超支化纤维素基传感器的制备及其对铜离子的捕获和可视化检测

摘要

铜离子是生命必需的营养物质，但是铜离子在人体内过量会导致威尔逊氏病和门克斯病等各种神经退行性疾病。此外，过量的铜离子暴露在环境中还会对大气、土壤和水资源造成污染，对生态环境和食品安全构成危害，最终通过食物链富集进入人体对人体产生危害。因此，开发一种便捷、灵敏、实时的铜离子检测传感器十分必要。 本论文采用绿色环保、价格低廉的纤维素为原料，通过氧化接枝聚乙烯亚胺(PEI)采用乙醇提取和透析两种方法分别制备固体(Sensor-D)和液体（Sensor-S）两种形态的超支化纤维素基传感器(Sensor)。系统研究了超支化纤维素基传感器对水溶液、人工尿液和牛血清中外源铜离子的灵敏度、选择性和检出限，并探讨了Sensor对铜离子捕捉和可视化检测的机理。进一步，利用Sensor-S，通过循环浸渍法制备出检测试纸条并用于Cu2+的可视化半定量检测。具体的研究结果如下: (1)超支化纤维素基传感器的制备:纤维素经氧化接枝PEI，并经离心分离后得到上清液，通过乙醇提取和透析两种方式分别得到固体(Sensor-D)和液体(Sensor-S)两种形态的超支化纤维素基传感器(Sensor)。通过调控PEI用量和反应时间优化制备工艺，当PEI用量为2 g、反应时间为7h时，超支化纤维素基传感器具有最高的接枝效率，氨基含量达到10 mmol/g，对Cu2+具有最高的捕获能力，其捕获效率可达94.2％。 (2)超支化纤维素基固体传感器对铜离子的捕捉和检测:以添加外源Cu2+的水溶液、人工尿液和牛血清为模型，研究Sensor-D对Cu2+的选择性、灵敏度和检测限，研究结果表明:Sensor-D可以在30 s内检测出水溶液中的Cu2+，由自身的淡黄色变为绿色，检测限(LOD)为1.054 ppm;并且对Cu2+水溶液的最大捕捉效率达到94.2％。此外，Sensor-D可在60 s和5 min内分别检测出人工尿液和牛血清中的外源Cu2+，LOD分别为1.096 ppm和1.154ppm。Sensor-D对Cu2+的捕捉和可视化检测机理确定为:Sensor-D的氨基对Cu2+的捕捉属于化学吸附，Sensor-D与Cu2+发生螯合生成Sensor-D/Cu2+配合物，由于Sensor-D中席夫碱结构(C=N)内部的电子转移发生颜色变化。 (3)超支化纤维素基液体传感器的可视化检测及半定量分析:Sensor-S对Cu2+展现出良好的可视化检测效果。相比于Sensor-D，Sensor-S具有更高的灵敏度，可以在10s内检测出水溶液、人工尿液和牛血清中的外源Cu2+，LOD分别为1.185 ppm、1.9309 ppm和1.9154ppm。在此基础上，采用循环浸渍100次制备出检测试纸条，可以在70 s内快速识别水溶液中的Cu2+并显示绿色;同时，分别建立出与Cu2+水溶液、人工尿液和牛血清相对应的标准比色卡和线性方程，对水体中Cu2+的半定量检测显示出优的效果。 本论文制备出固体和液体两种形态的超支化纤维素基传感器，其中固态传感器兼具捕捉和检测性能;液态传感器展现出更加灵敏的检测能力。开发出准确度较高的检测试纸条可以用于Cu2+的可半定量分析。因此超支化纤维素基传感器在真实样品中铜离子的实时检测方面具有巨大的应用潜力。

目录

声明

摘要

第一章绪论

1．1铜离子及其危害

1．2铜离子的去除及研究现状

1．2．1离子交换法

1．2．2膜分离法

1．2．3化学沉淀法

1．2．4电化学法

1．2．5生物法

1．2．6吸附法

1．3铜离子检测及研究现状

1．3．1原子吸收光谱法

1．3．2电化学分析

1．3．3原子荧光光谱法

1．3．4表面等离子体共振法

1．3．5新型快速检测技术

1．4纤维素在传感领域的应用

1．5研究目的及意义

1．6．1研究内容

1．6．2创新性

第二章超支化纤维素基传感器的结构设计与合成

2．1引言

2．2实验试剂与仪器

2．3超支化纤维素基传感器的制备

2．4超支化纤维素基传感器的结构表征

2．4．1红外光谱分析(FTIR)

2．4．4扫描电镜(SEM)

2．5超支化纤维素基传感器对铜离子的检测性能

2．5结果与讨论

2．5．1超支化纤维素基传感器的制备

2．5．2超支化纤维素基传感器的微观形貌

2．5．3超支化纤维素基传感器的化学结构

2．5．4超支化纤维素基传感器对铜离子的检测性能

2．6小结

第三章超支化纤维素基固体传感器对铜离子的捕捉和可视化检测

3．1引言

3．2实验药品与仪器

3．2．1实验药品

3．2．2实验仪器

3．3实验方法

3．3．1超支化纤维素基固体传感器对铜离子的选择性

3．3．2超支化纤维素基固体传感器的灵敏度分析

3．3．3超支化纤维素基固体传感器对生物体液中铜离子的可视化检测

3．3．4检测限的测定

3．3．4超支化纤维素基固体传感器对铜离子的检测机理

3．4结果与讨论

3．4．1超支化纤维素基固体传感器对铜离子的选择性

3．4．2超支化纤维素基固体传感器的灵敏度分析

3．4．3超支化纤维素基固体传感器对生物体液中铜离子的可视化检测

3．4．4检测限的测定

3．4．5超支化纤维素基固体传感器对铜离子的检测机理

3．6小结

第四章超支化纤维素基液体传感器对铜离子的可视化检测及半定量分析

4．1引言

4．2实验药品与仪器

4．2．1实验药品

4．2．2实验仪器

4．3实验方法

4．3．1超支化纤维素基液体传感器对铜离子的选择性

4．3．2超支化纤维素基液体传感器对生物体液中铜离子的可视化研究

4．3．3超支化纤维素基液体传感器检测限的测定

4．3．4半定量分析

4．4结果与讨论

4．4．1超支化纤维素基液体传感器对铜离子的选择性

4．4．2超支化纤维素基液体传感器对生物体液中铜离子的可视化检测

4．4．3超支化纤维素基液体传感器检测限的测定

4．4．4半定量分析

4．5小结

第五章结论与展望

5．1结论

5．2展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

致谢