氧化石墨烯-聚电解质自组装膜的构建和对重金属的富集检测：QCM-D原位实验

土壤-地下水污染威胁用水安全和人民健康。石英晶体微天平 (QCM) 可发展为土壤-地下水污染的现场快速评估技术。本研究构建了氧化石墨烯 (GO) /聚电解质自组装膜改性QCM传感芯片,以提高电极选择性和灵敏度,并探究溶液离子强度和pH对重金属富集的影响。聚乙烯亚胺 (PEI) 和羧甲基壳聚糖 (CMC) 是2种水溶性高分子聚电解质,可利用其分子间静电引力层层自组装构建多层聚电解质膜,并通过QCM的频率-耗散曲线实时检测组装过程中膜质量和粘弹性的变化。研究发现在自组装过程中膜质量随组装层数呈“指数型”增加,而膜粘弹性却呈现“振荡型”变化,表明膜构象发生交替变化。带正电的PEI表面比带负电的CMC表面更利于GO负载,且负载量随膜层数增加而增加。利用电子显微镜和原子力显微镜观察到GO的沉积方式包括平面单层沉积和多向多层沉积,且膜表面呈现卷曲粗糙的形貌特征。
聚电解质膜层数影响Cu²⁺的吸附容量,其中GO负载的三层聚电解质自组装膜 (GO-PEI/CMC/PEI) 吸附容量最高,但需更长时间达到吸附平衡,80 min仍无法平衡。GO-PEI/CMC/PEI对低浓度Cu²⁺、Zn²⁺、Cd²⁺都具有较好的富集效果。 Cu²⁺的结合方式包括通过静电引力形成的可逆吸附和通过配位络合形成的不可逆吸附,且随离子强度增加,配位络合逐渐占主导。溶液pH降低导致膜内分子所带正电荷增加,可能通过静电斥力造成多层膜溶胀而暴露更多结合位点,从而增加Cu²⁺的富集量。本研究结果表明GO/聚电解质自组装膜改性芯片可提高对重金属离子的富集效果,但会受溶液离子强度和pH的影响。基于改性QCM传感芯片对污染物的富集检测需考虑溶液理化性质的影响。本研究为进一步发展QCM芯片用于原位重金属污染浓度快速检测提供有力支撑。