潘丙才教授课题组在重金属络合物形态分析方向取得新进展

发布时间:2023-06-20浏览次数:10


工业废水中重金属离子通常与柠檬酸、EDTA等共存基质形成重金属-有机络合物,稳定性高且形态复杂,难以通过吸附、离子交换等常规技术高效去除。发展重金属废水深度净化技术的前提是科学认知络合态重金属的真实赋存形态。目前,重金属络合形态分析以色谱-光谱联用技术为主,包括高效液相色谱、毛细管电泳和固相萃取等分离技术和以质谱为代表的元素特征检测器。此类联用技术具有较高的精确度和灵敏度,但方法学建立较为耗时费力,仪器昂贵且需要专业技能人员,并不适合资源受限地区和现场实时监测的普及使用。发展简单、快速、灵敏的络合态重金属分析方法仍具有重要的环境意义。

近年来,基于局域表面等离子体共振效应的金纳米颗粒(Au NPs)已逐步发展成为一种简单、高效的比色探针分析技术,广泛用于重金属离子、氨基酸、农残等多领域现场分析检测。本团队前期通过在Au NPs表面接枝靶向性识别基团,进一步将比色探针的应用范围拓展至特定络合态重金属的识别检测。然而,在真实水体中,有机配体往往种类繁杂、含量不同,使得络合态重金属的赋存形式具有多样性和结构不确定性。此外,单一的纳米探针专一性识别能力很难给出待测水样的总体变量信息,也无法对相似混合物进行分类识别。迄今,构建具有分类识别重金属污染物形态的比色分析法依然面临很大挑战。

1 金纳米阵列传感器高效识别Ni(II)类络合物示意图


针对这一挑战,课题组摒弃了传统特异性纳米探针“一对一”的严格设计思想,设计一组具有交互响应的敏感探针单元组建纳米阵列传感器。阵列传感器具有快速高效、多组分同时检测和相似物区分识别等优势,理论上极适于络合态重金属混合物的辨别分析,而阵列中多元的化学/物理相互作用类型是获得高维检测活性空间的关键。基于此,课题组以电镀废水中常见的12种含Ni(II)化合物为待测模型物,优化选择N-乙酰基-L-半胱氨酸(NAC)、单磷酸腺苷(AMP)和十六烷基三丁基溴化磷(THPB)作为金纳米探针表面识别单元,进而构建比色阵列传感器。其中,NAC-Au NPsMPS-Au NPs通过表面识别单元的竞争络合与Ni(II)离子和部分弱/中等络合程度Ni(II)相互作用,THPB-Au NPs则通过静电吸引、疏水作用选择性识别难解离的强络合态Ni(II)。该阵列传感器对Ni(II)络合物呈现出不同的响应模式,通过化学统计学转化成包含所有分析物信息的特征指纹图谱,实现了系列络合结构类似、易相互干扰的Ni(II)类污染物高通量广谱性识别。水中其他常见干扰物质,如阴离子、阳离子和小分子羧酸等,几乎不影响传感器阵列选择性检出性能。通过对多种实际水体中Ni(II)络合物的检测分析并与高效液相色谱法比较,进一步证明该方法具有良好的实际应用前景。

上述研究以Engineering Nano-Au-based Sensor Arrays for Identification of Multiple Ni(II) Complexes in Water Samples为题,在线发表于环境领域知名学术期刊Environmental Science & Technology (https://doi.org/10.1021/acs.est.3c02273)。课题组2021届博士陈宁怡(现为浙江工业大学教师)为该论文第一作者,共同作者包括浙江工业大学硕士研究生吴双、潘丙军教授以及南京大学杨志超博士,潘丙才教授为通讯作者。本研究得到了国家自然科学基金的资助。