CN114891236B - 一种三维Co-MOF化合物及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维Co‑MOF化合物及其制备方法和应用,所述的Co‑MOF化合物的化学式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n,TCPB3‑为配体,是刚性的三元羧酸H3TCPB脱去三个质子所得,所述H3TCPB为1,3,5‑(三(1‑(4‑羧基苯基)‑1H‑吡唑‑3‑基))苯。本发明制备的化合物是以TCPB3‑为配体与Co2+离子构筑的具有三维结构的金属‑有机骨架材料。该化合物能够作为荧光探针检测Cu2+和Hg2+,当向Co‑MOF中加入Cu2+和Hg2+时,化合物的荧光强度逐渐减弱,猝灭效率可达到将近100%。且在其他金属离子干扰下,Co‑MOF仍能选择性的检测出Cu2+和Hg2+。
Description
技术领域
本发明涉及金属-有机骨架基发光材料用于环境分析技术领域,具体涉及一种三维Co-MOF化合物及其制备方法和应用。
背景技术
重金属离子是一类极具生理毒性的化学物质,例如,汞(Hg)、铜(Cu)、铁(Fe)、铅(Pb)、镉(Cd)等,这些重金属已被广泛用于各工业生产的流程中,大部分最终转化成阳离子而被排放到自然界,长期残留于环境中。这些重金属离子会在机体某些器官内蓄积,造成慢性中毒,对机体生命过程产生非常重要的影响。因此,研究高效、快速的方法和手段检测重金属离子,对保证人们的生命安全、控制环境的污染具有重要的现实意义。传统的金属离子检测方法主要有等离子体发射光谱法、电化学法、比色法、质谱法和原子吸收光谱法等,这些方法具有良好的选择性和灵敏度,但对仪器要求较高,分析成本昂贵。发光金属-有机骨架(MOFs)材料因发光位点丰富多样、发射波长范围广、稳定性优异、结构和孔道尺寸可调等优点,在近年来被用于检测小分子、离子、硝基爆炸物、挥发性有机污染物等。相较于传统的金属离子检测方法,发光MOFs材料的荧光识别与传感具有样品用量少、分析速度快、灵敏度高、选择性好、操作简单、可实时检测等特点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维Co-MOF化合物及其制备方法和应用,所述Co-MOF化合物及其合成方法简单、易结晶、合成产率高、可重现性好;其晶态材料表现出较好的荧光发射,可以形成DMA的悬浊溶液用于检测重金属离子Cu2+和Hg2+,表明其可以作为发光检测材料在环境分析技术领域得以应用。
在本发明的一个方面,本发明提出了一种三维Co-MOF化合物。根据本发明的实施例,化学通式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n,所述TCPB3-为H3TCPB脱去三个质子所得,所述H3TCPB为1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体。
另外,根据本发明上述实施例的一种Cu2+和Hg2+的荧光检测方法,还可以具有如下附加的技术特征:
在本发明的一些实施例中,所述的三维Co-MOF晶体结构中,每个TCPB3-与5个Co2+离子形成如式I所示的五齿配位模式;所述的三维Co-MOF晶体结构中,存在两种不同配位模式的Co2+离子;两种不同配位模式的Co2+离子通过配体TCPB3-的羧基连接形成了一维Co-O链,如式II所示;所述的一维Co-O链之间被五齿配体TCPB3-进一步连接形成三维的Co-MOF,
在本发明的另一方面,本发明提出了一种三维Co-MOF化合物的制备方法。根据本发明的实施例,在水热的条件下,将硝酸钴、1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体、1,4-二氧六环溶于水,然后封入反应釜中,在120-140℃下恒温72小时,反应结束后自然冷却到室温,过滤,洗涤,干燥,得到粉色长针状晶体,即为所述三维Co-MOF化合物。
另外,根据本发明上述实施例的一种三维Co-MOF化合物的制备方法,还可以具有如下附加的技术特征:
在本发明的一些实施例中,所述硝酸钴、配体1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯与1,4-二氧六环的摩尔比为(3-4):1:(353-586)。
在本发明的另一方面,本发明提出了一种Cu2+和Hg2+的荧光检测材料。根据本发明的实施例,所述检测材料为三维Co-MOF化合物,所述Co-MOF化合物的化学通式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n,所述TCPB3-为H3TCPB脱去三个质子所得,所述H3TCPB为1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1h-吡唑-3-基))苯配体。
在本发明的另一方面,本发明提出了一种Cu2+和Hg2+的荧光检测方法。根据本发明的实施例,所述方法包括以下步骤:将三维Co-MOF化合物晶态材料超声分散在二甲基乙酰胺溶液中得到Co-MOF悬浊液,将含有Cu2+或Hg2+的待处理溶液加入到Co-MOF悬浊液中振荡摇匀,利用荧光光谱仪测量混合液中Co-MOF的荧光强度与加入待测液前的荧光强度的比值,判断Cu2+或Hg2+的浓度;
其中,所述Co-MOF化合物的化学通式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n,所述TCPB3-为H3TCPB脱去三个质子所得,所述H3TCPB为1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体。
其中,所述Co-MOF悬浊液的浓度为0.5-0.8mg/mL。
另外,根据本发明上述实施例的一种Cu2+和Hg2+的荧光检测方法,还可以具有如下附加的技术特征:
在本发明的一些实施例中,所述待处理溶液中Cu2+或Hg2+浓度范围分别为0-0.004mmol/L和0-0.16mmol/L。
在本发明的一些实施例中,在含有其他金属离子的干扰下,Co-MOF仍能选择性地检测出Cu2+和Hg2+。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
1)本发明采用1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体,其具有结构刚性、电子调控能力较强、易暴露Lewis碱位点、在紫外区有强吸收的特点,成功合成三维钴金属有机骨架材料Co-MOF,其吡唑N原子未参与配位,可以作为开放性的路易斯碱识别位点用于金属离子的荧光传感识别。
2)本发明中Co-MOF化合物及其合成方法简单、易结晶、合成产率高、可重现性好。
3)其晶态材料表现出较好的荧光发射,当向Co-MOF与DMA形成的悬浊溶液中加入Cu2+和Hg2+时,化合物的荧光强度逐渐减弱,猝灭效率可达到将近100%。且在其他金属离子干扰下,Co-MOF仍能选择性的检测出Cu2+和Hg2+。表明本方法合成的三维Co-MOF在Cu2+及Hg2+检测方面具有良好的应用潜力,为其作为发光材料的进一步开发应用提供了保证。
附图说明
图1是本发明中一种三维Co-MOF化合物的配位环境图;
图2是本发明中一种三维Co-MOF化合物的一维Co-O链(a)及三维结构图(b);
图3是本发明实施例1中一种三维Co-MOF化合物的固体荧光光谱图;
图4是本发明实施例2中一种三维Co-MOF化合物对不同浓度Cu2+响应的荧光光谱图(a)及Cu2+的检测校准曲线(b);
图5是本发明实施例2中一种三维Co-MOF化合物对不同浓度Hg2+响应的荧光光谱图(a)及Hg2+的检测校准曲线(b);
图6是本发明实施例2中一种三维Co-MOF化合物在其他离子干扰下对Cu2+(a)和Hg2 +(b)的荧光检测柱状图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明基于一种三维Co-MOF化合物的化学式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n,所述TCPB3-为H3TCPB脱去三个质子所得,所述H3TCPB为1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体。
实施例1
一种三维Co-MOF化合物的制备方法,包括以下步骤:
将Co(NO3)2·6H2O(58.24mg,0.2mmol),H3TCPB(31.83g,0.05mmol)和1,4-六氧二环(2.5mL)加入到2.5mL H2O,搅拌溶解后装入15mL反应釜中。反应釜加热至140℃保持72h后缓慢冷却至室温。得到粉色长条状晶体,即为三维Co-MOF化合物。
三维Co-MOF化合物的化学通式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n,所述TCPB3-为H3TCPB脱去三个质子所得,H3TCPB为1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1h-吡唑-3-基))苯配体。基于H3TCPB计算产率为83%。所述Co-MOF化合物的晶体属于单斜晶系,空间群为P21/c,晶胞参数为β=94.4610(10)°;
基于一种三维Co-MOF化合物进一步表征,其过程如下:
(1)一种三维Co-MOF化合物的单晶结构测定
单晶数据是在室温下Bruker Smart APEX II CCD单晶衍射仪上收集,采用经石墨单色器单色化的Mo-Kα射线作入射光源,以扫描方式收集衍射点,然后通过SAINT程序进行数据还原。运用直接法先确定金属原子Co的位置,再从差傅里叶图中找出相应的C、N原子,并对他们的坐标及其各向异性热参数进行全矩阵最小二乘法修正。配体中的H原子则是通过几何加氢得到的。所有的计算使用SHELXTL程序包进行。晶体学数据和结构精修参数见表1,选择的键长和键角数据见表2。
表1一种三维Co-MOF化合物的主要晶体学数据与精修参数
用于生成等效原子的对称变换:#1 -x,y-1/2,-z+5/2 #2 x-1,-y+3/2,z-1/2 #3-x+1,y-1/2,-z+3/2 #4 -x+1,-y+2,-z+2 #5 -x+1,y+1/2,-z+3/2 #6 -x,y+1/2,-z+5/2 #7 x+1,-y+3/2,z+1/2 #8 x,-y+3/2,z+1/2。
晶体结构如图1和2所示。该化合物的不对称单元含有1.5个独立的Co2+离子,1个TCPB配体,3个配位水分子。如图1所示,Co1和Co2离子均采取六配位的八面体几何构型。其中,与Co1配位的三个O原子(O3,O3iii,O5)来自于三个不同的TCPB配体上的羧基,一个O原子(O7)来自于桥连H2O分子,剩余两个O原子(O8,O9)来自于两个端基配位水;与Co1不同,Co2离子处于晶体的反转中心,四个配体的四个羧基O(O1,O1i,O6,O6ii)原子占据平面四个顶点,两个桥连H2O中的O原子(O7,O7i)占据了八面体的轴向位置。Co-O键长的范围是与文献报道的相似。H3TCPB在结构中是五齿配体,三个羧基有三种不同的配位模式,分别为单齿配位、单原子桥连和双齿桥连。在化合物的结构中,Co1和Co2中心通过单原子桥连的羧基氧O3和桥连H2O连接生成一个一维Co-O链(图2a)。Co1-O7-Co2和Co1-O3-Co1角分别约为120.93和101.78。一维Co-O链之间被五配位的H3TCPB配体进一步连接形成三维骨架结构(图2b)。
(2)一种三维Co-MOF化合物的固体荧光性能研究
经洗涤、干燥处理后对化合物晶体样品充分研磨,在室温下进行固体发光的测试,其发射光谱如图3所示。在波长为298nm的光激发下呈现出强的发光性质,发射峰位于385nm处。其在发光材料方面具有潜在的应用。
实施例2
一种Cu2+和Hg2+的荧光检测材料,采用实施例1制备得到的Co-MOF化合物作为检测材料。
一种Cu2+和Hg2+的荧光检测方法,包括以下步骤:
(1)取3mg研磨成粉末的Co-MOF分超声分散在5mL DMA(二甲基乙酰胺)中,超声30min形成悬浮液,制成0.6mg/mL Co-MOFs荧光探针溶液。
(2)将含有Cu2+或Hg2+的待处理溶液加入到Co-MOF悬浊液中振荡摇匀,利用荧光光谱仪测量混合液中Co-MOF的荧光强度与加入待测液前的荧光强度的比值,判断Cu2+或Hg2+的浓度。
采用荧光荧光滴定实验对Co-MOFs荧光探针与Cu2+和Hg2+作用前后的荧光特性进行表征,结果如图4和图5所示。Co-MOFs荧光探针在369nm处有强的荧光发射;但当向Co-MOFs荧光探针中不断加入0.01mol/L的Cu2+或Hg2+离子溶液后,369nm处的荧光强度随着Cu2+及Hg2+离子浓度的逐渐增加而逐渐减弱。并且在较低浓度内,Cu2+(0-0.004mmol/L)、Hg2+(0-0.16mmol/L),Cu2+或Hg2+的浓度与I0/I成线性关系,符合Stren-Volmer方程I0/I=1+Ksv[M]。其中,I0和I分别表示加入Cu2+或Hg2+前后Co-MOFs荧光探针的发射强度,Ksv为猝灭常数,[M]表示Cu2+或Hg2+离子的浓度。Ksv值分别为1.2×105M-1,4.34×103M-1。
考察一种三维Co-MOF化合物在其他离子干扰下对Cu2+和Hg2+的检测。如图6所示,Co-MOF荧光探针对0.01M Cu2+和Hg2+的响应强度远远高于其他金属离子(如K+,Na+,Cd2+,Mg2 +,Ca2+,Zn2+,Pb2+,Li+,Mn2+,Ba2+,Co2+,Ni2+),表明这些金属离子均不影响对Cu2+和Hg2+的检测,表明本发明制备的Co-MOF荧光探针对Cu2+和Hg2+检测具有良好的选择性和抗干扰性。
以上内容仅仅是对本发明结构所作的举例和说明,所属本技术领域的技术人员对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代,只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围,均应属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种三维Co-MOF化合物,其特征在于:化学通式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n;其中,TCPB3-为H3TCPB脱去三个质子所得,所述H3TCPB为1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的三维Co-MOF化合物的制备方法,其特征在于:在水热的条件下,将硝酸钴、1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体、1,4-二氧六环溶于水,然后封入反应釜中,在120-140℃下恒温72小时,反应结束后自然冷却到室温,过滤,洗涤,干燥,得到粉色长针状晶体,即为所述三维Co-MOF化合物。
5.根据权利要求4所述的一种三维Co-MOF化合物的制备方法,其特征在于:所述硝酸钴、1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体与1,4-二氧六环的摩尔比为(3-4):1:(353-586)。
6.一种Cu2+和Hg2+的荧光检测材料,其特征在于:所述检测材料为三维Co-MOF化合物,所述Co-MOF化合物的化学通式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n,TCPB3-为H3TCPB脱去三个质子所得,所述H3TCPB为1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体。
7.一种Cu2+和Hg2+的荧光检测方法,其特征在于,包括以下步骤:将三维Co-MOF化合物晶态材料超声分散在二甲基乙酰胺溶液中得到Co-MOF悬浊液,将含有Cu2+或Hg2+的待处理溶液加入到Co-MOF悬浊液中振荡摇匀,利用荧光光谱仪测量混合液中Co-MOF的荧光强度与加入待测液前的荧光强度的比值,判断Cu2+或Hg2+的浓度;
其中,所述Co-MOF化合物的化学通式为[Co3(TCPB)2(H2O)6]n,TCPB3-为H3TCPB脱去三个质子所得,所述H3TCPB为1,3,5-(三(1-(4-羧基苯基)-1H-吡唑-3-基))苯配体;
所述Co-MOF悬浊液的浓度为0.5-0.8mg/mL。
8.根据权利要求7所述的一种Cu2+和Hg2+的荧光检测方法,其特征在于:所述待处理溶液中Cu2+或Hg2+浓度范围分别为0-0.004mmol/L和0-0.16mmol/L。
9.根据权利要求7所述的一种Cu2+和Hg2+的荧光检测方法,其特征在于:在含有其他金属离子的干扰下,Co-MOF仍能选择性地检测出Cu2+和Hg2+。
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GR01 | Patent grant | ||
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