面向果蔬痕量Hg2+离子检测的增强荧光探针制备及其机理研究

Some vitamins and organic acids in fruits and vegetables hamper the common nanomaterial-based detection of Hg2+ ions. In order to solve this problem, in this project, the nontoxic and stable group Ⅳ quantum dots are used as luminescence sources, and metal surface plasmons are utilized to enhance the luminescent intensity of the group Ⅳ QDs. The fluorescence-enhanced probes of group Ⅳ QDs/metal nanoparticles (M-NPs) are prepared for the detection of the trace quantities of Hg2+ ions as low as 0.1 or 0.01 nM. The main research proposals are as follows. We shall synthesize several types of group Ⅳ QDs and study their surface functional groups, surface charge characteristics, and adsorption mechanism and luminescence interaction mechanism between Hg2+ ions and QDs. We shall fabricate the fluorescence-enhanced probes of group Ⅳ QDs/M-NPs nanocomposites and use silica, surfactant, and polyelectrolyte to adjust the distance between the QDs and M-NPs so that we can obtain the ideal fluorescence-enhanced probes. We shall study the interaction mechanisms between the surface enhanced probes and Hg2+ ions so as to detect the trace quantities of Hg2+ ions. In this project, we shall study the surface functional groups of group Ⅳ QDs and the interaction mechanisms between Hg2+ ions and group Ⅳ QDs, and provide a new method for detecting the trace quantities of Hg2+ ions in fruits and vegetables. Therefore, this project has significant research meanings and practical application virtues.

果蔬中含有大量的维生素、有机酸等会干扰常规基于纳米材料汞离子检测，针对该难题，本项目拟采用发光稳定、无毒的Ⅳ族量子点为发光源，并采用金属表面等离激元对其荧光强度进行增强，拟制备出最高检测下限达到0.1甚至0.01 nM的Ⅳ族量子点/金属纳米颗粒增强荧光探针，实现果蔬中痕量汞离子的准确检测。主要研究：（1）制备多种Ⅳ族量子点，研究其表面官能团结构及电荷性质，并研究Ⅳ族量子点与汞离子之间吸附作用及发光作用机理；（2）制备Ⅳ族量子点/金属纳米颗粒增强荧光探针，研究二氧化硅、表面活性剂、聚电解质等调节量子点与金属纳米颗粒之间的距离方法，以获得具有明显荧光增强效果的荧光探针；（3）研究增强荧光探针与汞离子作用机理，实现果蔬中痕量汞离子检测。本研究可为Ⅳ族量子点表面官能团结构及其与汞离子作用机理提供理论基础，为果蔬中汞离子痕量检测提供一种新方法，具有重要的研究意义和实用价值。

碳量子点（CDs）及碳化硅量子点（SiC QDs）的发光机理一直是争论的焦点，项目实施之前没有关于SiC QDs在紫外辐射下的表面缺陷发光稳定性的报道，且采用CDs检测Hg2+离子的机理也一直处于争论中。本项目详细研究了SiC QDs和CDs的发光机理，研究了SiC QDs在紫外辐射下的荧光漂白机理，采用CDs选择性检测Hg2+离子并研究其检测机理。项目详细研究了SiC QDs及CDs的发光机理，结果表明表面官能团对发光有重要的影响，发现CDs的440 nm处的发光来自其表面的酰胺基团（CONH2），SiC QDs 的392和430 nm的发光分别来自其表面的羧酸基团（COOH）和酯基团（COOR）。项目详细研究了SiC QDs发光稳定性，发现SiC QDs表面的COOH及COOR基团在紫外辐射下具有荧光漂泊现象，并详细研究了其具体的漂白机理。紫外辐射使COOH基团部分可逆荧光漂白，同时使COOR基团不可逆荧光漂白，它们的具体漂白机理分别是紫外辐射使COOH电离成不发光的羧酸根（COO-）和H+，在停止光照后COO-和H+复合成发光的COOH而恢复发光，同时还会使COOH分解成CO2和H+产生不可逆荧光漂白，上述两个过程是同时发生，所以总的来说，紫外辐射使COOH基团部分可逆荧光漂白。另外，紫外辐射使COOR基团分解成CO2和R ▪，发生不可逆荧光漂白。并利用该现象记录阳光中紫外辐射强度，准确率达到97%，为SiC QDs发光机理及荧光传感方面的应用奠定基础。项目利用Hg2+吸附到CDs而淬灭其荧光，实现Hg2+的选择性检测，最高检测极限为0.1 μM，并采用实验和密度泛函理论详细研究其检测机理，发现其淬灭机理包括两种，静态淬灭和电荷转移淬灭，其中静态淬灭占主要贡献。该研究阐明了金属离子与CDs酰胺基团的相互作用机理及荧光淬灭机理，为未来的研究提供理论支持。项目基本按照预期进行，项目组共发表SCI论文3篇，其中有1篇封面论文，还有1篇论文在投稿中，1篇专利在申请中，基本完成预期研究目标。