贵金属纳米簇/聚合物分子刷复合荧光材料的可控制备及在重金属离子检测领域的研究

It is of great importance to develop heavy metal ions detection function materials with ultrafast response rate and high sensitivity for environment and human health. In this project, the fluorescent sensors for heavy metal ions detection are constructed through a novel way, in which noble metal nanoclusters are prepared in the template of polymer brushes. Our researches will focus on the following aspects: first, controllable preparation of florescent sensor based on noble metal nanoclusters/polymer brushes composites, investigating the microstructure evolution and formation process of the noble metal nanoclusters, systematically study the formation and growth mechanism of nanoclusters; second, optimizing the fluorescent properties of composites, investigating the effects of materials, preparation methods and experimental parameters on the physical and chemical properties of the resulting composites, obtaining the optimal preparation method for nanoclusters/polymer brushes composites; finally, exploring the applications of fluorescent sensors in heavy metal ions detection, researching the mechanism deeply, realization of the composites for high sensitivity and selectivity detection of heavy metal ions. Additionally, this project will lay a foundation for the preparation and application of chemical sensors, make significantly contribution to the cross-disciplinary research among material, chemistry and environmental science.

开发对重金属离子具有快速响应、高灵敏度检测等功能的荧光材料对环境和人类健康等方面具有重要意义。本项目针对这一课题，设计“以聚合物分子刷为模板制备贵金属纳米簇”的新思路，构筑具有重金属离子检测功能的复合荧光器件。研究主要包括以下几个部分：（1）贵金属纳米簇/聚合物分子刷复合材料的可控制备，研究贵金属在聚合物分子刷体系中的结构演化和纳米簇的形成过程,揭示贵金属纳米簇的形成和生长机理；（2）复合材料荧光性质的优化，研究不同材料、制备方法和实验条件对纳米簇的组装形态和荧光性质的影响，得到最优的纳米簇/聚合物分子刷复合材料的制备方法；（3）复合材料用于重金属离子检测的探索，深入理解检测原理，实现复合材料对重金属离子的特异性高灵敏性检测。本项目的实施，既是对重金属离子检测器件构筑方法的探索，又是对重金属离子检测机理的研究，有利于材料、化学和环境学科的交叉融合，具有重要的科学意义和应用前景。

最近，基于金、银等贵金属纳米簇材料的传感器应用于生物体系的检测已成为纳米材料领域的一个研究热点，构筑对重金属离子具有快速响应、高灵敏度检测等功能的荧光材料对环境和人类健康等方面具有重要意义。本项目以制备高稳定性、高荧光效率、高荧光发射波长的金属纳米簇材料为主体，通过与聚合物纳米材料复合，开发出多种荧光纳米复合材料，并将其应用于重金属离子检测等领域。主要成果有：1）设计以温度响应性聚合物水凝胶纳米微球为模板构筑具有温度和重金属离子Cr(VI)双重检测功能的银纳米簇/水凝胶纳米微球复合荧光材料。制备出具有红色荧光、荧光性质稳定、荧光效率高的银纳米簇/聚合物水凝胶复合材料(Ag clusters/p(NIPAM-co-AAc))。纳米复合材料的荧光性能在2 ~ 85 oC之间表现出线性和可逆的变化，对Cr(VI)展现高灵敏和选择性检测性能，检测极限可低至1 ppb，相关研究结果发表在J. Mater. Chem. C, 2018, 6, 2088。2）设计以刷型聚合物聚甲基丙烯酸（PMAA）为配体，制备红色荧光的Ag纳米簇，利用芬顿反应来实现葡萄糖和Fe3+的高灵敏检测，相关研究结果发表在RSC Adv., 2017, 7, 1396。3）开发了一种基于金纳米簇的荧光增强传感器，用于在生物领域和环境系统中对Cu2+的选择性和灵敏性检测。以生物分子谷胱甘肽为稳定剂和还原剂，制备具有红色荧光的Au NCs，在超声作用下，将Au NCs与介孔二氧化硅进行复合，获得了Au Cs/PSPs纳米复合材料的新型荧光增强传感器。这种荧光传感器可以在0- 100 ppm范围内实现Cu2+的定量检测，并已成功用于活细胞中Cu2+的检测。这种荧光增强型传感器在环境监测、食品检测、生命科学、医学诊断等领域具有实际应用价值。相关研究结果发表在Nanotechnology, 2019, 30, 475701。4)项目进行中，我们尝试了采用水热、微波等简单、廉价、环保的方法制备多种荧光纳米复合材料，相关研究成果发表SCI论文7篇，申请发明专利5项，获得授权发明专利1项；项目为新型荧光纳米传感材料的开发及在重金属离子检测、生物传感等领域的应用，提供理论支持和应用技术探索，有利于材料、化学、环境以及生物学科的交叉融合，具有重要的科学意义和应用前景。