淺談重金屬離子印跡技術(shù)

1、    淺談重金屬離子印跡技術(shù)    徐雅琦摘 要：離子印跡技術(shù)作為分子印跡技術(shù)的一個重要分支，在水體重金屬離子污染分析及處理等環(huán)節(jié)中可以起到良好的作用，其具有傳統(tǒng)重金屬離子的檢測技術(shù)不具備的制備簡單、識別性能強、檢測速率快、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特性。本文中，筆者在概述離子印跡技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討離子印跡聚合物的多種制備方法以及其在實際檢測中的應(yīng)用，最后對離子印跡技術(shù)未來的發(fā)展做出展望。關(guān)鍵詞：離子印跡；聚合物制備；重金屬離子：x703 ：a重金屬離子污染日益嚴重，且重金屬產(chǎn)生毒性的濃度一般都較小，不易直接檢測，以往的重金屬分析檢測方法包括原子吸收光譜法、原子發(fā)射光

2、譜法等。傳統(tǒng)的檢測方法需要對被檢測樣品進行煩瑣的預(yù)先處理，而離子印跡技術(shù)則在很大程度上改進了傳統(tǒng)檢測方法的缺陷。文中，筆者首先對離子印跡技術(shù)進行簡單概述，同時列舉了離子印跡聚合物的多種制備方法及其原理，再簡單介紹其在實際檢測中的應(yīng)用，并對金屬離子印跡技術(shù)未來的發(fā)展做出展望。1.離子印跡技術(shù)概述眾所周知，重金屬在自然界不能被降解，在自然界的重金屬離子不僅污染了大氣和土壤，而且經(jīng)由地下水等途徑進入人體，嚴重侵害人體的健康。重金屬污染源中最主要的有鉛（pb）、汞（hg）、銅（cu）、鎘（cd）和鉻（cr）等元素，除這常見的五類重金屬污染外，砷（as）的化學(xué)性質(zhì)也與重金屬元素有一定的相似性，故常常也被

3、歸入重金屬污染源類別中。鉛在石油冶煉、含鉛涂料、采礦等工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛應(yīng)用，其為一種常見的有毒重金屬，鉛以陽離子化學(xué)形態(tài)存在于自然界中，經(jīng)由食物鏈最后進入人體。鉛在人體中積累到一定的程度時，會對人體的消化系統(tǒng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成不可逆的傷害；汞是一種在常壓常溫下呈液態(tài)的金屬元素，也是一種劇毒的重金屬元素，其在自然界中會經(jīng)由水體中的微生物到魚類到人體和呼入含汞氣體兩種途徑進入人體中，進而嚴重損害了人體的呼吸道、消化道和腎臟；鎘在人體中富集后，會導(dǎo)致人體骨質(zhì)疏松同時會誘發(fā)癌癥；銅是人體必備的金屬元素，但是過量的銅離子卻嚴重侵害人體的健康。如圖1所示，當(dāng)離子與聚合物接觸時，離子會和聚合物以共價鍵或非

4、共價鍵的形式結(jié)合，形成多個作用位置，再將交聯(lián)劑加入，交聯(lián)劑的作用是將離子和聚合物的相互作用過程記憶下來，待離子和聚合物反應(yīng)完成之后，再將反應(yīng)完成之后的聚合物上的離子除去，原來的聚合物就會形成與目標(biāo)離子的三位空間模型配對的三位空間空穴，再通過對三位空穴的分析，便能很好地檢測原來的目標(biāo)離子。按照分子與功能體之間的結(jié)合方式，分子印跡技術(shù)可分為共價型、非共價型及半共價型等類型。在離子印跡技術(shù)中，大多數(shù)的金屬離子與功能體之間是通過螯合作用來結(jié)合的。螯合作用是一種由離子和某些合乎一定條件的同一多齒配位體的兩個或兩個以上配位原子鍵合成具有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的配合物的過程，相對于氫鍵，螯合作用更像是共價型的作用結(jié)合。相

5、對于非共價作用，螯合作用的配對更加穩(wěn)定，而且能通過改變外界的環(huán)境來控制配位鍵的斷裂與結(jié)合的作用速度。因此，這種離子印跡技術(shù)具有很強的可控性和穩(wěn)定性。通常離子印跡的過程分為3步，如圖1所示，第一步為金屬離子與功能單體通過螯合作用形成復(fù)合物；第二步為加入交聯(lián)劑和引發(fā)劑，形成的復(fù)合物會發(fā)生聚合反應(yīng)；第三步為采用一定的方法洗去聚合物上的金屬離子。2.離子印跡聚合物的制備方法離子印跡聚合物的制備方法是離子印跡技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)，離子印跡聚合物的制備通常以陰陽離子為模板，在保留分子印跡聚合物的特點的基礎(chǔ)上，再通過靜電、配位等式結(jié)合。2.1 本體聚合法本體聚合法是將模板離子、功能單體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑以一定的比例

6、溶解在惰性溶劑中聚合形成，本體聚合法具有工藝簡單、制備周期較短等優(yōu)點。2.2 表面印跡及其與溶膠凝膠法結(jié)合表面離子印跡技術(shù)所用到的載體的表面積很大，因此結(jié)合點在載體的表面，這有利于模板離子與載體結(jié)合，增大了離子的吸附量，并提高了離子的吸附選擇性。2.3 懸浮聚合法懸浮聚合的方法具體如下：首先將功能單體等量溶解于有機溶劑，將溶劑充分攪拌形成懸浮液，在懸浮液中加入引發(fā)劑（可引發(fā)聚合反應(yīng)），聚合后會產(chǎn)生球形的聚合物。2.4 乳液聚合法乳液聚合法與本體聚合法有一些相似點，但是又區(qū)別于本體聚合法。其具體做法為將模板離子、功能單體、交聯(lián)劑溶解在有機溶劑中，而后加入一定量的表面活性劑和引發(fā)劑，以達到聚合的目

7、的，最后聚合形成的是均勻的球形聚合物。2.5 沉淀聚合法沉淀聚合法，顧名思義，最終產(chǎn)生的聚合物會沉淀在反應(yīng)器的底部，發(fā)生聚合反應(yīng)后，聚合物是固體產(chǎn)生沉淀現(xiàn)象。3.重金屬離子印跡技術(shù)的實際應(yīng)用目前我國的經(jīng)濟正處于快速發(fā)展的階段，但是所面臨的問題也日益嚴峻，經(jīng)濟發(fā)展所帶來環(huán)境污染問題也越來越被大家所重視。重金屬污染問題在我國依然嚴重，其嚴重威脅了人類的生存與發(fā)展。如果能從源頭治理好重金屬污染問題，必能起到事半功倍的功效。自然界中的離子主要來源于工業(yè)廢水，所以如何處理工業(yè)廢水中的重金屬是解決重金屬污染的關(guān)鍵所在。離子吸附法是目前最普遍最有效的廢水重金屬處理方法，離子印跡技術(shù)可以將目標(biāo)離子進行專一的吸

8、附，對其他種類的金屬離子則吸附效果較差，能很好地針對一種重金屬離子進行吸附。因具備良好的吸附效果，離子印跡技術(shù)在工業(yè)廢水中重金屬離子處理上有著廣泛應(yīng)用。因離子印跡聚合物只對專一的重金屬離子具有良好的吸附效果，不少研究人員會直接將離子以及技術(shù)應(yīng)用于廢水中的重金屬離子的處理上，并且往往具有較好的效果。離子印跡技術(shù)還可用于確定離子印跡聚合物對目標(biāo)離子的選擇性，即檢驗?zāi)撤N離子印跡聚合物對特定離子是否具有較好的聚合效果，效果較好說明可以運用這種離子印跡聚合物處理廢水中的目標(biāo)離子。4.結(jié)語與展望雖然離子印跡方法的發(fā)展日益完善，但離子印跡方法也存在一些缺陷，如：離子印跡技術(shù)的設(shè)計往往很困難，由于某些離子的半

9、徑過小，在實際研究中往往很難尋找相對應(yīng)的功能體，還有些離子雖然是不同種類的，但是由于化學(xué)性質(zhì)相近，這些離子所帶的電荷和離子半徑具有很大的相似性，運用常見的功能單體往往不具備良好的區(qū)分性，功能體對這些相似的離子選擇性較差。為解決類似以上的兩種問題，可以選擇進一步發(fā)展新的功能單體，來應(yīng)對半徑過小的離子，或者去區(qū)分極其相似的離子。另外，離子印跡方法的相關(guān)理論也有待進一步研究和完善。離子印跡材料在化學(xué)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域已經(jīng)被廣泛運用，在離子印跡技術(shù)的發(fā)展過程中，還可以通過發(fā)展更加智能的功能單體來促進離子印跡技術(shù)的發(fā)展，例如可以發(fā)展對外界環(huán)境敏感性的功能單體，這種單體能很好地改變外界環(huán)境，以控制與離子間的

10、作用，達到智能控制的目的，促進離子印跡技術(shù)的發(fā)展。除了智能印跡材料，近年來制備納米級的印跡材料也是離子印跡技術(shù)的發(fā)展方向之一，納米級的印跡材料有助于將離子印跡技術(shù)運用于更復(fù)雜的離子處理問題上。重金屬離子印跡聚合物可用于吸附處理廢水中的重金屬離子，其工作效率高，設(shè)備相對簡單易操作，循環(huán)利用率高，這些優(yōu)點使得離子印跡技術(shù)在重金屬廢水處理領(lǐng)域中有著巨大潛力。離子印跡技術(shù)本身雖具有一定的缺陷，但通過不斷地發(fā)展，再將離子印跡技術(shù)與檢測技術(shù)相結(jié)合，可進一步提升重金屬離子檢測的精確度和靈敏度，相信未來離子印跡技術(shù)會更加完善，從而應(yīng)用于更為廣闊的領(lǐng)域。參考文獻1王玲玲，李春香，鄧月華，等.銅（）離子印跡聚合物的吸附行為及其機理研究j.冶金分析，2010，30（2）：17-22.2李艷，康永鋒，吳文惠，等.硅膠表面銅離子印跡聚合物的制備和性能研究j.化學(xué)研究與應(yīng)用，2012，24（