基本信息
- 项目名称：
- 重金属响应性纳米传感喷墨集成试纸制备
- 来源：
- 第十二届“挑战杯”作品
- 小类：
- 能源化工
- 大类：
- 科技发明制作B类
- 简介：
- 本项目针对目前国家对重金属防治检测上的急切需求，结合大分子自组装和喷墨打印技术，开发了一种新型的重金属响应性纳米传感喷墨集成试纸。该试纸使用简单，操作方便，绿色环保，可以对环境中重金属离子进行实时实地的可视化检测。而且同一张试纸可以同时检测多种重金属离子，打破了现有试纸检测离子的单一性。本产品现已经过多家单位试用，可以满足水质中重金属离子的定性与半定量检测，深受用户好评，展现了良好的应用前景。
- 详细介绍：
- 重金属污染问题是当今环境科学研究的重要内容，随着各产业的持续发展，重金属污染越发严重，致使全球对重金属污染及危害都十分重视和不安；尤其在中国工业发展大进程中，重金属污染更是成为“十一五”凸显的重大环境问题。党中央、国务院秉持“环保为民”的理念，决策部署一系列行动加强重金属污染防治，《重金属污染综合防治“十二五”规划》得到国务院批复，成为第一个“十二五”国家规划，可见对重金属污染的防治已迫在眉睫。对重金属污染进行防治首先需对环境中的重金属离子进行检测。但目前，我国重金属的检测能力远不能满足全国的需要，一般只有县级以上的环保部门才有专门的大型检测设备，操作复杂，需要专门的技术人员，因此检测成本大，而且不能进行现场或在线检测，及时性差。检测试纸作为一种便利的检测手段已开始应用于食品、化工、电子、污水处理工业、电镀工业、农业等行业。传统的检测试纸所用的重金属检测探针都是基于小分子的显色剂，普遍存在选择性不好、响应慢、显色色阶不明显、易迁移流失和造成环境污染等缺点，并且一张试纸只能检测一种离子，效率较低，所以迫切需要找到一种更快捷有效，绿色环保，能实时实地检测环境中重金属的方法。 本项目针对当今社会重金属离子检测的迫切性以及传统检测试纸的缺点，通过大分子自组装等高分子方法将重金属离子敏感基元引入大分子胶束中，自主设计制备了亲水性重金属检测智能型大分子纳米传感粒子，对金属离子具有高度专一识别性，且灵敏度高、稳定性好、响应快速、绿色环保。将该纳米粒子在水中直接分散调制成墨水，制备纳米传感喷墨打印墨水；然后通过喷墨打印技术将检测各重金属离子的传感墨水喷印到同一张试纸的不同位置，实现在一张试纸上集成不同金属离子的传感基元，制备了能够同时检测多种重金属离子的“JN-重金属集成检测试纸”。与大型仪器检测相比，该试纸检测具有低成本、便携操作、实时实地可视化检测的优势；与传统检测试纸相比，“JN-重金属集成检测试纸”具有检测性能优异、环保、集成化多组分检测的优势。从自组装制备重金属响应性大分子纳米传感粒子到墨水的调试，最后到喷墨打印制备集成检测试纸，我们自主研发了整个项目中的关键技术，并申请了多项专利，我们的产品具有自主知识产权。经环保局验证，本产品可以满足水质中重金属离子的检测，同时还用于多家企业生产线废水中重金属离子检测的试用，深受用户好评，展现了良好的应用前景。基于现有的研究基础，“JN-重金属集成检测试纸”有望在近期内实现工业化；基于市场分析的结果，使用“JN-重金属集成检测试纸”将带来显著的经济效益和社会效益，为环境中重金属离子的检测提供了一个方便高效的手段，推动国家的环保进程。
作品图片
作品专业信息
设计、发明的目的和基本思路、创新点、技术关键和主要技术指标
- 目的：针对检测重金属离子的重要性与迫切性以及传统检测手段的缺点，开发出一种既经济便携又绿色环保，既操作简单又检测速度快，具有能同时检测多种重金属离子功能的集成化试纸。 基本思路：1、采用接枝、大分子自组装等高分子化学方法将小分子探针大分子胶束化，制备具有检测重金属离子功能的亲水性大分子纳米传感粒子；2、将制备的纳米传感粒子在水中直接分散调制成墨水，制备纳米传感喷墨打印墨水；3、通过喷墨打印技术将检测各重金属离子的传感墨水喷印到同一张试纸的不同位置，制备本项目的产品——“JN-重金属集成检测试纸”。 创新点：1、采用接枝、大分子自组装等高分子化学方法制备了新颖的具有检测重金属离子功能的亲水性大分子纳米传感粒子，克服了小分子探针存在的众多不足，属于本项目的自主创新；2、运用喷墨打印技术将含有不同传感纳米粒子的墨水喷印到试纸的不同位置，首次实现了一张试纸同时对多种重金属离子的实时检测，打破了传统试纸检测离子的单一性，属于本项目的集成创新。 技术关键：1、运用接枝、大分子自组装等高分子化学方法制备具有检测重金属离子功能的亲水性大分子纳米传感粒子；2、喷印墨水的调制。 主要技术指标：1、定性检测：通过显色变化，能够肉眼判断被测物中重金属是否超标、哪些重金属超标，显色图案清晰明了，检测区域之间互不干扰；2、半定量检测：通过试纸颜色变化程度与标准比色卡的比对来判断重金属离子的浓度范围。
科学性、先进性
- 本项目结合大分子自组装与喷墨打印技术开发了一种新型的具有同时检测多种重金属离子功能的集成化试纸。该试纸使用简单，操作方便，可视化快速检测，可以对环境中重金属离子进行实时实地检测，而且同一张试纸可以同时检测多种重金属离子，打破了传统试纸检测离子的单一性。本项目中检测重金属离子的传感基元是我们通过接枝、自组装等高分子化学手段自主设计制备的新型重金属检测智能型高分子纳米传感粒子，对重金属离子具有高度专一识别性，且灵敏度高、稳定性好、响应快速、绿色环保。同时，本项目采用先进的喷墨打印技术作为最终产品生产的方式，能够将含有不同传感基元的墨水通过电脑控制喷印到试纸的不同位置，从而实现通过一张试纸同时检测多种不同种金属离子，而现有的重金属离子检测试纸都只有单一离子的检测效果，无法做到多组分的同时检测。通过查新，在国内公开的中文文献中，未见基于喷墨打印技术制备可同时用于多种重金属离子检测的集成传感试纸的研究及生产的公开文献报道。
获奖情况及鉴定结果
- 1、在2011年1月，通过对“基于喷墨打印技术制备的重金属离子检测集成传感试纸”（报告号201136000L080053）的查新。查新报告表明，在国内公开的中文文献中，未见基于喷墨打印技术制备可同时用于多种重金属离子检测的集成传感试纸的研究及生产的公开文献报道。（见附件） 2、惠州中京电子科技股份有限公司、昆山华新电子集团有限公司、昆山兢陆电子有限公司和苏州王氏电路板有限公司反馈产品使用报告。（见附件） 3、中国电子学会印制电路专委会的行业评价。（见附件） 4、无锡市环境监测中心站出具的监测报告。（见附件）
作品所处阶段
- 作品已进入中试阶段，中试工艺流程路线明确。
技术转让方式
- 签订了技术开发合同
作品可展示的形式
- 实物、产品、现场演示、图片、录像
使用说明,技术特点和优势,适应范围,推广前景的技术性说明,市场分析,经济效益预测
- 技术特点与优势： ①产品本身的性能优势：该产品选择性好、显色明显、稳定性好、响应快速，可以对金属离子做定性检测和半定量分析，而且一张试纸能够同时检测多种离子，这是现有的其它试纸都无法达到的；②生产工艺优势：喷墨打印简便易行，原料用量少，不会造成原料的浪费，可以高速批量化生产；③对环境保护的影响：大分子纳米传感粒子有较好的亲水性，可以直接用水做溶剂，经济环保。 适用范围：用于检测或实时监测各水域以及相关企业生产和排放污水的重金属含量情况。 市场前景与经济效益预测：该项目产品具有易于携带、便于操作、可视化、现场检测、应用范围广等特点，可以作为传统仪器检测方法的替代品，不明确精密检测是否必要时可作为“预测”工具，排除不必要的精密检测。目标产品综合制造成本低廉，符合大众要求并适合公众的消费水平，已有用户对此表现出兴趣。因此本项目制备的“JN-重金属集成检测试纸”具有广阔的市场前景。而且随着国家对重金属污染防治的力度加强，以及公众环保意识的增强，该试纸的需求力度将逐年递升。
同类课题研究水平概述
- 纵观目前已有的各种重金属离子检测技术，传统的质谱、火焰原子吸收分光光度法等技术都需要昂贵的大型仪器设备，检测费用高、操作繁琐、需要专门的分析检测人员，且不能实现实时实地检测。检测试纸因具有生产廉价、使用便携、可视化、能快速现场检测等优势，近年成为来最具活力的一块研究领域。高志贤等分别用玫瑰红酸钠和镉试剂做显色剂的制作铅和镉检测试纸，联合光电检测仪测定铅、镉，但均存在选择性差的问题。Scott等利用玫瑰红酸钠和铅的特色反应，在试纸上进行显色反应，全部测定过程需0.5-1 h，但是操作相对还是比较麻烦。 总的来说，目前报道和使用的检测试纸所用的都是一些无机的或有机小分子金属离子显色剂，普遍存在着选择性不好、显色速度慢、易迁移流失造成环境污染等缺点，在测试前往往还要加入各种掩蔽剂，样品制备以及处理步骤复杂繁琐。同时试纸的制备都是采用浸泡法，过程繁琐，比较浪费原料，而且往往需用到大量的有机溶剂，对环境造成不利的影响，不适合工业大规模的生产。并且一张试纸只能检测一种离子，效率较低，所以迫切需要开发出一种更快捷有效、操作简单、选择性好、经济环保，且能同时检测环境中多种重金属离子的检测传感试纸。作为本项目生产技术的喷墨打印技术，由于具有优异的性能在国外已较好地应用在实验科研中以及其他高科技设备的研发生产上，其中较为广泛的一块就是应用到各种传感设备的制备上，如Koji等基于喷墨打印技术的可控性在滤纸上形成具有一定几何形状的清晰的亲水图案，而后在图案区域内喷印化学传感物质制备了三类传感器，分别可用于检测pH、蛋白质以及葡萄糖，并通过制定标准曲线实现了定量检测。但在国内，这方面的应用目前尚属于新兴技术，发展较为缓慢和不足，特别是在利用喷墨打印技术制备重金属离子检测集成传感试纸这方面属于空白，在国内属于一个全新的领域。 综上，本项目采用大分子自组装等高分子手段将重金属离子敏感基元引入大分子胶束，自主研发了全新的亲水性大分子重金属检测纳米粒子探针，避免了小分子探针的各种不足，并将其成功制备成具有良好喷印性能的大分子功能性墨水，率先活用了喷墨打印技术，在一张试纸上集成不同金属离子的传感基元，首次实现了一张试纸对多种重金属离子的实时检测。
