ICP-MS研究太湖表层沉积物对Cd2+和Zn2+的吸附-解吸特性

前期研究发现太湖过滤水和表层沉积物中Zn含量最高,且表层沉积物中Cd存在强生态危害。因此,在优化实验条件下,以电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)为分析手段研究了太湖苏州湾大桥东表层沉积物(标记为SES)对Cd2+和Zn2+的吸附-解吸特性。吸附动力学结果表明：SES对Cd2+和Zn2+的吸附能力相差不大,在吸附时间t<120 min时,吸附是一个快速阶段,而当t≥120 min时则相反,吸附趋于动态平衡;Cd2+和Zn2+的吸附更符合伪二级动力学模型。吸附热力学实验表明,沉积物对Cd2+的吸附更符合Freundlich模型,而对Cd2+的吸附更符合Langmuir模型。沉积物中Cd2+和Zn2+的解吸动力学研究发现,二者均更符合Elovich方程,为非均相扩散过程。且当pH值增大时,沉积物中Cd2+和Zn2+的解吸量逐渐减小,并在pH=9时趋于稳定。结合Cd2+和Zn2+的吸附-解吸特性发现,SES对Cd2+和Zn2+的吸附速率远远大于其解吸速率,与作者前期研究结果一致。揭示了太湖表层沉积物对Cd2+和Zn2+的吸附-解吸作用机理及不同因素对吸附-解吸行为的影响。对研究太湖固-液两相界面重金属的分配和污染水体修复具有重要指导意义。     

ICP-MS研究黄河河曲段表层沉积物对Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的吸附-解吸特性

表层沉积物易于富集和释放水中重金属,是污染水体中重金属的源和汇,研究表明黄河河曲段水体中Pb和Cr重金属污染严重。以电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)为检测手段,研究了在优化实验条件下,黄河河曲段表层沉积物对Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)的吸附特性和解吸特性。结果表明：黄河河曲段沉积物对Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)具有较强的吸附作用,在吸附初始5 min时吸附率均达到98%以上,且是自发的吸热过程(ΔG<0,ΔH>0)。动力学实验显示,两种离子的吸附过程均符合准二级吸附动力学。等温吸附方程拟合发现,Pb(Ⅱ)的吸附符合Langmuir模型,而Cr(Ⅵ)的吸附符合Freundlich模型。解吸过程符合Elovich方程,且受pH的影响较大。Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)二元体系竞争效应研究表明,Pb(Ⅱ)的吸附率大于Cr(Ⅵ),且均低于单离子吸附率。扫描电子显微镜(SEM)和孔径及比表面积分析显示,黄河河曲段表层沉积物表面结构不规则,且具有相对较高比表面积。该研究揭示了Pb(Ⅱ)和Cr(Ⅵ)在黄河河曲段沉积物上的吸附-解吸行为,对评估沉积物污染风险和污染修复、掌握重金属离子与沉积物之间的作用机理具有一定指导意义。     

氧化偶氮苯双席夫碱化合物对Cu~(2+)的比色识别

为得到简便地识别Cu~(2+)的传感器,设计合成了氧化偶氮苯双席夫碱化合物。采用紫外吸收光谱法研究了化合物对Cu~(2+)的配合作用及对As~(3+)、Mo~(6+)、Mn~(2+)、Zn~(2+)、Fe~(3+)、Pb~(2+)、Al~(3+)、Hg~(2+)、Ni~(2+)、Pt~(4+)、Mg~(2+)、Be~(2+)、Sr~(2+)、Cs+、Os4+、Cd~(2+)、Se~(4+)、Cr~(6+)、Co~(2+)、Rb+、Ba~(2+)、V6+、Ca~(2+)等23种金属离子的干扰作用。采用等摩尔的连续变化法(Job-plot),研究了化合物与Cu~(2+)形成配合物的配比。用红外光谱法研究了配合机理。同时研究了在EDTA存在时,化合物对Cu~(2+)的"off-on"性质。结果表明,合成的化合物具有大共轭体系,结构新颖且稳定。化合物可以克服23种金属离子的干扰,对Cu~(2+)的选择性很高。化合物与Cu~(2+)形成1∶1型强发光配合物,可以达到比色(裸眼)识别。在1.32~13.0μmol·L~(-1)范围内,化合物紫外光谱吸光度值与Cu~(2+)浓度呈现良好的线性关系,线性范围宽,最低检出限为2.6×10-7mol·L~(-1)。在EDTA存在时,该配合物释放出Cu~(2+),表现出对Cu~(2+)的"off-on"模式,红外光谱法研究明确了化合物与Cu~(2+)的结合位点。研究结果表明,所合成的氧化偶氮苯双席夫碱化合物可以对Cu~(2+)实现简便易行的比色(裸眼)识别。     

一种新型荧光探针的合成及其对Cu~(2+)的选择性识别

设计并合成能用于识别铜离子的荧光探针N′-(喹啉-2-亚甲基)-7-二乙胺基-3-甲酰肼-香豆素(FKBA),通过质谱、红外光谱、元素分析、~1 H NMR、~(13) C NMR等方法对该荧光探针FKBA进行表征;采用荧光光谱法和紫外-可见光谱法对FKBA与金属离子的相互作用进行了研究。结果表明FKBA对Cu~(2+)有良好的选择性和灵敏度。向含有FKBA的溶液中加入Cu~(2+),其吸收峰发生红移,且强度增大。而向该溶液中,加入Al ~(3+),Ag~+,Ba~(2+),Cd~(2+),Ca~(2+),Co~(3+),Fe~(3+),Cr~(3+),Hg~(2+),Mg~(2+),K~+,Mn~(2+),Ni ~(2+),Na~+,Zn~(2+)和Pb~(2+)等其他16种金属离子时,FKBA的紫外吸收仅发生细微的变化。FKBA作为化学传感器对Cu~(2+)的选择性是通过与一系列与环保和生物功能相关的金属离子相互作用得到验证。FKBA中加入Cu~(2+)时,FKBA的荧光强度明显猝灭,其他16种金属离子对FKBA的荧光强度几乎没有影响。不同的金属离子分别与Cu~(2+)共存时FKBA的荧光光谱猝灭程度相同,说明FKBA具有良好的抗干扰能力。向FKBA中加入EDTA,FKBA的荧光强度得到恢复。FKBA中加入Cu~(2+),溶液颜色变成棕色,加入EDTA后又恢复到初始颜色。说明FKBA的荧光减弱不是Cu~(2+)催化FKBA分解而是FKBA与Cu~(2+)络合。在酸性环境中,FKBA的希夫碱结构不稳定,部分FKBA分解成其他的荧光物质。据IUPAC(cDL=3Sb/m)测得检测限为0.13μmol·L~(-1)。对实际样品中的Cu~(2+)浓度进行分析,表明FKBA可作为荧光传感器用于实际样品的Cu~(2+)检测。     

Y~(3+)掺杂对Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu~(2+)发光性能的影响

采用高温固相反应法制备了Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu~(2+)系列荧光粉,研究Y~(3+)离子掺入对荧光粉发光性能的影响。对于Sr Si_2O_2N_2∶Eu~(2+),Y~(3+)离子掺入主要起到稳定Eu~(2+)价态的作用,避免Eu~(2+)氧化为Eu~(3+),从而提高Sr Si_2O_2N_2∶Eu~(2+)的发光性能。对于Ca Sr Si_2O_2N_2∶Eu~(2+),Y~(3+)离子掺入除了稳定Eu~(2+)价态作用外,还能有效减小Eu~(2+)取代Ca~(2+)后晶格膨胀引起的应力,提高Eu~(2+)在晶格中的溶解度。Sr_(1-x)Ca_xSi_2O_2N_2∶Eu~(2+)(x=0,0.15,0.3,0.6,0.75,0.95)系列荧光粉中随着Ca含量的增加,共掺Y~(3+)离子对样品发光强度的提高程度也随之增加(20%~80%)。     

基于合作能量传递的Sm~(2+)离子上转换发光

报道了Sm~(2+)离子的上转换发光。在实验上证明了变价镧系离子同样可以作为上转换材料的发光中心。在近红外光的激发下,复合Ba FCl_(0.5)Br_(0.5)∶1%Sm~(2+)-Ca F_2∶1%Yb~(3+)化合物发出红色上转换发光。上转换发射光谱中位于631,644,665,689,704,729 nm的特征发射分别来自于样品中Sm~(2+)的~5D_i(i=0,1)→~7F_j(j=0,1,2)特征跃迁。根据动力学分析及光子数拟合的结果,我们将二价Sm离子的上转换过程归因于合作能量传递,即:两个同时被激发的Yb~(3+)离子合作将能量传递给一个Sm~(2+)离子。     

8-羟基喹啉螯合Cu~(2+)的密度泛函理论研究

为揭示8-羟基喹啉树脂对Cu~(2+)高选择性吸附的本质原因,采用密度泛函B3LYP方法系统研究8-羟基喹啉与Cu~(2+)配位作用方式与作用特点.能量计算结果表明去质子的8-羟基喹啉阴离子与Cu~(2+)作用最强,相互作用能最高,其次是反式8-羟基喹啉,而顺式配体作用最弱;同时,金属离子与一个配体配位所得产物LCu~(2+)与配体配位能力显著降低.轨道分析表明金属离子主要以3d轨道与配体的2p轨道重叠,且以σ成键作用为主.静电势计算结果显示去质子的8-羟基喹啉阴离子静电势最负,导致配位能力明显高于中性配体;且金属离子与配体配位后,正的静电势显著降低,由此导致与配体配位能力减弱.     

Cu~(2+)离子共掺杂的β-NaYF_4∶Yb~(3+),Er~(3+)晶体的制备与上转换发光性能的提高

采用水热法制备Cu~(2+)离子共掺杂的β-NaYF_4∶20%Yb~(3+),2%Er~(3+)上转换晶体。通过X射线衍射(XRD)及透射电子显微镜(TEM)数据分析,Cu~(2+)离子的掺杂不影响样品的晶相与形貌。通过荧光光谱观察到,随着Cu~(2+)离子的掺杂摩尔分数从0增加到40%,紫外到可见的上转换发光强度先增大再减小。在掺杂5%Cu~(2+)离子时,β-NaYF_4∶20%Yb~(3+),2%Er~(3+)晶体呈现出最大的上转换发光强度。这是因为低价态的Cu~(2+)离子掺杂导致F-空位的产生,降低了Er~(3+)离子周围晶体场的对称性,从而有利于上转换发光的增强。     

(Zn_(1-x),Mg_x)_2GeO_4∶Mn~(2+)的荧光以及长余辉发光性能

采用高温固相法制备了一系列(Zn_(1-x),Mg_x)_2GeO_4∶Mn~(2+)(0≤x≤0.25)绿色荧光粉,并研究了Mg离子对(Zn_(1-x),Mg_x)_2GeO_4∶Mn~(2+)的结构、荧光以及长余辉发光性能的影响。Mg离子取代Zn进入Zn_2GeO_4晶格,形成(Zn_(1-x),Mg_x)_2GeO_4固溶体,并产生了晶格畸变。光谱分析结果表明,样品中位于533 nm的绿色荧光源于Mn~(2+)的~4T_1(~4G)→~6A_1(~6S)跃迁。随着Mg离子浓度的增加,(Zn_(1-x),Mg_x)_2GeO_4∶Mn~(2+)样品的激发光谱出现了蓝移现象,说明Mg离子进入到Zn_2GeO_4晶格中对其晶格结构产生了影响,导致(Zn_(1-x),Mg_x)_2GeO_4的带宽发生改变。发射光谱则表明Mg离子进入Zn_2GeO_4晶格引起Mn~(2+)的~4T_1(~4G)→~6A_1(~6S)跃迁绿色荧光发光强度的增强。Zn_2GeO_4基质中的氧空位缺陷陷阱深度由于基质带宽的变化而变深,样品具有良好的长余辉发光效果。通过热释光谱分析研究了材料中缺陷陷阱的特征,进一步证实了(Zn_(1-x),Mg_x)_2GeO_4中缺陷陷阱深度发生改变。根据光谱分析结果给出了(Zn_(1-x),Mg_x)_2GeO_4∶Mn~(2+)中荧光与余辉发光的产生机理。     

半脱氨酸附载大孔型阴离子树脂富集水中微量元素

半胱氨酸(H_2L)具有巯基和氨基能和许多金属离子络合形成稳定的络合物。用H_2L和氢氧根型的D296大孔型强碱性阴离子交换树脂一起加热制得一种新型的附载树脂。在水溶液中,pH为6.5—8时能够定量吸附Cu~(2+)、Pb~(2+)、Cd~(2+)、Ni~(2+)离子,具有容易合成,容易洗脱,吸附速度快,同时试验了大量共存离子存在时对Cu~(2+)、Pb~(2+)、     

HR-ICP-MS研究黄河三个连续区域段表层沉积物中重金属污染的空间分布和季节变化

采用高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS) 和地积累指数法(I_geo) 对黄河甘肃、宁夏和内蒙古自治区连续三段表层沉积物中重金属(Cr,Pb,Cd,Cu,Zn 和 Ni)的空间分布和季节性波动(丰水期、枯水期和平水期) 以及污染状况进行系统研究分析,研究结果表明：内蒙古段三个季节中沉积物重金属含量都高于甘肃和宁夏段,同时,除Cd外,丰水期所有点的沉积物重金属含量都高于枯水期和平水期,而枯水期和平水期的重金属含量相近。I_geo结果显示丰、枯水期的Cd,Cu和Cr元素的I_geo值在内蒙古段最高,而在甘肃段最低;所有重金属的I_geo值在丰水期高于枯水期,除Cd外,都在平水期降低,而ICd_geo在平水期各采样点明显上升;丰水期的甘肃段、枯水期的甘肃和宁夏段以及平水期的所有采样点中的Pb,Zn和Ni的I_geo值都小于0,表明这些元素在这些点几乎无污染。就研究区域而言,内蒙古段的重金属含量以及生态风险最高,Cr,Cd和Cu是最具有潜在风险的三个元素;就研究季节而言,丰水期的重金属含量和潜在风险高于枯水期和平水期,可能是跟丰水期沉积物的pH和总有机碳(TOC)含量较高有关。相关性分析(CCA)用来探究重金属与pH/TOC间的关系以及重金属的潜在来源。CCA的结果表明Pb,Cu,Zn和Ni互相相关,并且这四种元素容易受到周围环境pH和TOC的影响,除此之外,Cr,Cd以及TOC 三者相关,且这两种元素受到人类活动影响较严重。该研究工作可为研究区域表层沉积物重金属在不同季节的环境行为提供有效的信息,同时,研究重金属、pH和TOC之间的相关性可有效揭示重金属的潜在来源。     

HR-ICP-MS研究丰水期黄河甘宁蒙段表层沉积物中重金属的形态分析与污染评价

为连续、系统地研究不同年份丰水期黄河甘宁蒙段表层沉积物中重金属的含量、污染状况和潜在生态风险,在前期工作的基础上,采用三级四步提取法(BCR)和高分辨电感耦合等离子体质谱(HR-ICP-MS)对2012年丰水期黄河甘宁蒙段包头浮桥(S2)、石嘴山陶乐镇(S6)和乌金峡(S9)等10个采样点水体表层沉积物中Cd,Pb,Cr,Ni,Cu,V,Co,Zn和Mn九种重金属元素进行含量测定和形态分析,并对重金属元素的污染作出评价。结果表明：各重金属元素在每个采样点分布趋势相同,平均含量顺序依次为：Mn＞V＞Zn＞Cr＞Cu＞Ni＞Pb＞Co＞Cd;表层沉积物中重金属主要以残渣态形式存在,表明重金属的生物有效性低,对环境影响较小;地积累指数法 (I_geo) 的评价结果显示Cd元素的I_geo值最高,对环境污染程度较高,其余元素对环境影响较小,其中Mn元素影响最小;富集因子法(EF)评价结果表明,Cd和Cu元素在某些采样点表现为显著富集,尤其是Cd在S5点处EF值高达4.69,表明该点处Cd受人类活动影响较为明显,其余元素均为非富集元素,这与I_geo评价结果吻合;潜在生态风险指数法(RI)表明,黄河甘宁蒙段S1,S2和S5点的RI值在150~300之间,为中等危害范畴,其余各采样点RI值均小于150,为轻微危害。研究结果为相关部门提供可信的实验数据和理论依据,也为建立该河段泥沙-污染物输移数学模型和系统研究持久性有毒污染物迁移转化规律及环境评价提供技术支撑。     

巯基化、钠化和酸化膨润土对Cu2+，Pb2+和Zn2+的吸附性能研究

基于改性膨润土可能存在的优异吸附能力,利用傅里叶变换红外光谱仪和场发射扫描电镜研究分析了巯基化、钠化及酸化三种改性膨润土对Cu2+,Pb2+和Zn2+的等温吸附与竞争吸附实验结果。研究结果表明,在单一重金属离子的等温吸附环境下,巯基化膨润土对Cu2+,Pb2+和Zn2+的吸附能力明显优于其他两种材料,且对Pb2+具有一定的吸附选择性,吸附率达到近100%;在竞争吸附环境下,三种改性膨润土对Cu2+,Pb2+和Zn2+的吸附率都有所下降,但巯基化膨润土仍旧能够保持较好的吸附能力,较其他膨润土的吸附率大约高出10%～40%;三种重金属离子的吸附量均表现为Cu2+＞Pb2+＞Zn2+,这与三种重金属离子的竞争能力、化学亲和力等大小有关;膨润土的巯基改性,步骤简单且吸附重金属的效果好,对膨润土改性及其应用具有重要意义。     

利用荷花与睡莲对沉积物中重金属的修复研究

选取水景植物荷花、睡莲对黑臭河道沉积物中重金属进行修复,用ICP-AES全谱直读电感耦合等离子发射光谱法测定沉积物、植物中重金属镉、铬、铜、镍、铅的总量与形态的量,重金属在植物中分布。结果表明：荷花对沉积物中重金属平均去除率为20.42%,睡莲为18.23%;睡莲、荷花种植后沉积物重金属形态的量呈减小趋势,经植物修复后沉积物中铬、铅、镍的主要形态为残渣态,镉、铜的主要形态为弱酸溶解态。铜、镍在睡莲中的分布特征为茎<叶<根,镉和铅为叶<茎<根,铬为茎<根<叶。铬、镍在荷花中分布为根<叶<茎, 铜为叶<根<茎,镉、铅主要积累在荷花的叶部组织。     

基于FRET机理的荧光探针的合成及其对汞离子的识别

基于FRET机理设计合成了一个包含罗丹明6G及香豆素的汞离子荧光探针Rh-6G-coumarin(RC),研究了它的光谱性能及对汞离子的识别作用。在V(C₂H₅OH)∶V(H₂O)=9∶1溶液中加入汞离子后,575 nm处荧光强度迅速增大,荧光由蓝色变为明亮的红色,同时溶液的颜色由黄色变为红色。溶液中其他金属离子,如Na⁺、K⁺、Mg²⁺、Fe²⁺、Co²⁺、Pb²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺和Cr³⁺对汞离子的荧光识别没有太大影响。该探针可在较宽的pH ( 4~10)范围内识别汞离子。光谱滴定实验表明,汞离子与RC以2∶1的计量比形成了配合物。     

铜铅离子胁迫下玉米污染程度的光谱识别

重金属铜离子(Cu2+)与铅离子(Pb2+)污染对玉米叶片光谱的影响微弱、隐蔽而难于探测。研究中设置不同浓度Cu2+, Pb2+胁迫的玉米盆栽实验,测定了玉米叶片光谱、叶片中Cu2+, Pb2+含量与叶绿素相对含量,分析了Cu2+, Pb2+污染胁迫下玉米叶片光谱响应特征,并选取480～670与670～750 nm范围来进行分析,在光谱维中定义了光谱微分差信息熵指数与在频率域中通过谐波分析提取了前三次谐波振幅(c₁, c₂与c₃)指数,并用所定义的指数探测分别受Cu2+, Pb2+胁迫玉米叶片光谱微弱差异。实验结果表明,在480～670与670～750 nm范围内,玉米叶片中重金属离子浓度越大,其光谱微分差信息熵就越大;在480～670 nm波段,谐波分解后第一谐波振幅c₁与第二谐波振幅c₂可用于识别Cu2+, Pb2+污染程度;在670～750 nm波段,第一谐波振幅c₁、第二谐波振幅c₂与第三谐波振幅c₃可用于识别Cu2+污染程度,而c₂则可以识别Pb2+污染程度,污染胁迫越大振幅越大。在480～670与670～750 nm波段内,光谱微分差信息熵与前三次谐波振幅可作为识别玉米受Cu2+, Pb2+污染胁迫程度的指数,从光谱维与频率域两种维度来识别玉米受Cu2+, Pb2+胁迫程度的方法可行,文中定义的两类指数可稳健、可靠地探测与识别玉米受Cu2+, Pb2+影响所产生的光谱微弱差异,研究结果对利用高光谱来探测植被受重金属污染胁迫程度具有一定的参考价值。     

DNA酶裂解-纳米金共振瑞利散射光谱法测定痕量Cu2+

在pH 7.0HEPES(4-羟乙基哌嗪乙磺酸)缓冲溶液中和0.19mol.L-1 NaCl存在下,单链底物DNA(SS)和酶链DNA(ES)在80℃杂交形成双链DNA(dsDNA)。Cu2+可切割dsDNA中的底物链释放出单链DNA(ssDNA),此ssDNA与金纳米粒子(NG)作用形成NGssDNA结合物不被NaCl聚集,而未保护的NG聚集形成较大粒径的聚集体(NGA),在627nm处有一个较强的共振瑞利散射峰。随着Cu2+浓度的增大,该共振瑞利散射峰降低,其降低值ΔI与Cu2+浓度在15～1 250nmol.L-1范围呈线性关系,其回归方程为ΔI=0.17c-2.3,线性相关系数为0.989 5,检出限为8nmol.L-1。据此建立了一个高灵敏、高选择性、简便测定Cu2+的共振瑞利散射光谱分析法。该法用于水样中Cu2+的检测,结果满意。