NML封面文章 | 智能手机摄像头检测稀土离子:一种基于介孔SiO2纳米粒子的独特平台

Mesoporous SiO2 Nanoparticles: A Unique Platform Enabling Sensitive Detection of Rare Earth Ions with Smartphone Camera

Xinyan Dai1. Kowsalya D. Rasamani1. Feng Hu1. Yugang Sun1

Nano-Micro Lett. (2018) 10:55

http://doi.org/10.1007/s40820-018-0208-2

本文亮点

1  基于介孔SiO2纳米粒子设计了一种定量测定Eu3+离子的方案。

2  Eu3+离子的高吸附容量(4730 mg/g)与带负电的介孔SiO2纳米粒子的“浓度效应”有关;1,10-菲罗啉的“天线效应”增强了Eu3+离子的光电发射。

3  即使用智能手机摄像头,Eu3+离子检测极限也可高达80 nM。

内容简介

稀土金属因其独特的性能在强磁体、光学透镜、催化剂、航空发动机、医疗设备等领域有重要应用,探索稀土元素发现新资源十分迫切。

现在广泛使用的方法主要有等离子质谱(ICP-MS)、中子活化分析(INAA)、X射线荧光(XRF)、以及拉曼光谱法等,这些方法测量程序比较繁琐,需要专门的检测环境以及昂贵的设备。因此,开发低成本、高灵敏、快速、实时监测低浓度稀土离子的方法仍然重要也具有相当的挑战性。

美国坦普尔大学(Temple University)孙玉刚教授利用智能手机摄像头开发了一种检测稀土离子浓度的低成本的耐用的方法。此方法利用介孔SiO2纳米颗粒(MSNs)表面富有大面积负电荷的特点,通过“浓度效应”实现Eu3+离子的有效静电吸附。

结果表明,初始吸附率很快(高达4025 mg/(g·min)),吸附容量也很高(70℃下高达4730 mg/g)。而且,吸附在MSNs表面的密集Eu3+离子与光灵敏的1,10-菲罗啉形成了一种复合结构,菲罗琳的“天线效应”使得有效能量从光灵敏源转移到Eu3+离子,极大增强了Eu3+离子的特征红光发射。

正是这种“浓度效应”和“天线效应”的协同作用,使得MSNs体系可在较宽的动态范围内探测稀土离子,而且即使用智能手机摄像头,其检测极限也能达到80 nM。该研究成果为探索贵重稀土资源提供了新的方法和可行性。

图文导读

1  SiO2纳米颗粒的制备

在“浓度效应”和“天线效应”协同作用下,检测稀释液中Eu3+离子的主要步骤示意图。

2  介孔SiO2纳米颗粒的表征

介孔SiO2纳米颗粒(MSNs)的TEM图像和尺寸分布直方图:其尺寸均匀,平均直径为106 nm。

3  Eu3+离子浓度的定量检测

在紫外线照射下,红色发光强度随着Eu3+浓度的增加而增加,数码照片中的发光强度可以定量分析,检测限可达82 nM。而且通过增加体积,可以进一步提高检测限,动态检测范围可在几十纳米到几十毫米。

 

作者简介

主要研究方向:

① 纳米材料合成;② 纳米加工;③ 电化学催化、电化学储能、传感。

个人主页:

https://chem.cst.temple.edu/sun.html

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