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功能化单孔和多孔材料在重金属离子检测中的应用进展

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张财华等

摘要：随着微纳米加工技术的革新，仿生单纳米孔通道在重金属离子的检测应用中也开始显示出潜力。本文综述了近十年来基于单孔和多孔材料在重金属离子检测方面的应用。主要介绍了应用最广泛的介孔硅材料，并对其它一些多孔材料做了介绍：包括金属氧化物多孔材料，金属配体超分子有序结构，多孔碳材料，多孔高分子聚合物和多孔粘土。最后，对该领域未来的研究内容和方向进行了展望。

关键词：多孔材料；单纳米孔通道；重金属离子；电化学法；光学检测法；评述

1引言

随着工业的发展、城市污染的加剧和农用化学物质种类、数量的增加，土壤受重金属离子的污染日益严重。据我国农业部进行的全国污水灌区调查，在约140万公顷的污水灌区中，遭受重金属污染的土地面积占污水灌区面积的64.8%，其中轻度污染的占46.7%，中度污染的占9.7%，严重污染的占8.4%。土壤一旦遭受重金属污染就很难恢复，这些重金属元素在过量情况下有较大的生物毒性，并可通过食物链对人体健康带来威胁。因此，对环境污染进行跟踪监测，提出预防或减轻不良环境影响的对策和措施有重要意义。

多孔材料主要包括碳、金属氧化物、二氧化硅材料、聚合物等。根据孔径大小，可将多孔材料分为微孔（孔径2nm）、介孔（2nm孔径50nm）、大孔（孔径50nm）[1]。在重金属离子的检测中，一般以多孔材料作为支架修饰上金属离子响应的探针分子，通过金属离子与探针分子作用而提供信号。多孔材料具有高的特异性表面积和开孔结构，其孔结构有利于探针分子的固定，特异性表面可以提高探针分子的接触面有利于提高金属离子的吸附和扩散。单纳米孔通道主要包括蛋白质纳米通道，玻璃纳米通道，聚合物薄膜纳米通道等。根据纳米孔道形状可分为直型纳米孔和锥形纳米孔，并相应通过电阻脉冲法和离子整流法检测金属离子。

近年来，利用功能化多孔和单孔仿生材料对环境重金属离子的检测引起广泛关注。为了提高检测的灵敏度和选择性，实现快速响应和重复利用，研究人员做了大量工作。本文主要对这一领域近十年的发展进行了综述，重点介绍了介孔硅材料，制备简单，且容易进一步功能化，即可以结合电极运用电化学方法选择性地检测不同重金属离子，也可以结合光学检测方法高灵敏的分析目标对象，并对其它一些材料做了简单介绍。

2应用介孔氧化硅材料检测重金属离子

2.1介孔硅的制备

典型介孔硅材料的合成材料包括硅源，碱或酸，表面活性剂，水。首先将表面活性剂，碱或者酸加入到水中组成混合液，然后向混合液中加入硅源，反应所得到的产物通过室温陈化或水热处理后，进行洗涤，过滤等处理，最后通过化学处理或者煅烧去除表面活性剂，得到所需的介孔硅材料。

介孔硅材料的合成过程基本一致，但各种因素的不同，如硅源，表面活性剂，反应温度，时间pH值等的不同，合成介孔硅材料的结构也不同。1992年，Mobil公司的科学家[2，3]以阳离子表面活性剂为模板成功合成了M41S系列有序材料，包括六方结构的MCM41，立方结构的MCM48和层状结构的MCM51。表面积可达1000m2/g，孔径范围一般在2～10nm。1995年，密歇根州立大学Pinnavaia课题组先后合成出低有序度的HMS[4]（HexagonalMesoporoussiliea）和有序度略高的MSU[5]（Michiganstateuniversity）系列材料。1998年，Zhao等[6]合成出孔径更大的SBA15系列，其孔径可达30nm。1999年，人们相继合成出PMOs（Periodicmesoporousorganosilicas）有机无机介孔材料[7～9]。2003年，EISafty等[10]以Brij56为模板合成出HOM（HighlyOrderedMesoporousSiliea）系列介孔材料。该方法制备简单，快速，孔径大且热稳定性好。介孔硅材料具有高的表面积、可调节的孔径和表面特性等广泛用于重金属离子的检测，检测方法主要包括电化学法和光学检测法。

2.2电化学检测法

电化学检测法多用溶出伏安法，该方法有很高的灵活性，广泛应用于重金属离子的检测。这个方法包括两个阶段：（1）电解富集，即在开路状态下将电极浸入到金属离子的溶液中，使金属离子电解析出到电极上；（2）电化学溶出，即将原先沉积在电极上的金属又重新氧化为离子状态回到溶液中。在电位扫描过程中记录iE伏安曲线，每一个金属离子对应一个电流峰，峰高与被测离子的浓度成正比，据此进行定量分析。影响电化学方法的灵敏度，检出限和实用性的因素很多，如表面修饰方法的不同，介孔硅的合成条件和电极材料的选用。基于介孔硅材料的电化学传感器为制作小型化、实用化和便携式的野外重金属离子探测仪提供了相当大的空间。为此，不