CN113340865A - 一种橡皮泥中硼砂含量检测方法和材料 - Google Patents

一种橡皮泥中硼砂含量检测方法和材料 Download PDF

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Abstract

本发明涉及橡皮泥安全检测领域,尤其是一种橡皮泥中硼砂含量检测方法和材料。一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法,采用以下的步骤:(1)前处理,将橡皮泥压成粉末状,使其在丙酮溶液中溶解,用环己烷对橡皮泥粉末进行清洗,去除95%以上的油性成分;(2)将经前处理后的橡皮泥和去离子水混合,通过比率型荧光探针材料检测硼砂的含量;(3)利用比率型荧光探针材料发光性能的变化检测水晶胶玩具中的硼砂含量。本专利利用探针材料发光性能的变化能够准确检测橡皮泥中的硼砂含量,通过肉眼即可定性判断硼砂的大致浓度范围,检测方便。

Description

一种橡皮泥中硼砂含量检测方法和材料
技术领域
本发明涉及橡皮泥安全检测领域,尤其是一种橡皮泥中硼砂含量检测方法和材料。
背景技术
橡皮泥是目前使用很普遍的一种儿童玩具,主要用于儿童捏塑成型练习使用。橡皮泥主要以碳酸钙为原料,以液体石蜡为油性成分与甘油等配制而成,同时需要加入微量的有毒物质硼砂,由于硼砂化学性质稳定且质地很软,能够用于制作各种儿童玩具,用于改善橡皮泥的粘度和硬度。
目前橡皮泥中的硼砂含量是否超标一般是通过专门的实验室的仪器进行检测。硼砂的检测方法主要有姜黄试纸特性检验法、pH试纸法以及感官检验法。姜黄试纸特性检验法不能用于实时快速检测;pH试纸法检测准确度差,因为产品中其它酸碱成分也会导致pH的变化,不具有选择性;感官检验法是通过手感和气味感受,不仅准确度差,而且只适用于少数经验非常丰富的专业人士。基于荧光探针材料的荧光检测法是一种新颖的非接触式测量技术,主要通过表征荧光中心的荧光强度、荧光寿命或者发射峰位置随待检测对象的变化来实现探测,具有空间分辨率高、响应快、可远程测量等优势。通过表面配体修饰提高探针材料的选择性吸附性能,能够进一步提高探测的准确度。橡皮泥中包含难溶性物质,直接进行检测准确率低。硼砂的分子式为Na2B4O7·10H2O,其水溶液存在水解平衡过程,含有B4O7 2-,BO2 -,H3BO3,这些均能与重金属离子如Pb2+或Mn2+离子结合,形成新的化合物,而这种结合能够进一步促进硼砂的水解。虽然通过检测这种新生成化合物的含量,在一定程度上能够反应产品中硼砂的含量,但其准确度仍然偏低,且不能实时原位检测。通过设计荧光探针材料,通过表面配体修饰,使其能够与硼砂进行特异性结合,并通过荧光的变化来检测硼砂的含量,具有很好的可行性以及较高的准确度。根据以上分析,针对硼砂的检测,探索新颖的探针材料在橡皮泥中硼砂含量的检测领域,具有很好的可行性与应用前景。
现有的橡皮泥中硼砂的检测方法如中国专利(公开号:CN106442374A)的一种玩具粘土材料中硼砂含量的测试方法所述。现有橡皮泥中硼砂的检测方法和检测材料存在的不足是:需要经定量分析得出样品中硼酸的含量,再经换算得到样品中硼砂的含量。
发明内容
为了解决上述橡皮泥中硼砂含量的检测存在的技术问题,本申请的目的是提供一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法和材料,通过肉眼即可定性判断硼砂的大致浓度范围,对橡皮泥中硼砂含量的检测准确度高。
为了实现上述的目的,本申请采用了以下的技术方案:
一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法,采用以下的步骤:
(1)前处理,将橡皮泥压成粉末状,使其在丙酮溶液中溶解,用环己烷对橡皮泥粉末进行清洗,去除95%以上的油性成分;
(2)将经前处理后的橡皮泥和去离子水混合,通过比率型荧光探针材料检测硼砂的含量;
(3)利用比率型荧光探针材料发光性能的变化检测水晶胶玩具中的硼砂含量。
进一步,橡皮泥和环己烷的质量比值范围是:1: 60-80。
进一步,过滤后的产物、柠檬酸和去离子水的质量比值范围是: 0.5-0.7: 3-5:800-1200。
进一步,前处理后的橡皮泥、水和探针材料的质量比为1: 20: 0.4-0.7。
作为优选,橡皮泥前处理是将橡皮泥0.1克溶于10毫升环己烷,超声10分钟后,在室温下搅拌30分钟,然后滤膜过滤,最后将过滤后的产物、2毫摩尔柠檬酸和10毫升去离子水在室温下继续搅拌30分钟,然后在60摄氏度的烘箱中烘干。
一种用于橡皮泥安全检测的材料,材料的分子式如下:Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3
进一步,本申请提供了一种用于橡皮泥安全检测的材料的制备方法,包括以下的步骤:
1)将0.6毫摩尔乙酰丙酮钇,乙酸镱,乙酸铥,乙酰丙酮镥,5-10毫升油酸,8-16毫升十八烯,在室温下加入到50毫升三颈瓶中,升温至100~150oC,并保温40-70分钟;乙酸镱,乙酸铥与乙酰丙酮镥的总摩尔量为1.4毫摩尔,其中乙酸镱的摩尔百分比为5-15%,乙酸铥的摩尔百分比为0.02-0.08%;
2)待步骤(1)中的溶液冷却至室温后,加入3-6毫摩尔硫粉,5-10毫升油胺,用机械泵将三颈瓶内抽真空5-15分钟,然后升温至100~120 oC,并保温30-60分钟,随后在氮气或氩气保护条件下,迅速升温至290-320 oC,并保温50-90分钟;
3)待步骤(2)中的溶液冷却至室温后,加入乙醇离心得到沉淀,并用乙醇:环己烷为3:1的混合液洗涤产物,然后于40 ~80 OC烘干后得到Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm;
4) 将碳酸铯、碳酸钾与碘化铅以摩尔比为0.7: 0.3:1加入到油胺与十八烯(体积比为1:2,总体积为3-6毫升)混合液中,在室温下研磨20-40分钟,然后用环己烷离心洗涤去除多余的溶剂,并将离心产物分散在4-8毫升聚乙二醇溶剂中;
5)将步骤(3)中所得Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm加入到步骤(4)中的聚乙二醇分散液中,在功率大于1千瓦的超声波清洗仪中超声2-6 小时,然后加入0.02-0.05毫摩尔聚丙烯酸,在室温下搅拌12-24小时,最后用环己烷与乙醇混合液离心洗涤得到Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3复合物。
本专利的用于橡皮泥安全检测的材料,将复合材料分散在水溶液中,在980纳米激光器激发条件下,产物发射出明亮的红光;以上水溶液中加入过量的硼砂后,由于硼砂水解产物能够与Cs0.7K0.3PbI3量子点中的Pb2+离子作用,结合形成类似硼砂铅的化合物,破坏了Tm3+蓝光能级到Cs0.7K0.3PbI3量子点的能量传递过程,使得产物发射出蓝光。通过拟合Tm3+蓝光与Cs0.7K0.3PbI3量子点红光的荧光强度比与硼砂浓度的关系曲线,能准确的用于硼砂定量检测。在橡皮泥中加入硼砂后,利用探针材料发光性能的变化能够准确检测橡皮泥中的硼砂含量,通过肉眼即可定性判断硼砂的大致浓度范围,检测方便。
附图说明
图1 硫氧化物的X射线衍射谱图。
图2 硫氧化物的透射电子显微镜图。
图3 硫氧化物在980纳米激光器激发条件下的光谱图。
图4硫氧化物的发光强度与Yb3+离子掺杂浓度的关系曲线。
图5 硫氧化物的发光强度与Tm3+离子掺杂浓度的关系曲线。
图6 Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3复合物的X射线衍射谱图。
图7 Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3复合物的透射电子显微镜图。
图8 Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3复合物,在980纳米激光器激发条件下的光谱图。
图9 Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3溶液,蓝光与红光强度比值与硼砂浓度的关系曲线。
图10 在Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3溶液中加入不同类型阳离子或pH条件下,蓝光与红光强度的比值。
图11 在254纳米紫外激发条件下,Cs0.7K0.3PbI3量子点在不同pH条件下的荧光强度。
图12 在980纳米激光器激发条件下,Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm在加入不同质量前处理后的橡皮泥粉末后的荧光强度。
具体实施方式
实验部分
主要试剂:乙酰丙酮钇,乙酸镱,乙酸铥,乙酰丙酮镥,油酸,油胺,十八烯(90%),聚丙烯酸 (99%),碳酸铯、碳酸钾与碘化铅购买于Sigma-Aldrich公司,硼砂,硫粉,环己烷,乙醇和去离子水购买于国药集团化学试剂有限公司。
Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3复合物的制备
将0.6毫摩尔乙酰丙酮钇,0.14毫摩尔乙酸镱,0.07毫摩尔乙酸铥,1.19毫摩尔乙酰丙酮镥,10毫升油酸,12毫升十八烯,在室温下加入到50毫升三颈瓶中,升温至130oC,并保温50分钟;待以上溶液冷却至室温后,加入4毫摩尔硫粉,8毫升油胺,用机械泵将三颈瓶内抽真空10分钟,然后升温至100 oC,并保温50分钟,随后在氮气保护条件下,迅速升温至310 oC,并保温70分钟;待以上溶液冷却至室温后,加入乙醇离心得到沉淀,并用乙醇:环己烷为3:1的混合液洗涤产物,然后于40 OC烘干后得到Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm;将0.7毫摩尔碳酸铯、0.3毫摩尔碳酸钾与1毫摩尔碘化铅加入到1毫升油胺与2毫升十八烯混合液中,在室温下研磨20分钟,然后用环己烷离心洗涤去除多余的溶剂,并将离心产物分散在6毫升聚乙二醇溶剂中;将所得Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm加入到上述聚乙二醇分散液中,在功率大于1千瓦的超声波清洗仪中超声4小时,然后加入0.04毫摩尔聚丙烯酸,在室温下搅拌16小时,最后用环己烷与乙醇混合液离心洗涤得到Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3复合物。
表征仪器和方法
电感耦合等离子体原子发射光谱(ZX-Z5000-WLD5000,粉末样品,频率50/60 Hz),X射线衍射图谱 (Iuker D8 Advance,Cu-Kα (λ=1.5405 Å)),透射电子显微镜 (TEM, FEITecnai G2 F20) ,光谱仪(FLUROHUB-B, HORIBA JOBIN YVON),功率为1-3W的980纳米激光器。
X射线衍射样品的制备:将烘干的复合材料铺满样品支架的凹槽;
透射电子显微镜样品的制备:取少许复合材料溶于4毫升乙醇溶剂中,超声5分钟后,滴3-6滴液体于超薄碳膜上。
硼砂的检测方法:取一定质量的复合物,分成若干组,每组中加入5毫升去离子水,随后加入不同摩尔量的硼砂,通过荧光光谱仪表征其荧光强度的变化,并拟合出标准曲线。
数据分析与讨论
电感耦合等离子体原子发射光谱分析结果表明,硫氧化物中稀土元素Y、Lu、Yb和Tm的摩尔百分比分别为33.12%,60.32%,6.53%和0.03%,与原料中添加的摩尔百分比基本一致,说明得到的产物为Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm。需要说明是,由于空气中含有较多的氧,没有测定氧元素的含量,只测定了阳离子的百分比,主要用于分析稀土掺杂离子的摩尔百分比,其与发光强度密切相关。如图1所示,X射线衍射谱图分析结果表明,产物与标准数据库中的卡片号26-1422能够很好的匹配,表明其为纯六方相,三个最强的衍射峰对应的晶面分别为(100),(101)和(110)。如图2所示,透射电子显微镜分析结果表明产物为无规则形貌,分散性良好。
如图3所示,稀土掺杂硫氧化物Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm,在980纳米激光器激发条件下,发射出明亮的上转换蓝光,对应于Tm3+的f-f跃迁,由敏化离子Yb3+吸收入射光能量,经三光子或四光子过程将能量传递给激活离子Tm3+,填充其高能级激发态,当激发态电子返回基态后,产生上转换发光。为了进一步研究敏化离子与激活离子的浓度对上转换发光强度的影响规律,制备了不同稀土离子掺杂浓度的样品。如图4所示,随着Yb3+离子浓度从1增到7mol%,上转换发光强度逐渐增加,主要是由于入射光的吸收效率增大,当Yb3+离子浓度超过7mol%,稀土离子之间的无辐射交叉弛豫几率增大。如图5所示,Tm3+离子的最佳掺杂浓度为3.5 mol%。
如图6所示,X射线衍射谱图中同时含有硫氧化物与卤素钙钛矿量子点的衍射峰,表明最终得到产物为两相复合物,与预期一致。如图7所示,透射电子显微镜分析结果表明产物由于两相复合而出现了一定程度的聚集。如图8所示,在980纳米激光器激发条件下,除Tm3+离子的蓝光发射峰外,还出现了卤素钙钛矿量子点在红光区域的发射峰,中心波长约为630nm。由于单独的量子点在980纳米激光器激发条件下无上转换发光,因此,可以推断出硫氧化物与钙钛矿量子点两相复合后,存在高效的Tm3+离子到量子点导带能级的能量传递,因而出现红光发射峰。
将复合物材料分散在水溶液中,当溶液中加入硼砂后,红光的上转换发光强度明显减弱,而蓝光的上转换发光强度逐渐增强,蓝光与红光强度比值与硼砂浓度成正比例关系,如图9所示。通过拟合蓝光与红光强度比值与硼砂浓度的关系曲线,能够应用于硼砂的定量检测。为了表明这种荧光检测方法具有很高的稳定性与准确度,在溶液中加入不同的金属阳离子以及调控溶液pH,进一步开展了硼砂检测实验。如图10所示,固定硼砂的浓度为5*10-9 mol/L,通过在溶液中加入0.2毫摩尔Li+,Na+,Ca2+,Sr2+,Cu2+,或者调溶液pH至3,5或7,在980纳米激光器激发条件下,蓝光与红光的荧光强度比几乎不变,说明这种比值的变化仅与硼砂浓度有关。
为了进一步说明采用复合材料实现比率型荧光检测方法的重要性,分别研究了Cs0.7K0.3PbI3量子点和Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm在不同pH条件下的荧光强度。如图11所示,随着pH从2逐渐增大到10,Cs0.7K0.3PbI3量子点在254nm紫外灯激发条件下的荧光强度逐渐减弱,Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm在980nm激光器激发条件下的荧光强度逐渐减弱。这些结果表明单独的Cs0.7K0.3PbI3量子点或Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm在硼砂检测过程中易受溶液pH的影响,准确度较差。
为了证明本发明提出的复合材料能够准确的对橡皮泥中硼砂含量的检测,分别研究了复合材料在加入的市售橡皮泥,以及同时加入市售橡皮泥与硼砂情况下的荧光性能。
首先将市售橡皮泥研磨成粉末状,称取不同质量的粉末,分别加入到相同浓度的复合材料分散液中,蓝光与绿光荧光强度比逐渐增强,表明正常情况下的橡皮泥影响复合材料的荧光性能。为了去除干扰因素,提高硼砂含量检测的准确度,将橡皮泥粉末先用丙酮溶解,再用非极性溶剂环己烷洗涤,去除95%以上的液体石蜡和甘油,获得处理后的橡皮泥粉末。将经处理后的不同质量橡皮泥粉末分别加入到相同浓度的复合材料分散液中,蓝光与绿光荧光强度比基本不变(图12),当同时加入经前处理后的橡皮泥粉末与硼砂时,其荧光强度比的变化规律与图9基本一致,表明这种复合材料能够很好地应用于橡皮泥中硼砂含量的检测。利用比率型荧光探针材料发光性能的变化就能检测水晶胶玩具中的硼砂含量,即通过肉眼即可定性判断硼砂的大致浓度范围,检测非常方便。结合橡皮泥的简易前处理方法,本发明提出的复合材料能够很好地应用于橡皮泥中硼砂含量的检测。未处理的橡皮泥对复合材料荧光性能的影响主要来源于橡皮泥中含有的油性成分与硫氧化物表面的油酸有相似的物理化学性能,在一定程度上能够影响Tm3+离子的激发态能级到量子点导带能级的能量传递过程,进而导致发光性能的变化。需要说明的是,由于硼砂难溶于丙酮和环己烷,在洗涤过程中,不会去除橡皮泥中的丙酮成分,不影响最终的检测结果。
本专利设计了一种新颖的硫氧化物-卤素钙钛矿复合物,采用共沉淀法制备出稀土激活离子掺杂硫氧化物,然后采用大功率超声与搅拌法制备出硫氧化物-卤素钙钛矿的荧光探针材料,其发光颜色与发光强度对硼砂具有很好的响应特性,通过拟合Tm3+蓝光与Cs0.7K0.3PbI3量子点红光的荧光强度比与硼砂浓度的关系曲线,能够很好地应用于硼砂的定量检测。此外,随着硼砂浓度的增大,红光强度逐渐减弱,蓝光强度逐渐增加,复合物在980纳米激光器激发条件下的整体发光颜色明显从红光转变为蓝光,通过肉眼即可定性判断硼砂的大致浓度范围。与单一荧光峰检测方法相比,比率型荧光检测方法具有很高的准确度。

Claims (10)

1.一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法,其特征在于采用以下的步骤:
(1)前处理,将橡皮泥压成粉末状,使其在丙酮溶液中溶解,用环己烷对橡皮泥粉末进行清洗,去除95%以上的油性成分;
(2)将经前处理后的橡皮泥和去离子水混合,通过比率型荧光探针材料检测硼砂的含量;
(3)利用比率型荧光探针材料发光性能的变化检测水晶胶玩具中的硼砂含量。
2.根据权利要求1所述的一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法,其特征在于,橡皮泥前处理是将橡皮泥溶于环己烷,超声处理后,在室温下搅拌,然后滤膜过滤,最后将过滤后的产物、柠檬酸和去离子水在室温下继续搅拌,然后在烘箱中烘干。
3.根据权利要求1所述的一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法,其特征在于,去除95%以上的液体石蜡和甘油。
4.根据权利要求1所述的一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法,其特征在于,橡皮泥前处理是将橡皮泥0.1克溶于10毫升环己烷,超声10分钟后,在室温下搅拌30分钟,然后滤膜过滤,最后将过滤后的产物、2毫摩尔柠檬酸和10毫升去离子水在室温下继续搅拌30分钟,然后在60摄氏度的烘箱中烘干。
5.根据权利要求1所述的一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法,其特征在于,橡皮泥和环己烷的质量比值范围是:1: 60-80。
6.根据权利要求1所述的一种橡皮泥中硼砂含量的检测方法,其特征在于,过滤后的产物、柠檬酸和去离子水的质量比值范围是: 0.5-0.7: 3-5:800-1200;前处理后的橡皮泥、水和探针材料的质量比为1: 20: 0.4-0.7。
7.一种橡皮泥中硼砂含量检测的材料,其特征在于,分子式如下:Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3
8.根据权利要求7所述的一种橡皮泥中硼砂含量检测的材料,其特征在于Y0.6Lu1.4O2S:Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3材料存在的Tm3+蓝光能级到Cs0.7K0.3PbI3量子点的能量传递过程。
9.比率型荧光探针,其特征在于包括权利要求7所述的橡皮泥中硼砂含量检测的材料。
10.如权利要求7所述的橡皮泥中硼砂含量检测的材料的制备方法,其特征在于,通过以下步骤得到:
1)将0.6毫摩尔乙酰丙酮钇,乙酸镱,乙酸铥,乙酰丙酮镥,5-10毫升油酸,8-16毫升十八烯,在室温下加入到50毫升三颈瓶中,升温至100~150oC,并保温40-70分钟;乙酸镱,乙酸铥与乙酰丙酮镥的总摩尔量为1.4毫摩尔,其中乙酸镱的摩尔百分比为5-15%,乙酸铥的摩尔百分比为0.02-0.08%;
2)待步骤(1)中的溶液冷却至室温后,加入3-6毫摩尔硫粉,5-10毫升油胺,用机械泵将三颈瓶内抽真空5-15分钟,然后升温至100~120 oC,并保温30-60分钟,随后在氮气或氩气保护条件下,迅速升温至290-320 oC,并保温50-90分钟;
3)待步骤(2)中的溶液冷却至室温后,加入乙醇离心得到沉淀,并用乙醇:环己烷为3:1的混合液洗涤产物,然后于40 ~80 OC烘干后得到Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm;
4) 将碳酸铯、碳酸钾与碘化铅以摩尔比为0.7: 0.3:1加入到油胺与十八烯(体积比为1:2,总体积为3-6毫升)混合液中,在室温下研磨20-40分钟,然后用环己烷离心洗涤去除多余的溶剂,并将离心产物分散在4-8毫升聚乙二醇溶剂中;
5)将步骤(3)中所得Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm加入到步骤(4)中的聚乙二醇分散液中,在功率大于1千瓦的超声波清洗仪中超声2-6 小时,然后加入0.02-0.05毫摩尔聚丙烯酸,在室温下搅拌12-24小时,最后用环己烷与乙醇混合液离心洗涤得到Y0.6Lu1.4O2S: Yb/Tm-Cs0.7K0.3PbI3复合物。
CN202110640797.1A 2021-06-09 2021-06-09 一种橡皮泥中硼砂含量检测的材料及其制备方法和应用 Active CN113340865B (zh)

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