کاربرد چارچوب‌های فلز-آلی نانومتخلخل بهعنوان حسگرهای شیمیایی
محورهای موضوعی : شیمی تجزیه
بهار جیحون
1
(دانشجوی دکتری شیمی معدنی، دانشکده شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران)
یگانه داودآبادی فراهانی
2
(کارشناسی ارشد نانوشیمی، دانشکده شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران)
وحید صفری فرد
3
(استادیار شیمی معدنی، دانشکده شیمی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران)
کلید واژه: تشخیص, حسگر, چارچوب‌های فلز-آلی, نانو متخلخل, محیطزیست,
چکیده مقاله :
با رشد جمعیت انسانی، فعالیت‌های روزافزون کارخانه‌ها و در پی آن افزایش انتشار آلاینده‌های زیست‌محیطی در هوا، نیاز به سنجش سریع این آلاینده ها در محیط های متفاوت بیش از هر زمانی احساس می شود. حسگرهای مبتنی بر چارچوب های فلز-آلی از نظر هزینه ساخت، سادگی روش، زمان پاسخ کوتاه و بازگشت‌پذیری مناسب گوی سبقت را از دیگرحسگرهای شیمیاییربوده‌اند و توانسته‌اند جایگاه ویژه‌ای در تشخیص آلاینده های سمی و خطرناک به‎دست آورند. این ترکیب های نانومتخلخل که با پیوند مراکز فلزی و لیگاندهای آلی از راه پیوند کوئوردیناسیونی ایجاد می شوند، به‎دلیل پایداری شیمیایی و گرمای بالا، توجه بسیاری از پژوهشگران را به خود جلب کرده اند. بهره برداری از جنبه های متفاوت تهیه و ساختاری جدید این سامانه هابه موفقیت‎های متنوعی در حوزه ویژگی شیمیایی و فیزیکی منجرشده است که بسیاری از آن ها بی سابقه هستند. چارچوب های فلز-آلی به‎دلیل داشتن ویژگی بی‎همتایی مانند اندازه بزرگ حفره ها، مساحت سطح بالا، جذب انتخاب پذیر مولکول های کوچک و پاسخ‎های نوری در حضور مولکول‌های مهمان، افق امیدبخشی در کاربرد حسگری نشان داده‎اند. در این پژوهش مروری به اصول طراحی حسگرهای چارچوب فلز-آلی و سازوکارهای حسگری این ترکیب ها پرداخته شده است.
With the growth of the human population, the increasing activities of factories, and subsequently increasing the emission of environmental pollutants in the air, the rapid measurement of these pollutants in different environments is essential more than ever. Sensors based on metal-organic frameworks have surpassed other chemical sensors in terms of construction cost, simplicity of the method, short response time, and good reversibility, and have been able to obtain a special place in the detection of toxic and hazardous pollutants. These nanoporous compounds, which are formed by the connection of metal centers and organic ligands through coordination bonding, have gathered the attention of many researchers due to their high chemical and thermal stability. The utilization of different aspects of the new synthetic and structural of this systems has led to a diverse success in the field of chemical and physical properties, many of which are unprecedented. Metal-organic frameworks have shown promising horizon in sensing applications due to having unique properties such as large sizes of cavities, high surface area, selected adsorption of small molecules and optical responses in the presence of guest molecules. In this article, we investigated the principles of the design of organic metal-framework sensors and the sensing mechanisms of these compounds.
[1] Kuppler, R.J.; Timmons, D.J.; Fang, Q.R.; Li, J.R.; Makal, T.A.; Young, M.D.; Yuan, D.; Zhao, D.; Zhuang, W.; Zhou, H.C.; Coord. Chem. Rev. 253, 3042-3066, 2009.
[2] Pandey, S.K.; Kim, K.-H.; Tang, K.T.; Trends Anal. Chem. 32, 87-99, 2012.
[3] Li, H.; Eddaoudi, M.; O'Keeffe, M.; Yaghi, O.M.; Nature 402, 276-279, 1999.
[4] Besheli, M.E.; Rahimi, R.; Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; Inorg. Chim. Acta 495, 118956, 2019.
[5] Yu, Q.; Li, Z.; Cao, Q.; Qu, S.; Jia, Q.; Trends Anal. Chem.,115939, 2020.
[6] Eddaoudi, M.; Moler, D.B.; Li, H.; Chen, B.; Reineke, T.M.; O'keeffe, M.; Yaghi, O.M.; Acc. Chem. Res. 34, 319-330, 2001.
[7] Allendorf, M.; Bauer, C.; Bhakta, R.; Houk, R.; Chem. Soc. Rev. 38, 1330-1352, 2009.
[8] Zou, R.; Abdel-Fattah, A.I.; Xu, H.; Zhao, Y.; Hickmott, D.D.; CrystEngComm 12, 1337-1353, 2010.
[9] Zhang, Y.; Yuan, S.; Day, G.; Wang, X.; Yang, X.; Zhou, H.-C.; Coord. Chem. Rev. 354, 28-45, 2018.
[10] Bao, Z.; Chang, G.; Xing, H.; Krishna, R.; Ren, Q.; Chen, B.; Energy Environ. Sci., 9, 3612-3641, 2016.
[11] Lustig, W.P.; Mukherjee, S.; Rudd, N.D.; Desai, A.V.; Li, J.; Ghosh, S.K.; Chem. Soc. Rev. 46, 3242-3285, 2017.
[12] Kumar, P.; Deep, A.; Kim, K.H.; Trends Anal. Chem. 73, 39-53, 2015.
[13] Burnett, B.J.; Barron, P.M.; Choe, W.; CrystEngComm 14, 3839-3846, 2012.
[14] Kazemi, S.; Safarifard, V.; Polyhedron154, 236-251, 2018.
[15] O’Keeffe, M.; Yaghi, O.M.; Chem. Rev. 112, 675-702, 2012.
[16] Kukkar, D.; Vellingiri, K.; Kim, K. H.; Deep, A.; Sens. Actuator B-Chem. 273, 1346-1370, 2018.
[17] Amini, A.; Kazemi, S.; Safarifard, V.; Polyhedron 114260, 2019.
[18] Chen, W.; Wang, J. Y.; Chen, C.; Yue, Q.; Yuan, H. M.; Chen, J. S.; Wang, S. N.; Inorganic Chemistry 42, 944-946, 2003.
[19] Zhao, Y.; Li, D.; J. Mater. Chem. C 8(1), 278-286, 2020.
[20] Cui, Y.; Zhu, F.; Chen, B.; Qian, G.; Chem. Comm. 51, 7420-7431, 2015.
[21] Pal, S.; Bharadwaj, P.K.; Cryst. Growth Des. 16, 5852-5858, 2016.
[22] Howarth, A.J.; Liu, Y.; Li, P.; Li, Z.; Wang, T.C.; Hupp, J. T.; Farha, O. K.; Nat. Rev. Mater. 1, 1-15, 2016.
[23] Yang, C .; Kaipa, U.; Mather, Q.Z.; Wang, X.; Nesterov, V.; Venero, A.F.; Omary, M.A.; J. Am. Chem. Soc. 133, 18094-18097, 2011.
[24] Denny, M.S.; Moreton, J.C.; Benz, L.; Cohen, S.M.; Nat. Rev. Mater. 1, 1-17, 2016.
[25] Daly, B.; Ling, J.; De Silva, A.P.; Chem. Soc. Rev. 44, 4203-4211, 2015.
[26] Chen, Y.Z.; Jiang, H.L.; Chem. Mater. 28, 6698-6704, 2016.
[27] Shustova, N.B.; Cozzolino, A.F.; Reineke, S.; Baldo, M.; Dincă, M.; J. Am. Chem. Soc. 135, 13326-13329, 2013.
[28] Wang, B.; Lv, X.L.; Feng, D.; Xie, L.H.; Zhang, J.; Li, M.; Xie, Y.; Li, J.R.; Zhou, H.C.; J. Am. Chem. Soc., 138, 6204-6216, 2016.
[29] Lakowicz, J.R. (Ed.); “Principles of Fluorescence Spectroscopy”, Springer US, Boston, 2006.
[30] Lin, S.H.; Xiao, W.Z.; Dietz, W.; Phys. Rev. E: Stat. Phys., Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip. Top. 47, 3698–3706, 1993.
[31] S.W. Thomas, G.D. Joly, T.M. Swager, Chem. Rev., 107, 1339–1386, 2007.
[32] Moore, E.G.; Samuel, A.P.; Raymond, K.N.; Acc. Chem. Res. 42, 542-552, 2009.
[33] Hu, Z.; Deibert, B.J.; Li, J.; Chem. Soc. Rev. 43, 5815-584, 2014.
[34] Pramanik, S.; Zheng, C.; Zhang, X.; Emge, T.J.; Li, J.; J. Am. Chem. Soc. 133, 4153-4155, 2011.
[35] Jia, P.; Wang, Z.; Zhang, Y.; Zhang, D.; Gao, W.; Su, Y.; Li, Y.; Yang, C.; Spectrochim. Acta A 230, 118084, 2020.
[36] Zhou, X.; Guo, X.; Liu, L.; Zhai, H.; Meng, Q.; Shi, Z.; Tai, X.; RSC Adv. 10, 4817-4824, 2020.
[37] ZHANG, Y.; Jiaxiang, L.; Xiaohan, W.; Wenquan, T.; Zhuo, L.; Anal. Chim. Acta, 2020.
[38] Ge, K.M.; Wang, D.; Xu, Z.J.; Chu, R.Q.; J. Mol. Struct. 1208, 127862, 2020.
[39] Qiao, Y.; Guo, J.; Li, D.; Li, H.; Xue, X.; Jiang, W.; Che, G.; Guan, W.; J. Solid State Chem. 290(3), 121610, 2020.
[40] Moradi, E.; Rahimi, R.; Safarifard, V.; Polyhedron 159, 251-258, 2019.
[41] Shayegan, H.; Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; J. Solid State Chem. 279,12096, 2019.
[42] Moradi, E.; Rahimi, R.; Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; J. Solid State Chem., 282, 121103, 2020.
[43] Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; J. Solid State Chem. 270, 428-435, 2019.
[44] Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; J. Solid State Chem. 275, 131-140, 2019.
[45] Khezerloo, E.; Mousavi-khoshdel, S.; Safarifard, V.; Polyhedron 166, 166-174, 2019.
[46] Chen, E.X.; Yang, H.;, Zhang, J.; Inorg. Chem. 53, 5411-5413, 2014.
[47] Yi, F.Y.; Wang, S.C.; Gu, M.; Zheng, J.Q.; Han, L.; J. Mater. Chem. C, 6, 2010-2018, 2018.
[48] Li, Y.; Zhang, S.; Song, D.; Angew. Chem. 125, 738-741, 2013.
[49] Yi, F.Y.; Chen, J.; Wang, S.C.; Gu, M.; Han, L.; Chem. Comm. 54, 8233-8236, 2018.
[50] Xu, H.; Liu, F.; Cui, Y.; Chen, B.; Qian, G.; Chem. Comm. 47, 3153-3155, 2011.
[51] Tarasi, S.; Tehrani, A.A.; Morsali, A.; Sens. Actuator B-Chem. 305, 127341, 2020.
[52] Zhong, F.; Zhang, X.; Zheng, C.; Xu, H.; Gao, J.; Xu, S.; J. Solid State Chem. 288, 121391, 2020.
[53] Hazra, A.; Bej, S.; Mondal, A.; Murmu, N.C.; Banerjee, P.; ACS Omega 5, 15949-15961, 2020.
[54] Deibert, B.J.; Li, J.; Chem. Comm. 50, 9636-9639, 2014.
[55] Cui, J.; Gao, N.; Wang, C.; Zhu, W.; Li, J.; Wang, H.; Seidel, P.; Ravoo, B.J.; Li, G.; Nanoscale 6(20), 11995-12001, 2014.
[56] Yi, F.Y.; Wang, Y.; Li, J.P.; Wu, D.; Lan, Y.Q.; Sun, Z.M.; Mater. Horiz. 2, 245-251, 2015.
[57] Qi, Z.; Chen, Y.; Biosens. Bioelectron. 87, 236-241, 2017.
[58] Ohira, S.I.; Miki, Y.; Matsuzaki, T.; Nakamura, N.; Sato, Y.K.; Hirose, Y.; Toda, K.; Anal. Chim. Acta, 886, 188-193, 2015.
[59] Yi, F.Y.; Chen, D.; Wu, M.K.; Han, L.; Jiang, H.L.; ChemPlusChem 81, 675-690, 2016.
[60] Li, Y.; Polyhedron 179, 114413, 2020.
[61] Miyata, K.; Konno, Y.; Nakanishi, T.; Kobayashi, A.; Kato, M.; Fushimi, K.; Hasegawa, Y.; Angew. Chem. International Edition 52, 6413-6416, 2013.
[62] Zhang, R.C.; Wang, J.J.; Zhang, J.C.; Wang, M.Q.; Sun, M.; Ding, F.; Zhang, D.J.; An, Y.L.; Inorg. Chem. 55, 7556-7563, 2016.
_||_[1] Kuppler, R.J.; Timmons, D.J.; Fang, Q.R.; Li, J.R.; Makal, T.A.; Young, M.D.; Yuan, D.; Zhao, D.; Zhuang, W.; Zhou, H.C.; Coord. Chem. Rev. 253, 3042-3066, 2009.
[2] Pandey, S.K.; Kim, K.-H.; Tang, K.T.; Trends Anal. Chem. 32, 87-99, 2012.
[3] Li, H.; Eddaoudi, M.; O'Keeffe, M.; Yaghi, O.M.; Nature 402, 276-279, 1999.
[4] Besheli, M.E.; Rahimi, R.; Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; Inorg. Chim. Acta 495, 118956, 2019.
[5] Yu, Q.; Li, Z.; Cao, Q.; Qu, S.; Jia, Q.; Trends Anal. Chem.,115939, 2020.
[6] Eddaoudi, M.; Moler, D.B.; Li, H.; Chen, B.; Reineke, T.M.; O'keeffe, M.; Yaghi, O.M.; Acc. Chem. Res. 34, 319-330, 2001.
[7] Allendorf, M.; Bauer, C.; Bhakta, R.; Houk, R.; Chem. Soc. Rev. 38, 1330-1352, 2009.
[8] Zou, R.; Abdel-Fattah, A.I.; Xu, H.; Zhao, Y.; Hickmott, D.D.; CrystEngComm 12, 1337-1353, 2010.
[9] Zhang, Y.; Yuan, S.; Day, G.; Wang, X.; Yang, X.; Zhou, H.-C.; Coord. Chem. Rev. 354, 28-45, 2018.
[10] Bao, Z.; Chang, G.; Xing, H.; Krishna, R.; Ren, Q.; Chen, B.; Energy Environ. Sci., 9, 3612-3641, 2016.
[11] Lustig, W.P.; Mukherjee, S.; Rudd, N.D.; Desai, A.V.; Li, J.; Ghosh, S.K.; Chem. Soc. Rev. 46, 3242-3285, 2017.
[12] Kumar, P.; Deep, A.; Kim, K.H.; Trends Anal. Chem. 73, 39-53, 2015.
[13] Burnett, B.J.; Barron, P.M.; Choe, W.; CrystEngComm 14, 3839-3846, 2012.
[14] Kazemi, S.; Safarifard, V.; Polyhedron154, 236-251, 2018.
[15] O’Keeffe, M.; Yaghi, O.M.; Chem. Rev. 112, 675-702, 2012.
[16] Kukkar, D.; Vellingiri, K.; Kim, K. H.; Deep, A.; Sens. Actuator B-Chem. 273, 1346-1370, 2018.
[17] Amini, A.; Kazemi, S.; Safarifard, V.; Polyhedron 114260, 2019.
[18] Chen, W.; Wang, J. Y.; Chen, C.; Yue, Q.; Yuan, H. M.; Chen, J. S.; Wang, S. N.; Inorganic Chemistry 42, 944-946, 2003.
[19] Zhao, Y.; Li, D.; J. Mater. Chem. C 8(1), 278-286, 2020.
[20] Cui, Y.; Zhu, F.; Chen, B.; Qian, G.; Chem. Comm. 51, 7420-7431, 2015.
[21] Pal, S.; Bharadwaj, P.K.; Cryst. Growth Des. 16, 5852-5858, 2016.
[22] Howarth, A.J.; Liu, Y.; Li, P.; Li, Z.; Wang, T.C.; Hupp, J. T.; Farha, O. K.; Nat. Rev. Mater. 1, 1-15, 2016.
[23] Yang, C .; Kaipa, U.; Mather, Q.Z.; Wang, X.; Nesterov, V.; Venero, A.F.; Omary, M.A.; J. Am. Chem. Soc. 133, 18094-18097, 2011.
[24] Denny, M.S.; Moreton, J.C.; Benz, L.; Cohen, S.M.; Nat. Rev. Mater. 1, 1-17, 2016.
[25] Daly, B.; Ling, J.; De Silva, A.P.; Chem. Soc. Rev. 44, 4203-4211, 2015.
[26] Chen, Y.Z.; Jiang, H.L.; Chem. Mater. 28, 6698-6704, 2016.
[27] Shustova, N.B.; Cozzolino, A.F.; Reineke, S.; Baldo, M.; Dincă, M.; J. Am. Chem. Soc. 135, 13326-13329, 2013.
[28] Wang, B.; Lv, X.L.; Feng, D.; Xie, L.H.; Zhang, J.; Li, M.; Xie, Y.; Li, J.R.; Zhou, H.C.; J. Am. Chem. Soc., 138, 6204-6216, 2016.
[29] Lakowicz, J.R. (Ed.); “Principles of Fluorescence Spectroscopy”, Springer US, Boston, 2006.
[30] Lin, S.H.; Xiao, W.Z.; Dietz, W.; Phys. Rev. E: Stat. Phys., Plasmas, Fluids, Relat. Interdiscip. Top. 47, 3698–3706, 1993.
[31] S.W. Thomas, G.D. Joly, T.M. Swager, Chem. Rev., 107, 1339–1386, 2007.
[32] Moore, E.G.; Samuel, A.P.; Raymond, K.N.; Acc. Chem. Res. 42, 542-552, 2009.
[33] Hu, Z.; Deibert, B.J.; Li, J.; Chem. Soc. Rev. 43, 5815-584, 2014.
[34] Pramanik, S.; Zheng, C.; Zhang, X.; Emge, T.J.; Li, J.; J. Am. Chem. Soc. 133, 4153-4155, 2011.
[35] Jia, P.; Wang, Z.; Zhang, Y.; Zhang, D.; Gao, W.; Su, Y.; Li, Y.; Yang, C.; Spectrochim. Acta A 230, 118084, 2020.
[36] Zhou, X.; Guo, X.; Liu, L.; Zhai, H.; Meng, Q.; Shi, Z.; Tai, X.; RSC Adv. 10, 4817-4824, 2020.
[37] ZHANG, Y.; Jiaxiang, L.; Xiaohan, W.; Wenquan, T.; Zhuo, L.; Anal. Chim. Acta, 2020.
[38] Ge, K.M.; Wang, D.; Xu, Z.J.; Chu, R.Q.; J. Mol. Struct. 1208, 127862, 2020.
[39] Qiao, Y.; Guo, J.; Li, D.; Li, H.; Xue, X.; Jiang, W.; Che, G.; Guan, W.; J. Solid State Chem. 290(3), 121610, 2020.
[40] Moradi, E.; Rahimi, R.; Safarifard, V.; Polyhedron 159, 251-258, 2019.
[41] Shayegan, H.; Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; J. Solid State Chem. 279,12096, 2019.
[42] Moradi, E.; Rahimi, R.; Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; J. Solid State Chem., 282, 121103, 2020.
[43] Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; J. Solid State Chem. 270, 428-435, 2019.
[44] Farahani, Y.D.; Safarifard, V.; J. Solid State Chem. 275, 131-140, 2019.
[45] Khezerloo, E.; Mousavi-khoshdel, S.; Safarifard, V.; Polyhedron 166, 166-174, 2019.
[46] Chen, E.X.; Yang, H.;, Zhang, J.; Inorg. Chem. 53, 5411-5413, 2014.
[47] Yi, F.Y.; Wang, S.C.; Gu, M.; Zheng, J.Q.; Han, L.; J. Mater. Chem. C, 6, 2010-2018, 2018.
[48] Li, Y.; Zhang, S.; Song, D.; Angew. Chem. 125, 738-741, 2013.
[49] Yi, F.Y.; Chen, J.; Wang, S.C.; Gu, M.; Han, L.; Chem. Comm. 54, 8233-8236, 2018.
[50] Xu, H.; Liu, F.; Cui, Y.; Chen, B.; Qian, G.; Chem. Comm. 47, 3153-3155, 2011.
[51] Tarasi, S.; Tehrani, A.A.; Morsali, A.; Sens. Actuator B-Chem. 305, 127341, 2020.
[52] Zhong, F.; Zhang, X.; Zheng, C.; Xu, H.; Gao, J.; Xu, S.; J. Solid State Chem. 288, 121391, 2020.
[53] Hazra, A.; Bej, S.; Mondal, A.; Murmu, N.C.; Banerjee, P.; ACS Omega 5, 15949-15961, 2020.
[54] Deibert, B.J.; Li, J.; Chem. Comm. 50, 9636-9639, 2014.
[55] Cui, J.; Gao, N.; Wang, C.; Zhu, W.; Li, J.; Wang, H.; Seidel, P.; Ravoo, B.J.; Li, G.; Nanoscale 6(20), 11995-12001, 2014.
[56] Yi, F.Y.; Wang, Y.; Li, J.P.; Wu, D.; Lan, Y.Q.; Sun, Z.M.; Mater. Horiz. 2, 245-251, 2015.
[57] Qi, Z.; Chen, Y.; Biosens. Bioelectron. 87, 236-241, 2017.
[58] Ohira, S.I.; Miki, Y.; Matsuzaki, T.; Nakamura, N.; Sato, Y.K.; Hirose, Y.; Toda, K.; Anal. Chim. Acta, 886, 188-193, 2015.
[59] Yi, F.Y.; Chen, D.; Wu, M.K.; Han, L.; Jiang, H.L.; ChemPlusChem 81, 675-690, 2016.
[60] Li, Y.; Polyhedron 179, 114413, 2020.
[61] Miyata, K.; Konno, Y.; Nakanishi, T.; Kobayashi, A.; Kato, M.; Fushimi, K.; Hasegawa, Y.; Angew. Chem. International Edition 52, 6413-6416, 2013.
[62] Zhang, R.C.; Wang, J.J.; Zhang, J.C.; Wang, M.Q.; Sun, M.; Ding, F.; Zhang, D.J.; An, Y.L.; Inorg. Chem. 55, 7556-7563, 2016.
