用于检测痕量铅离子的功能化反射结构光纤干涉传感器

赵可 刘震 刘露遥 余长源 潘竞顺 黄旭光

引用本文: 赵可, 刘震, 刘露遥, 余长源, 潘竞顺, 黄旭光. 用于检测痕量铅离子的功能化反射结构光纤干涉传感器[J]. 物理化学学报, 2024, 40(4): 230402. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304029 shu
Citation:  Ke Zhao,  Zhen Liu,  Luyao Liu,  Changyuan Yu,  Jingshun Pan,  Xuguang Huang. Functionalized Reflective Structure Fiber-Optic Interferometric Sensor for Trace Detection of Lead Ions[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2024, 40(4): 230402. doi: 10.3866/PKU.WHXB202304029 shu

用于检测痕量铅离子的功能化反射结构光纤干涉传感器

    通讯作者: 余长源,Email:changyuan.yu@polyu.edu.hk; 潘竞顺,Email:panjsh3@mail2.sysu.edu.cn; 黄旭光,Email:huangxg@scnu.edu.cn
  • 基金项目:

    深圳-香港-澳门科技计划C(SGDX2020110309520303),国家重点研发计划(2021YFB2900900)和国家自然科学基金(62105379)资助项目

摘要: 铅离子(Pb2+)是日常生活中常接触的有毒重金属污染物之一。本研究开发了一种新型反射式光纤干涉传感器,用于检测痕量铅离子。该传感器结构由单模光纤、无芯光纤和细芯光纤(TCF)依次拼接而成。TCF的包层被氢氟酸部分腐蚀并涂覆功能化的水凝胶传感膜。该传感膜选用甲基丙烯酸2-羟基乙酯(2-HEMA)作为识别单体。2-HEMA中的氧原子能与Pb2+发生配体-受体相互作用,形成“-O-Pb-O-”交联结构,从而改变TCF的新包层有效折射率。因此,可以通过观察反射光谱中光信号的变化来检测水溶液中Pb2+的浓度。所提出的传感器具有很高的检测灵敏度(1.926×109 nm∙mol−1∙L),其检测极限为4.14 ppt (1 ng∙L−1 = 1 ppt),比世界卫生组织(WHO)规定的饮用水中Pb2+ (10 ppb,1 μg∙L−1= 1 ppb)浓度低1000倍。此外,利用一个方程组实现了该传感器的温度自校准功能,成功地消除了环境温度的干扰。由于该传感器良好的特异性、稳定性以及反射式结构,非常便于实时远程检测,为环境和人类健康监测提供了广阔的前景。

English

    1. [1]

      (1) Jan, A. T.; Azam, M.; Siddiqui, K.; Ali, A.; Choi, I.; Haq, Q. M. R. Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 29592. doi: 10.3390/ijms161226183(1) Jan, A. T.; Azam, M.; Siddiqui, K.; Ali, A.; Choi, I.; Haq, Q. M. R. Int. J. Mol. Sci. 2015, 16, 29592. doi: 10.3390/ijms161226183

    2. [2]

      (2) Lentini, P.; Zanoli, L.; Granata, A.; Santo Signorelli, S.; Castellino, P.; Dell'Aquila, R. Mol. Med. Rep. 2017, 15, 3413. doi: 10.3892/mmr.2017.6389(2) Lentini, P.; Zanoli, L.; Granata, A.; Santo Signorelli, S.; Castellino, P.; Dell'Aquila, R. Mol. Med. Rep. 2017, 15, 3413. doi: 10.3892/mmr.2017.6389

    3. [3]

      (3) Lee, M.; Lee, H.; Warren, J. R.; Herd, P. SSM-Popul. Health 2022, 17, 101037. doi: 10.1016/j.ssmph.2022.101037(3) Lee, M.; Lee, H.; Warren, J. R.; Herd, P. SSM-Popul. Health 2022, 17, 101037. doi: 10.1016/j.ssmph.2022.101037

    4. [4]

      (4) Bui, L. T. M.; Shadbegian, R.; Marquez, A.; Klemick, H.; Guignet, D. Environ. Int. 2022, 166, 107354. doi: 10.1016/j.envint.2022.107354(4) Bui, L. T. M.; Shadbegian, R.; Marquez, A.; Klemick, H.; Guignet, D. Environ. Int. 2022, 166, 107354. doi: 10.1016/j.envint.2022.107354

    5. [5]

      (5) O'Meara, T.; Gibbs, E.; Thrush, S. F. Methods Ecol. Evol. 2018, 9, 245. doi: 10.1111/2041-210x.12894(5) O'Meara, T.; Gibbs, E.; Thrush, S. F. Methods Ecol. Evol. 2018, 9, 245. doi: 10.1111/2041-210x.12894

    6. [6]

      (6) Järup, L. Br. Med. Bull. 2003, 68, 167. doi: 10.1093/bmb/ldg032(6) Järup, L. Br. Med. Bull. 2003, 68, 167. doi: 10.1093/bmb/ldg032

    7. [7]

      (7) Zhang, L.; Ni, Z.; Cui, L.; Li, J.; He, J.; Jiang, Z.; Huang, X. Mar. Pollut. Bull. 2021, 173, 113153. doi: 10.1016/j.marpolbul.2021.113153(7) Zhang, L.; Ni, Z.; Cui, L.; Li, J.; He, J.; Jiang, Z.; Huang, X. Mar. Pollut. Bull. 2021, 173, 113153. doi: 10.1016/j.marpolbul.2021.113153

    8. [8]

      (8) Chaikhan, P.; Udnan, Y.; Ampiah-Bonney, R. J.; Chaiyasith, W. C. Anal. Sci. 2021, 37, 1015. doi: 10.2116/analsci.20P383(8) Chaikhan, P.; Udnan, Y.; Ampiah-Bonney, R. J.; Chaiyasith, W. C. Anal. Sci. 2021, 37, 1015. doi: 10.2116/analsci.20P383

    9. [9]

      (9) Du, X.; Liu, Y.; Wang, F.; Zhao, D.; Gleeson, H. F.; Luo, D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 22361. doi: 10.1021/acsami.1c02585(9) Du, X.; Liu, Y.; Wang, F.; Zhao, D.; Gleeson, H. F.; Luo, D. ACS Appl. Mater. Interfaces 2021, 13, 22361. doi: 10.1021/acsami.1c02585

    10. [10]

      (10) Wang, J.; Liu, Z.; Li, Y.; Yang, C.; Ma, X.; Li, H.; Sun, C. Anal. Bioanal. Chem. 2022, 414, 6581. doi: 10.1007/s00216-022-04218-w(10) Wang, J.; Liu, Z.; Li, Y.; Yang, C.; Ma, X.; Li, H.; Sun, C. Anal. Bioanal. Chem. 2022, 414, 6581. doi: 10.1007/s00216-022-04218-w

    11. [11]

      (11) Ji, J.; Wu, H.; Wang, D.; Liu, D.; Chen, X.; Feng, S. Anal. Methods 2022, 14, 643. doi: 10.1039/D1AY01852C(11) Ji, J.; Wu, H.; Wang, D.; Liu, D.; Chen, X.; Feng, S. Anal. Methods 2022, 14, 643. doi: 10.1039/D1AY01852C

    12. [12]

      (12) Pathak, P.; Hwang, J.-H.; Li, R. H. T.; Rodriguez, K. L.; Rex, M. M.; Lee, W. H.; Cho, H. J. Sens. Actuators B 2021, 344, 130263. doi: 10.1016/j.snb.2021.130263(12) Pathak, P.; Hwang, J.-H.; Li, R. H. T.; Rodriguez, K. L.; Rex, M. M.; Lee, W. H.; Cho, H. J. Sens. Actuators B 2021, 344, 130263. doi: 10.1016/j.snb.2021.130263

    13. [13]

      (13) Liu, J.; Xu, Z.; Yang, M.; Zhang, S.; Tang, A. Electroanalysis 2022, 34, 1621. doi: 10.1002/elan.202200043(13) Liu, J.; Xu, Z.; Yang, M.; Zhang, S.; Tang, A. Electroanalysis 2022, 34, 1621. doi: 10.1002/elan.202200043

    14. [14]

      (14) Amirjani, A.; Kamani, P.; Hosseini, H. R. M.; Sadrnezhaad, S. K. Anal. Chim. Acta 2022, 1220, 340030. doi: 10.1016/j.aca.2022.340030(14) Amirjani, A.; Kamani, P.; Hosseini, H. R. M.; Sadrnezhaad, S. K. Anal. Chim. Acta 2022, 1220, 340030. doi: 10.1016/j.aca.2022.340030

    15. [15]

      (15) Min, R.; Liu, Z.; Pereira, L.; Yang, C.; Sui, Q.; Marques, C. Opt. Laser Technol. 2021, 140, 107082. doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107082(15) Min, R.; Liu, Z.; Pereira, L.; Yang, C.; Sui, Q.; Marques, C. Opt. Laser Technol. 2021, 140, 107082. doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107082

    16. [16]

      (16) Shang, N.; Cheng, Y.; Ao, S.; Tuerdi, G.; Li, M.; Wang, X.; Hong, H.; Li, Z.; Zhang, X.; Fu, W.; et al. Acta Phys. -Chim. Sin. 2022, 38, 2108041. [尚念泽, 程熠, 敖申, 姑力米热, 李梦文, 王晓愚, 洪浩, 李泽晖, 张晓艳, 符汪洋, 等. 物理化学学报, 2022, 38, 2108041.] doi: 10.3866/PKU.WHXB202108041

    17. [17]

      (17) Peng, Y.; Qin, S.; Zhang, S.; Zhao, Y. Opt. Lasers Eng. 2023, 167, 107611. doi: 10.1016/j.optlaseng.2023.107611(17) Peng, Y.; Qin, S.; Zhang, S.; Zhao, Y. Opt. Lasers Eng. 2023, 167, 107611. doi: 10.1016/j.optlaseng.2023.107611

    18. [18]

      (18) Zhao, L.; Hao, S.; Chen, Y.; Zhao, E.; Xing, C.; Fan, J.; Tang, J. Opt. Laser Technol. 2023, 157, 108670. doi: 10.1016/j.optlastec.2022.108670(18) Zhao, L.; Hao, S.; Chen, Y.; Zhao, E.; Xing, C.; Fan, J.; Tang, J. Opt. Laser Technol. 2023, 157, 108670. doi: 10.1016/j.optlastec.2022.108670

    19. [19]

      (19) Kumar, S.; Singh, R.; Kaushik, B. K.; Chen, N.-K.; Yang, Q. S.; Zhang, X. IEEE Sens. J. 2019, 19, 7399. doi: 10.1109/JSEN.2019.2916818(19) Kumar, S.; Singh, R.; Kaushik, B. K.; Chen, N.-K.; Yang, Q. S.; Zhang, X. IEEE Sens. J. 2019, 19, 7399. doi: 10.1109/JSEN.2019.2916818

    20. [20]

      (20) Du, X.; Zhai, J.; Li, X.; Zhang, Y.; Li, N.; Xie, X. ACS Sens. 2021, 6, 1990. doi: 10.1021/acssensors.1c00756(20) Du, X.; Zhai, J.; Li, X.; Zhang, Y.; Li, N.; Xie, X. ACS Sens. 2021, 6, 1990. doi: 10.1021/acssensors.1c00756

    21. [21]

      (21) Chauhan, G. S.; Chauhan, S.; Sen, U.; Garg, D. Desalination 2009, 243, 95. doi: 10.1016/j.desal.2008.04.017(21) Chauhan, G. S.; Chauhan, S.; Sen, U.; Garg, D. Desalination 2009, 243, 95. doi: 10.1016/j.desal.2008.04.017

    22. [22]

      (22) Elgueta, E.; Rivas, B. L.; Mancisidor, A.; Nunez, D.; Dahrouch, M. Polym. Bull. 2019, 76, 6503. doi: 10.1007/s00289-019-02697-z(22) Elgueta, E.; Rivas, B. L.; Mancisidor, A.; Nunez, D.; Dahrouch, M. Polym. Bull. 2019, 76, 6503. doi: 10.1007/s00289-019-02697-z

    23. [23]

      (23) Li, G.; Liu, Z.; Feng, J.; Zhou, G.; Huang, X. Opt. Laser Technol. 2022, 145, 107453. doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107453(23) Li, G.; Liu, Z.; Feng, J.; Zhou, G.; Huang, X. Opt. Laser Technol. 2022, 145, 107453. doi: 10.1016/j.optlastec.2021.107453

    24. [24]

      (24) Wang, S.-Y.; Tsai, M.-H.; Lo, S.-F.; Tsai, M.-J. Bioresour. Technol. 2008, 99, 7027. doi: 10.1016/j.biortech.2008.01.014(24) Wang, S.-Y.; Tsai, M.-H.; Lo, S.-F.; Tsai, M.-J. Bioresour. Technol. 2008, 99, 7027. doi: 10.1016/j.biortech.2008.01.014

    25. [25]

      (25) Zhang, A.; Liu, Z.; Tu, Q.; Ma, Q.; Zeng, H.; Deng, Z.; Jiang, R.; Mo, Z.; Liu, J.; Xia, C.; et al. Sens. Actuators B 2022, 365, 131941. doi: 10.1016/j.snb.2022.131941(25) Zhang, A.; Liu, Z.; Tu, Q.; Ma, Q.; Zeng, H.; Deng, Z.; Jiang, R.; Mo, Z.; Liu, J.; Xia, C.; et al. Sens. Actuators B 2022, 365, 131941. doi: 10.1016/j.snb.2022.131941

    26. [26]

      (26) Wang, G.; Sun, D.; Liang, L.; Wang, G.; Ma, J. Opt. Laser Technol. 2023, 161, 109171. doi: 10.1016/j.optlastec.2023.109171(26) Wang, G.; Sun, D.; Liang, L.; Wang, G.; Ma, J. Opt. Laser Technol. 2023, 161, 109171. doi: 10.1016/j.optlastec.2023.109171

    27. [27]

      (27) Liu, Z.; Li, G.; Zhang, A.; Zhou, G.; Huang, X. Opt. Express 2021, 29, 22992. doi: 10.1364/OE.434687(27) Liu, Z.; Li, G.; Zhang, A.; Zhou, G.; Huang, X. Opt. Express 2021, 29, 22992. doi: 10.1364/OE.434687

    28. [28]

      (28) Viet Nguyen, L.; Hwang, D.; Moon, S.; Seung Moon, D.; Chung, Y. Opt. Express 2008, 16, 11369. doi: 10.1364/OE.16.011369(28) Viet Nguyen, L.; Hwang, D.; Moon, S.; Seung Moon, D.; Chung, Y. Opt. Express 2008, 16, 11369. doi: 10.1364/OE.16.011369

    29. [29]

      (29) Chen, C.; Feng, W. Opt. Laser Technol. 2022, 152, 108183. doi: 10.1016/j.optlastec.2022.108183(29) Chen, C.; Feng, W. Opt. Laser Technol. 2022, 152, 108183. doi: 10.1016/j.optlastec.2022.108183

    30. [30]

      (30) Dong, Z.; Zhang, G.; Jin, Y.; Zhou, J.; Guan, J.; Tong, Z.; Wei, Z.; Tan, C.; Wang, F.; Meng, H. Opt. Express 2022, 30, 1152. doi: 10.1364/OE.442377(30) Dong, Z.; Zhang, G.; Jin, Y.; Zhou, J.; Guan, J.; Tong, Z.; Wei, Z.; Tan, C.; Wang, F.; Meng, H. Opt. Express 2022, 30, 1152. doi: 10.1364/OE.442377

    31. [31]

      (31) Liu, S.; Meng, H.; Deng, S.; Wei, Z.; Wang, F.; Tan, C. IEEE Sens. Lett. 2018, 2, 5000904. doi: 10.1109/LSENS.2018.2849750(31) Liu, S.; Meng, H.; Deng, S.; Wei, Z.; Wang, F.; Tan, C. IEEE Sens. Lett. 2018, 2, 5000904. doi: 10.1109/LSENS.2018.2849750

    32. [32]

      (32) Huang, G.; Li, Y.; Chen, C.; Yue, Z.; Zhai, W.; Li, M.; Yang, B. J. Phys. D: Appl. Phys. 2020, 53, 325102. doi: 10.1088/1361-6463/ab89cc(32) Huang, G.; Li, Y.; Chen, C.; Yue, Z.; Zhai, W.; Li, M.; Yang, B. J. Phys. D: Appl. Phys. 2020, 53, 325102. doi: 10.1088/1361-6463/ab89cc

    33. [33]

      (33) Denizli, A.; Garipcan, B.; Karabakan, A.; Senöz, H. Mater. Sci. Eng. C 2005, 25, 448. doi: 10.1016/j.msec.2004.12.001(33) Denizli, A.; Garipcan, B.; Karabakan, A.; Senöz, H. Mater. Sci. Eng. C 2005, 25, 448. doi: 10.1016/j.msec.2004.12.001

    34. [34]

      (34) Ramos-Jacques, A. L.; Lujan-Montelongo, J. A.; Silva-Cuevas, C.; Cortez-Valadez, M.; Estevez, M.; Hernandez-Martínez, A. R. Eur. Polym. J. 2018, 101, 262. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2018.02.032(34) Ramos-Jacques, A. L.; Lujan-Montelongo, J. A.; Silva-Cuevas, C.; Cortez-Valadez, M.; Estevez, M.; Hernandez-Martínez, A. R. Eur. Polym. J. 2018, 101, 262. doi: 10.1016/j.eurpolymj.2018.02.032

    35. [35]

      (35) Tanan, W.; Saengsuwan, S. J. Environ. Chem. Eng. 2020, 8, 103469. doi: 10.1016/j.jece.2019.103469(35) Tanan, W.; Saengsuwan, S. J. Environ. Chem. Eng. 2020, 8, 103469. doi: 10.1016/j.jece.2019.103469

    36. [36]

      (36) Liu, S.; Qin, L.; Ni, Z.; Chen, M. Anal. Methods 2017, 9, 5791. doi: 10.1039/c7ay01887h(36) Liu, S.; Qin, L.; Ni, Z.; Chen, M. Anal. Methods 2017, 9, 5791. doi: 10.1039/c7ay01887h

    37. [37]

      (37) Zhang, Y.-n.; Zhang, L.; Han, B.; Gao, P.; Wu, Q.; Zhang, A. Sens. Actuators, B 2018, 272, 331. doi: 10.1016/j.snb.2018.05.168(37) Zhang, Y.-n.; Zhang, L.; Han, B.; Gao, P.; Wu, Q.; Zhang, A. Sens. Actuators, B 2018, 272, 331. doi: 10.1016/j.snb.2018.05.168

    38. [38]

      (38) Behbahani, M.; Rabiee, G.; Bagheri, S.; Amini, M. M. Microchem. J. 2022, 183, 107951. doi: 10.1016/j.microc.2022.107951(38) Behbahani, M.; Rabiee, G.; Bagheri, S.; Amini, M. M. Microchem. J. 2022, 183, 107951. doi: 10.1016/j.microc.2022.107951

    39. [39]

      (39) Knihnicki, P.; Skrzypek, A.; Jakubowska, M.; Porada, R.; Rokicińska, A.; Kuśtrowski, P.; Kościelniak, P.; Kochana, J. Molecules 2022, 27, 4608. doi: 10.3390/molecules27144608(39) Knihnicki, P.; Skrzypek, A.; Jakubowska, M.; Porada, R.; Rokicińska, A.; Kuśtrowski, P.; Kościelniak, P.; Kochana, J. Molecules 2022, 27, 4608. doi: 10.3390/molecules27144608

    40. [40]

      (40) Pereira, D.; Bierlich, J.; Kobelke, J.; Ferreira, M. S. Optics Laser Technology 2022, 156, 108540. doi: 10.1016/j.optlastec.2022.108540(40) Pereira, D.; Bierlich, J.; Kobelke, J.; Ferreira, M. S. Optics Laser Technology 2022, 156, 108540. doi: 10.1016/j.optlastec.2022.108540

    41. [41]

      (41) Chanajaree, R.; Ratanatawanate, C.; Ruangchaithaweesuk, S.; Lee, V. S.; Wittayanarakul, K. J. Mol. Liq. 2021, 343, 117629. doi: 10.1016/j.molliq.2021.117629(41) Chanajaree, R.; Ratanatawanate, C.; Ruangchaithaweesuk, S.; Lee, V. S.; Wittayanarakul, K. J. Mol. Liq. 2021, 343, 117629. doi: 10.1016/j.molliq.2021.117629

    42. [42]

      (42) Sagong, H. Y.; Son, M. H.; Park, S. W.; Kim, J. S.; Li, T.; Jung, Y. K. Anal. Chim. Acta 2022, 1230, 340403. doi: 10.1016/j.aca.2022.340403(42) Sagong, H. Y.; Son, M. H.; Park, S. W.; Kim, J. S.; Li, T.; Jung, Y. K. Anal. Chim. Acta 2022, 1230, 340403. doi: 10.1016/j.aca.2022.340403

    43. [43]

      (43) Niazy, B.; Ghasemzadeh, H.; Vanashi, A. K.; Afraz, S. React. Funct. Polym. 2022, 175, 105266. doi: 10.1016/j.reactfunctpolym.2022.105266(43) Niazy, B.; Ghasemzadeh, H.; Vanashi, A. K.; Afraz, S. React. Funct. Polym. 2022, 175, 105266. doi: 10.1016/j.reactfunctpolym.2022.105266

    44. [44]

      (44) Zhu, G.; Xiao, H.; Guo, Q.; Song, B.; Zheng, G.; Zhang, Z.; Zhao, J.; Okoli, C. P. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018, 151, 266. doi: 10.1016/j.ecoenv.2018.01.011(44) Zhu, G.; Xiao, H.; Guo, Q.; Song, B.; Zheng, G.; Zhang, Z.; Zhao, J.; Okoli, C. P. Ecotoxicol. Environ. Saf. 2018, 151, 266. doi: 10.1016/j.ecoenv.2018.01.011

    45. [45]

      (45) Megertu, D. G.; Bayissa, L. D. Environ. Sci. Pollut. Res. 2020, 27, 17175. doi: 10.1007/s11356-020-08297-z(45) Megertu, D. G.; Bayissa, L. D. Environ. Sci. Pollut. Res. 2020, 27, 17175. doi: 10.1007/s11356-020-08297-z

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  322
  • HTML全文浏览量:  27
文章相关
  • 发布日期:  2023-06-08
  • 收稿日期:  2023-04-17
  • 接受日期:  2023-05-23
  • 修回日期:  2023-05-22
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章