基于沸石咪唑酯骨架-8的室内甲醛快速灵敏的检测

摘要

近年来，随着家装行业的发展，建筑材料化学或热分解过程中产生的具有急性毒性和挥发性的甲醛逐渐受到人们的重视。世界卫生组织(WHO)规定室内甲醛的安全限值下限为暴露时间30 min内平均值为80 ppb。因此，实现室内甲醛的快速灵敏检测非常重要。然而传统的甲醛检测方法（如光度分析法、电化学法、极谱法以及色谱法等）往往需要进行长时间的采样过程(至少30 min)，并且需要精密设备以及专业的人员操作。因此，这些传统方法不能满足甲醛持续性检测以及室内甲醛早期预警的要求。故发展一种快速、简便、灵敏度高的室内甲醛检测方法具有重要意义。作为一种多孔材料，金属有机骨架(MOFs)可以通过其自身的特殊框架结构与目标物发生特异性结合作用导致主体结构刚性增强，进而导致其光学性质改变。因此，MOFs已被广泛应用于传感领域。而基于MOFs与甲醛特异性结合的快速灵敏的检测方法尚未被报道。
　　本论文中，选择Zn2+合成的沸石咪唑酯骨架-8(ZIF-8)作为传感材料对室内甲醛的检测方法进行研究。选用锌离子与2-甲基咪唑水溶液在室温条件下反应合成了ZIF-8并利用扫描电子显微镜、氮气吸附-脱附、X射线衍射、热重分析及荧光分析的技术分别考察了材料的形貌结构、微孔结构、稳定性及光致发光性能;在此基础上，利用ZIF-8材料对甲醛的特异性结合力，且其结合不同浓度的甲醛会导致其本身荧光强度的改变，提出了一种基于ZIF-8材料的荧光检测方法，进而考察了该方法检测室内甲醛的灵敏性;通过分析比较室内有干扰气体（甲醇、乙醇、苯及甲苯）及甲醛单独存在这两种情况下ZIF-8材料荧光强度的差异，分析了该传感方法的抗干扰能力;采用真空加热解吸再生的方法，评价了传感材料ZIF-8的再生性能。基于材料光致发光强度的改变特性，探讨了ZIF-8材料的发光机制及传感方法的检测机理。
　　结果表明，制备的ZIF-8材料粒径约为300 nm，其热稳定温度可达500℃、比表面积及孔容分别可达731 m2/g、0.48 cm3。在最优检测条件下(检测时间为5 min)，基于ZIF-8材料的传感方法的检测信号与甲醛浓度在两个浓度范围内(分别为0-0.5 ppm和0.5-20ppm)呈现线性关系，其线性相关系数分别为0.9991和0.9819;计算得出该传感方法的检测限为0.057 ppm(3δ/s)。另外，该传感方法对室内其他干扰物（如苯，甲苯，甲醇和乙醇）基本没有响应（其对干扰物的最高响应不超过其对甲醛响应的2％），显示出良好的抗干扰性。该检测材料还表现出良好的再生性能（可以至少再生5次）。此外，推断出这种荧光增强现象是基于ZIF-8材料与甲醛羰基的特异性结合作用引起的。因此，基于ZIF-8材料的传感方法能够实现室内甲醛的快速灵敏检测。
　　这种传感机制为环境污染物的检测提供了一种新思路，并有望应用于其他环境目标物的检测过程中。

目录

声明

摘要

引言

1 绪论

1．1 甲醛检测的研究进展

1．1．1 甲醛的基本性质

1．1．2 甲醛的危害及来源

1．1．3 室内甲醛的常用分析方法

1．2 金属有机骨架材料(MOFs)的研究进展

1．2．1 MOFs材料的结构特性

1．2．2 MOFs材料的应用

1．2．3 MOFs材料的发光机制

1．2．4 基于发光MOFs材料的传感器

1．3 沸石咪唑酯骨架-8概述及其在传感领域的应用

1．4 研究背景、思路、内容和意义

1．4．1 研究背景

1．4．2 研究内容与研究路线

1．4．3 研究意义

2 实验部分

2．1 实验及仪器

2．1．1 试剂

2．1．2 仪器

2．2 ZIF-8材料的制备

2．2．1 ZIF-8(a)材料的合成

2．2．2 ZIF-8(b)材料的合成

2．3 ZIF-8材料的表征

2．4 甲醛的检测

2．4．1 实验条件的优化

2．4．2 检测方法的灵敏性

2．4．3 检测材料的再生性

2．4．4 检测方法的抗干扰性

2．4．5 光致发光检测条件

3 结果与讨论

3．1 ZIF-8材料的表征

3．1．1 扫描电镜表征

3．1．2 X射线能谱分析(EDS)

3．1．3 X射线衍射表征(XRD)

3．1．4 热重分析表征(TGA)

3．1．5 差示扫描量热表征(DSC)

3．1．6 比表面积及孔容表征(BET)

3．2 优化检测条件

3．3 检测方法的灵敏性及检测限

3．4 检测材料的再生性能研究

3．5 检测方法的抗干扰性能研究

3．6 检测方法检测机理研究

3．6．1 ZIF-8的发光机制研究

3．6．2 检测机理研究

4 结论与建议

4．1 结论

4．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢