摘 要

随着工业的发展，重金属离子对水体的污染越来越严重。而重金属离子对人体健康及环境的危害也逐步引起人们的高度重视。为此迫切需要一种能简便、经济地测定水中重金属离子浓度的方法。外界物理化学刺激能够引起响应性光子晶体带隙的变化，表现为其衍射峰位的移动，因此常被用作传感器。
本文以巯丙基三甲氧基硅烷为硅源，采用磁控组装与溶胶-凝胶技术相结合的方法制备了对重金属离子（Pb² 、Cr³ 、Cu² 、Ag 等）浓度敏感的Fe₃O₄@SiO₂光子晶体链。并采用FTIR、SEM、Tg-DSC等对光子晶体链的组成与结构进行了表征。巯基与重金属离子的络合作用引起粒子间SiO₂凝胶体积的收缩，从而导致光子链衍射峰位的蓝移。研究发现：Fe₃O₄@SiO₂光子晶体链的衍射峰移动范围与Cr³ 、Pb² 、Cu² 的浓度有良好的线性关系。Cr³ 、Pb² 、Cu² 、Ag 的检测下限分别为10^-10 mol/L、10^-9 mol/L、10^-8 mol/L、10^-8 mol/L，能够实现对重金属离子的痕迹量检测。
相比较其它检测方法，该方法具有检测下限低、检测速度快等特点，因此在重金属离子检测方面具有潜在的应用前景。

关键词：光子晶体链；检测；巯基；重金属离子

Abstract

With the development of industry, the pollution of heavy metal ions to the water body becomes more and more serious. The heavy metal ions on human health and the environment has gradually aroused people's attention. Therefore, it is an urgent need for a simple and economical method to determine the concentration of heavy metal ions in water. The external physical and chemical stimuli can induce the change of the band gap of the responsive photonic crystal, which is manifested by the movement of the diffraction peak position, it is often used as sensor.

Theγ-Mercaptopropyltrimethoxysilane as silicon source, method of combining magnetic assembly and sol-gel prepared for heavy metal ions (Pb² , Cr³ , Cu² , Ag ) is sensitive to the concentration of Fe₃O₄@SiO₂ photonic crystal chains. The composition and structure of the photonic crystal chains were characterized by FTIR, SEM and Tg-DSC. The complexation between the thiol and heavy metal ions cause the contraction of the SiO₂ gel volume, which leads to the blue shift of the diffraction peak position of the photon chain. It is found that the diffraction peak shifts of Fe₃O₄@SiO₂ photonic crystal chains have a good linear relationship with the concentration of Cr³ , Pb² and Cu² . Cr³ , Pb² , Cu² , Ag detection limit of 10^-10 mol/L, 10^-9 mol/L, 10^-8 mol/L, 10^-8 mol/L, can realize the detection of heavy metal ions trace amount.

Compared with other detection methods, this method has the characteristics of low detection limit, fast detection speed, so it has potential application prospects in the detection of heavy metal ions.

Key Words: Photonic crystal chain；detection；thiol group；heavy metal ions

目录

第1章 绪论 1

1.1 重金属危害 1

1.1.1 铬离子的危害 2

1.1.2 铅离子的危害 2

1.1.3 铜离子的危害 2

1.1.4 银离子的危害 3

1.2 重金属的检测方法 3

1.2.1 光谱法 4

1.2.2 电化学法 5

1.2.3 生物化学法 6

1.3 光子晶体 7

1.3.1 光子晶体简介 7

1.3.2 光子晶体在检测方面的应用 8

1.4 研究目的及意义 9

第2章 光子晶体链的制备及对重金属的检测 10

2.1实验部分 10

2.1.1 实验药品 10

2.1.2实验仪器 10

2.1.3 Fe₃O₄@SiO₂光子晶体链的制备 11

2.1.4 Fe₃O₄@SiO₂光子晶体链表征 11

2.1.5检测重金属 12

2.2 结果与讨论 12

2.2.1 Fe₃O₄@SiO₂光子晶体链的形成机理 12

2.2.2 微观形貌的表征 13

2.2.3 红外光谱图 13

2.2.4热重分析 14

2.2.5 磁性能 15

2.2.6光子晶体链中巯基的含量 15

2.2.7 光子晶体链的光学性能 16

2.2.8光子晶链对重金属离子的检测机理 16

2.2.9重金属离子的检测 17

2.2.9.1 Pb² 17

2.2.9.2 Cu² 18

2.2.9.3 Cr³ 19

2.2.9.4 Ag 20

第3章 结论 21

参考文献 22

致谢 25

第一章 绪论

1.1重金属危害

一般把密度在5 g/cm³以上的金属称为重金属，比较常见的有铅（Pb）、汞（Hg）、铬（Cr）、镉（Cd）、锡（Sn）、锌（Zn）、镍（Ni）、铋（Bi）、铜（Cu）、金（Au）、银（Ag)等^[1,2]。自然环境中的重金属含量不会危害人类，但随着近些年采矿、冶炼、电镀、电子、化工等行业的发展，使得水体中重金属污染越来越严重，如图1.1。自然界中，重金属只会在循环中改变自己的形态，不能够被生物降解或者分解^[3]。当重金属经过食物链在人体内富集，会与体内的一些酶发生螯合作用，抑制酶的活性，减少某些必须蛋白质的合成，影响正常的人体生理活动，造成危害。此外，重金属还能与体内的核糖、激素、维生素等反应，使人体中毒。