设计用于检测和捕获铅和汞等重金属毒素的微小发光晶体可以证明是一种强大的新工具，可用于定位和清理受污染的水源。

　　由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的公开案例所激发，由罗格斯大学研究人员领导的科学团队在劳伦斯伯克利国家实验室(伯克利实验室)使用强烈的X射线探索他们开发的晶体的结构，并了解它们如何与重金属结合。

　　这些晶体的功能类似于微型，可重复使用的传感器和陷阱，被称为发光金属有机框架或LMOF。

　　检测和捕获重金属的最佳表现者

　　根据应用材料和接口公布的最新结果，该团队测试的一种LMOF被发现在30分钟内从重金属和轻金属的测试混合物中选择性地吸收99%以上的汞。研究小组报告说，在检测和捕获或“吸附”有毒重金属这一双重角色中，没有其他MOF表现出色。

　　伯克利实验室的科学家Simon Teat研究了单个LMOF晶体，每个晶体测量约100微米(百万分之一米)，在实验室的高级光源(ALS)上进行X射线测量。使用衍射图案作为X射线照射LMOF样品，Teat应用软件工具以原子分辨率绘制其三维结构。

　　ALS是世界上仅有的几种同步辐射X射线光源之一，它们具有用于结晶化学化合物(如MOF)的化学晶体学研究的专用实验站。

　　这一切都始于结构

　　他发现的是一个图案化的网格状三维结构，包含碳，氢，氧，氮和锌原子，构成大而开放的通道。这些原子级结构细节是理解LMOF如何结合重金属的关键，也可以帮助设计更高度专业化的结构。

　　“对于MOF，你通常会对使用这些孔感兴趣，”Teat解释道。在这种情况下，该结构允许重金属进入这些开放通道并化学结合MOF。

　　它们非常开放的框架使MOF具有相对于其尺寸的丰富表面积，这允许它们吸收大量污染物。

　　通过掺入荧光化学成分或配体，LMOF结构被设计成发光。“当金属与荧光配体结合时，所产生的骨架发出荧光，”Teat说。当LMOF与重金属相互作用时，它们的荧光会关闭。

　　据领导这项研究的罗格斯大学化学教授李静介绍，这项技术可以成为省钱的解决方案。“其他人已经开发了用于检测重金属或去除重金属的MOF，但之前没有人真正研究过这两种重金属，”Li补充道。

　　在同步加速器产生的强烈X射线是映射MOF三维结构的最佳方式，Li说，“了解晶体结构是我们研究中最重要的一个方面。你需要那些才能进行随后的特征描述以及了解这些材料的特性。“

　　测试显示MOF具有化学选择性，可回收利用

　　在他们的测试中，研究人员发现，LMOFs与汞和铅强烈结合，但与较轻的金属(如镁和钙)结合较弱，这些金属也存在于供水中，但不会造成同样的危害。

　　李说，基于LMOF的分子构成，这种选择性特征很重要。“我们需要一个有选择性的MOF，只会采取有害物种。”

　　LMOF也可以回收利用。研究人员发现，在性能开始降低之前，他们可以收集，清洁，然后再使用LMOF进行三个循环的有毒清洁。

　　下一步是什么?

　　该研究指出，工业化程度较高的地区，有过时水量规定的城市和农业社区可能特别容易受到地下水污染，如果不加以解决，可能导致土壤污染。这可能导致污染物被周围环境中的植物和动物吸收，从而拓宽了暴露途径。

　　李说，进一步的研发可以探索更低成本，更耐用的LMOF，可以持续更多的周期，研究人员也可以通过将LMOF与聚合物混合来制造固体薄膜，从而开发水过滤器。“这些过滤器可以用于更大规模的捕获，”她说。

　　“我们希望继续这项研究，”李说，并补充说，如果资金到位，她的团队希望测试系统在实际污染水源上的表现。“这些都是有希望的结果，但我们还有很长的路要走。”

　　她的团队还使用伯克利实验室的ALS来确定MOF的晶体结构，用于各种其他应用，包括高爆炸药检测; 食品中的毒素检测; 用于LED的新型发光元件，称为荧光粉，包含更便宜，更丰富的材料。

　　Advanced Light Source是DOE科学用户设施办公室。

　　德克萨斯大学达拉斯分校和骑士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支持。