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我院金勇教授团队在多功能光电双传感离子皮肤及重金属离子检测/吸附多功能凝胶材料研究取得最新进展

发布时间:2021年11月04日 17:28   文章来源:   浏览次数:

近日,我院金勇教授团队受到自然界生物皮肤的启发,利用少量化学物质,制备了一种具有多重监测、抗菌、自愈合、防冻功能的机致变色/机电响应的光电双传感离子皮肤(DSI-skin) (如图1所示)。相关研究成果以我院为第一单位发表在国际著名期刊《Journal of Materials Chemistry A》上题为“Highly synergistic, electromechanical and mechanochromic dual-sensing ionic skin with multiple monitoring, antibacterial, self-healing, and anti-freezing functions(2021,9,23916-23928)。我院博士研究生白龙为本文第一作者,其导师金勇教授为通讯作者。该项研究得到了国家自然科学基金及四川省科技支撑计划等项目的资助。


1. 具有多重监测、抗菌、自愈合、防冻功能的机致变色/机电响应的光电双传感离子皮肤(DSI-skin)

DSI-skin仿生离子皮肤在含有羧酸根的水凝胶三维网络中,通过引入Al3+离子来赋予材料离子传导能力,并利用高取代的羟丙基纤维素(H-HPC)形成胆淄相液晶结构色赋予材料灵敏的变色能力,从而首次实现了同时光电双模式响应拉伸、压力和湿度,不仅能够通过电阻的变化显示电信号,而且可以通过调节液晶相的螺距来反映鲜艳的视觉信息,具备数字化、可视化地监控人体运动和呼气的功能。同时借助Al3+离子和H-HPC的高度协同效应,实现了快速的颜色调控(426-641nm)、出色的抗菌(Log Reduction>3.43)、自愈(85.0% efficiency)和抗冻(-15℃)等功能特性。这些实用的功能延长了材料使用寿命,扩大了其在许多领域的实际应用。该研究结果将为高性能仿生皮肤、可穿戴设备和生物传感器制造提供必要的设计指导。

研究团队还针对有毒重金属离子(特别是重金属镉离子和铅离子)引起的水污染问题,利用皮革领域常见的明胶以及生物源硫辛酸作为原料,并结合功能化修饰石墨烯量子点荧光纳米材料研制了一类可同时用于裸眼和荧光双模式检测及吸附处理水体中镉离子和铅离子的多功能凝胶材料(P(TA-MBA-GQDs)/Ge DN凝胶)(如图2所示),具有自愈能力、可加工再生能力、生物降解性和生物相容性。相关研究成果以我院为第一单位发表在国际著名期刊《Chemical Engineering Journal》上题为“Tailoring multifunctional gel for sensitive naked-eye and fluorescence dual-mode detection and effective adsorption of cadmium (Ⅱ) and lead (Ⅱ) ions in water(2022,429:132367)。我院博士研究生赖双权为本文第一作者,其导师金勇教授为通讯作者。该项研究也得到了国家自然科学基金及四川省科技支撑计划等项目的资助。


2. P(TA-MBA-GQDs)/Ge DN多功能凝胶可同时灵敏进行裸眼/荧光双模式检测并高效吸附镉、铅离子

研究团队通过精心的设计,利用甲基丙烯酸缩水甘油酯对课题组先前所报道过的石墨烯量子点进行了功能化修饰以利于其能够稳定地共价交联固定到凝胶基材中,并通过合理的选择生物质明胶和生物源硫辛酸作为双重网络构建了如上图所述的凝胶材料。该凝胶在吸附镉离子/铅离子后,石墨烯量子点的荧光会出现相应的增强/猝灭,而明胶的荧光却不会发生明显的改变,致使凝胶在吸附镉离子/铅离子后会呈现出青色至黄绿色/蓝紫色的荧光颜色转变并伴随明显的荧光强度变化,从而首次实现了同时灵敏裸眼/荧光双模式检测镉离子和铅离子,对镉离子和铅离子的检测线性范围可控制在0.02-0.24 μmoL之间。同时,由于含有大量的活性吸附位点,该凝胶还能够有效的吸附水中的镉离子和铅离子,最大吸附容量分别可达194.553259.067 mg/g,均超过了先前报道的凝胶吸附材料。此外,该凝胶具有优异的自愈能力、可再加工性、生物降解性和生物相容性,在实际应用中可延长其使用寿命并可防止其在弃用时造成二次污染。本研究不仅为同时灵敏检测和有效去除水中的镉离子和铅离子开发了一个多功能平台,而且为未来研究制备用于监测和净化重金属污染水的多功能材料提供了一种创新性设计策略。

 

论文链接:

  1. https://pubs.rsc.org/en/Content/ArticleLanding/2021/TA/D1TA06798B

  2. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1385894721039450#f0050




 

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