基于金银纳米探针的毒害气体富集与比色传感一体化研究与应用

Recognition of toxic gases at trace level is of significant importance for early warning. Based on the structures and properties of some typical toxic gases（e.g. HCHO, CO, SO2, NO2, NH3）, we will design and synthesize a series of plasmonic nanoparticles whose localized surface plasmonic effect is very sensitive to their composition, dimension and particle distance. The sensing strategies are primarily designed based on the analyte-induced changes of these parameters of the NPs, leading to the changes of NPs' LSPR effect and thus observable color and spectrum changes. Combined with the mechanism study, we will obtain a series of optical probes which are sensitive and specific to the corresponding analytes. According to the color theory, we will develop a multi-channel sensing system for simultaneous detection of several gases. The relationships between color change and gas concentration will be in detail investigated. By embedding the NPs into hydrogels, we will develop several methods for real-time enriching and monitoring of the toxic gases in the air. Utilizing the software of photographing, color reading and analyzing in smartphone, we will realize the real-time detection and risk evaluation, providing new ideas and methods for toxic gas sensing.

低浓度毒害气体的现场快速检测对其早期预警至关重要。本项目针对几种常见的小分子毒害气体（如HCHO、CO、SO2、NO2、NH3）的结构和性质，设计一系列局域表面等离子共振效应对成分、尺寸或粒子间距十分敏感的金属纳米探针，利用分析物诱导上述参数发生变化，获得裸眼可识别的颜色和光谱变化，通过研究分析物与纳米探针的作用机制，筛选出具有高灵敏和特异响应的纳米探针，构建针对单一气体的传感体系。以此为基础，结合色彩理论，将分别对不同气体响应的多种探针混合，研究颜色和光谱变化与气体种类和气体浓度的关系，建立一种基于减色混合的多通道传感体系，实现多种气体同时检测。进一步将纳米探针包埋于水凝胶，研究不同基质成分对分析物富集和检测效果的影响，实现毒害气体原位富集与可视化检测一体化。最后，通过编写色度-浓度关联性程序，结合手机拍照与色度读取软件对毒害气体进行实时监测和风险评估，为毒害气体检测提供新思路和新方法。

本项目针对现有毒害气体检测方法，需要昂贵仪器、难以兼具灵敏性、选择性以及实现原位监测的技术瓶颈，发展了一系列双金属等离子体共振纳米探针的精确合成方法学，利用分析物诱导的氧化刻蚀、化学沉积、配位或自组装等策略，引起纳米探针形貌、结构、尺寸或间距等参数变化，进而引起探针的等离子体共振吸收波长和颜色变化。将纳米探针包埋于合适的固体基质作为试纸条，实现包括甲醛、氨气、硫化氢、氰化氢、氟化氢等多种有毒、有害气体的原位、在线监测，通过密度泛函理论和有限元分析方法研究了气体与探针的作用机制，进一步通过智能手机等便携拍摄设备进行照片采集，并通过Image J或photoshop等软件计算色度数据，同时通过编制等差积分数列等统计学方法，可以准确地评估被测气体含量，具有广阔的市场和发展前景。在本项目的支持下，本项目已经发表标注项目号的研究论文8篇，均为SCI收录，包括Environ. Sci. Technol.，Anal. Chem.（4篇）等环境分析领域权威期刊，授权国家发明专利4项，培养博士生2名，硕士生6名，获得山东省优秀博士论文1项，山东省研究生优秀成果奖二等奖2项，负责人获评山东省杰青、山东省泰山学者青年专家、山东省有突出贡献中青年专家，结题指标超额完成任务书的预期目标，符合结题要求。