDA0002894082910000061
实验数据结果显示，Cu(APM)粉末对0.02mM藻红B，0.02mM胭脂红，0.05mM甲基红，0.02mM苋菜红，0.03mM日落黄，0.02mM柠檬黄，0.01mM亮蓝，0.5mM靛蓝、0.04mM溴酚蓝，和0.02mM的亚甲基蓝的水溶液吸附效率分别为96.3％，79％，57.3％，73.6％，52.9％，47.2％，56.7％，72.5％，26.1％和4.6％。MIP-202(Zr)粉末对以上10种有色物质的吸附效率分别为96.3％，53.1％，21.6％，64.1％，91.6％，90.3％，70.6％，78.2％，93.5％和0.7％。UiO-66(Zr)粉末对以上10种有色物质吸附效率分别为40.6％，11.6％，66.6％，3.1％，33.6％，32.3％，42.9％，70.8％，7.8％和64.3％。对比可知，试纸所包含的三种涂层材料对不同有色物质水溶液的吸附效率具有明显差异，且对不同物质的吸附具有选择性。因此，该试纸利用了三种不同的吸附剂对染料分子的选择性吸附，且吸附剂在吸附有色物质后颜色存在明显异性，具有较高的准确度，可用于低浓度下的染料快速鉴定。
实施例3
本实施例提供了一种构建有色物质鉴定数据库的方法，以实施例2的10种有色染料物质为例，如图1所示，三种吸附剂材料在分别吸附了10种染料物质后，粉末颜色具有明显差异，主要是由于材料表面的性质引起对不同染料选择性吸附差异，并最终反应到材料的颜色变化上。鉴定吸附了有色物质后三种材料的颜色，并对应转化为RGB颜色值，如表3所示。最后，将三种材料的RGB颜色值转化为十六进制颜色码，如表4所示；并建立十六进制颜色码与分析物对应的数据库关系。构建有色物质鉴定数据库的流程如图4所示，重复该过程，不断地将已知的有色物质和经过试纸吸附后得到的颜色码进行一一对应，即可不断地完善数据库。
表3.三种材料吸附染料后颜色所对应的RGB颜色值
Figure BDA0002894082910000062
Figure BDA0002894082910000071
表4.三种材料RGB颜色值对应的十六进制颜色码
Figure BDA0002894082910000072
对比例1
本对比例采用的有色染料水溶液浓度是实施例2浓度的1/10，用以测试试纸对较低浓度下的染料检测的灵敏度。
分别配置浓度为0.002mM藻红B，0.002mM胭脂红，0.005mM甲基红，0.002mM苋菜红，0.003mM日落黄，0.002mM柠檬黄，0.001mM亮蓝，0.05mM靛蓝、0.004mM溴酚蓝，和0.002mM的亚甲基蓝，以上10种有色物质水溶液。将包含三种多孔金属-有机络合材料(蓝色粉末材料Cu(APM),白色粉末材料MIP-202(Zr)和白色粉末材料UiO-66(Zr)的试纸插入到有色物质水溶液充分浸没15s后，取出试纸并干燥，并记录试纸涂层颜色变化。如图2所示，试纸涂料吸附染料前后，颜色均发生了变化，与实施例2相比，本对比例的试纸颜色变化不鲜明，说明涂层材料吸附染料后的颜色变化未达到饱和状态。
对比例2
本对比例采用的有色染料水溶液浓度是实施例2浓度的5倍，用以测试试纸对较高浓度下的染料检测的灵敏度。
分别配置浓度为0.1mM藻红B，0.1mM胭脂红，0.25mM甲基红，0.1mM苋菜红，0.15mM日落黄，0.1mM柠檬黄，0.05mM亮蓝，2.5mM靛蓝、0.2mM溴酚蓝，和0.1mM的亚甲基蓝，以上10种有色物质水溶液。将包含三种多孔金属-有机络合材料(蓝色粉末材料Cu(APM),白色粉末材料MIP-202(Zr)和白色粉末材料UiO-66(Zr)的试纸，插入到有色物质水溶液充分浸没15s后，取出试纸并干燥，并记录试纸涂层颜色变化。如图3所示，试纸涂料吸附染料前后，颜色均发生了变化，与实施例2相比，本对比例的试纸颜色变化几乎相近，说明在该浓度下吸附染料，试纸上的涂层吸附染料后的颜色变化达到了饱和状态。
由对比例1和对比例2得到的结果说明，该试纸适用的染料物质溶液浓度检测范围在0.01～0.5mM范围内，且在0.5mM浓度以上时，试纸颜色变化大致相同，即并不影响鉴定结果，因此可以认为适用范围可以进一步扩大。
综上，由于三种金属-有机络合物材料具有耐酸耐碱耐有机溶剂的特点，并且可以快速完成对分析物的吸附，因此试纸普适性较高，能满足不同环境下的检测。该检测方法建立在数据库构建的基础上，以三种材料颜色矩阵为基础，提供了更具体、详细的鉴定依据；构建有色物质对应的试纸涂层颜色值数据库关系，并转化为计算机语言，同时可用于相关电子检测便携设备的开发，实现不依赖大型设备仪器即可鉴定有色物质、降低鉴定成本、缩短鉴定时间的目的。因此，该方法在有色污染物鉴定领域具有广阔的应用前景。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对本发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (10)

1.一种基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸，其特征在于，包括空白试纸，其表面涂敷有间隔排列的三种多孔金属-有机络合材料条状涂层，分别为Cu(APM)、MIP-202(Zr)和UiO-66(Zr)的聚乙烯醇混合涂层。
2.根据权利要求1所述的基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸，其特征在于，所述涂层的质量密度为25mg/cm2，涂层宽度为0.3cm，长度为0.6cm，涂层间隔为0.25cm。
3.根据权利要求2所述的基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸，其特征在于，该试纸采用以下方法制备而成：将Cu(APM)、MIP-202(Zr)和UiO-66(Zr)三种粉末材料分别与聚乙烯醇的乙醇/水溶液混合，配制成50mg/mL的粉末悬浊液，其中聚乙烯醇的质量分数为10％，乙醇/水溶液的体积浓度为40％；配制完成后将悬浊液搅拌均匀得到混合液；最后采用刷涂法将三种混合液分别刷涂到疏水的空白试纸表面并烘干。
4.根据权利要求3所述的基于多孔金属-有机络合物材料的有色物质快速检测试纸，其特征在于，悬浊液以60转/分的转速在40℃温度环境下搅拌30分钟后获得分散均匀的混合液。
5.一种采用如权利要求1～4任一项所述的试纸对有色物质进行快速检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将试纸一端插入待测溶液中，在毛细效应作用下，溶液浸润试纸；然后将充分吸附待测溶液中的分析物的试纸进行干燥处理；
S2：鉴定吸附了有色物质后三种材料的颜色，并对应转化为RGB颜色值；
S3：将三种材料的RGB颜色值转化为十六进制颜色码，在数据库中对其进行匹配，确定待测溶液中的有色物质。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S1中，试纸浸没在溶液中30秒。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，步骤S2中的RGB颜色值以取样点拾取51*51像素范围为准。
8.一种采用如权利要求1～4任一项所述的试纸构建有色物质鉴定数据库的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：配置浓度为0.01～0.5mM的有色染料物质水溶液；
S2：将试纸插入有色染料物质水溶液中，使试纸的三种多孔金属-有机络合材料条状涂层均浸没在溶液中，使溶液充分浸润试纸，浸没时间为30秒；然后将充分吸附有色染料物质的试纸进行干燥处理；
S3：鉴定吸附了有色物质后三种材料的颜色，并对应转化为RGB颜色值；
S4：将三种材料的RGB颜色值转化为十六进制颜色码，并建立十六进制颜色码与有色染料物质对应的数据库关系；
S5：重复步骤S1～S4，构建完整的有色物质鉴定数据库。
9.根据权利要求8所述的构建有色物质鉴定数据库的方法，其特征在于，步骤S3中的RGB颜色值以取样点拾取51*51像素范围为准。
10.一种有色物质电子检测设备，其特征在于，采用如权利要求1～4任一项所述的试纸，并基于权利要求8～9任一项所述的方法构建而成的数据库。
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