发光的晶体可以检测和净化被污染的饮用水

研究人员开发了一种特殊类型的发光金属有机框架，或者简称为LMOF（在中间的分子结构），其被设计用于检测和去除水中的重金属毒素。左上角，汞（Hg）被LMOF吞噬。左下角的图显示，随着LMOF将汞包裹起来，其荧光消失了。LMOF的这些特性使其可以用于检测和捕获重金属毒素。

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　　一类被设计用于检测和捕获如汞和铅等重金属毒素的微小发光晶体，将可能成为一个定位和清理受污染水源的强大的新工具。

　　受到在密歇根州弗林特和新泽西州纽瓦克的饮用水中发现高浓度重金属等公共事件的驱动，由罗格斯大学的研究人员领导的一个科学小组用劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）的强X射线探索了他们研发的晶体的结构并研究它们是如何将重金属包裹起来的。

　　该晶体就像是小型的、可重复使用的传感器和捕捉器，其也被称为发光金属有机框架，或LMOF（luminescent metal-organic frameworks）。

　　检测和捕获重金属的顶级执行者

　　根据发表在《应用材料和界面》上的最近的研究结果，该团队测试的其中一种LMOF被发现可以在30分钟内从一个重金属和轻金属的混合物中有选择地吸收超过99%的重金属。该团队报告说，没有其他的MOF可以在检测和捕捉或者“吸收”有毒重金属这种双重角色下表现得这么好。

　　伯克利实验室的科研人员Simon Teat用实验室的先进光源（ALS）的X射线研究了单个的LMOF晶体，每个晶体的大小约为100微米（百万分之一米）。利用X光射线击中LMOF样品时产生的衍射图案，Teat采用软件工具描绘了具有原子级分辨率的三维结构图。

　　ALS是世界上仅有的几个具有专门用于结晶化合物如MOF的化学晶体学研究的实验台的同步辐射X射线光源之一。

　　一切都从结构开始

　　他发现的是一个有图案的，网格状的三维结构，包括碳、氢、氧、氮和锌原子，它们构成了大的、开放的通道。这些原子尺度上的结构细节是了解LMOF如何结合重金属离子的关键，并可以帮助设计更高度专门化的结构。

　　“有了MOF，您通常会感兴趣于用这些孔来做点事情，”Teat解释说。在这个案例中，该结构使得重金属能够进入这些开放的通道并与MOF化学结合在一起。

　　他们非常开放的框架结构提供了相对于它们的尺寸来说非常丰富的表面积，这使得它们可以吸收大量的污染物。

　　该LMOF结构还通过结合荧光化学成分或配体被设计成可以发光的。“当金属与荧光配体结合的时候，框架开始发光，”Teat说。当它们与重金属相互作用时，LMOF的荧光就关闭了。

　　据领导这项研究的罗格斯大学的化学教授Jing Li说，该技术可能是一个省钱的解决方案。“其他人曾经开发过用于检测重金属或去除重金属的MOF材料，但还没人真正研究过同时完成这两项工作的MOF材料，”Li说。

　　Li补充说，同步加速器上产生的强烈的X射线是描绘MOF三维结构最好的方式，“了解晶体的结构是我们的研究最重要的方面。您需要那些结构来进行随后的表征和理解这些材料的属性。”

　　试验表明，MOF材料具有化学选择性，并可以回收

　　在他们的试验中，研究人员发现，LMOF与汞和铅强烈的结合在一起，但与在供水中存在但是不会造成同样危害的轻金属如镁和钙的结合则要弱得多。

　　Li说，这种基于LMOF分子结构的选择性的特点非常重要。“我们需要一种具有选择性的，只会吸收有害物质的MOF。”

　　该LMOF也可以回收利用。研究人员发现，在LMOF的性能退化之前，他们可以循环三次进行收集，清洗，然后再用它们来进行毒素清洁。

　　下一步做什么呢？

　　该研究指出，在高度工业化和水法规落后的地区与城市，农业社区特别容易受到地下水的污染，其如果不加以解决的话会导致土壤的污染。这可能会导致污染物被周围环境中的植物和动物吸收，加大了扩散的途径。

　　Li说，进一步的研发可能是探索成本更低、能持续更多周期的更耐用的LMOF，研究人员还可以通过将LMOF与聚合物混合起来形成固体薄膜来开发水过滤器。“这些过滤器可以用来进行大规模的清除，”她说。

　　“我们希望继续这项研究，”Li说，并补充道，如果资金允许的话，她的团队想在实际受污染的水源上测试该系统的性能。“这些都是有前景的结果，但是我们还有很长的路要走。”

　　她的团队也用伯克利实验室的ALS光源来确定了用于其他多种应用的MOF材料的晶体结构，包括用于高爆炸性物质检测；食品中毒素的检测；以及使用更便宜、更丰富的材料的用于LED的新型发光元件——或者也称为荧光粉。

　　先进光源是能源部科学办公室的一个用户设施。

　　来自达拉斯德克萨斯大学和瑞德大学的研究人员也参与了这项研究。这项工作得到了美国能源部科学办公室的资助。

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