多色荧光碳点印刷纸质传感器及对多种重金属离子的同步快速可视化检测

Rapid and on-site analytical strategies are highly needed owing to the more pollution from heavy metal ions in environments, and paper sensors have some advantages including visualization, low-cost, rapid and portable. However, common fluorescent paper sensors cannot be extended for wider applications because of photobleaching, bad stability and difficulty of paper fabricating. This project aims at the design of functional ink from multicolor fluorescent carbon dots due to their stable fluorescence and good water-solubility, printing paper sensors with multicolor fluorescent carbon dots, and finally realization of synchronous, rapid and visual detection of several heavy metal ions. (1) Probe the method of controllable adjustment of the size of fluorescent carbon dots and fabricate water-soluble fluorescent carbon dots with red, yellow and green colors through surface functionalization; (2) Develop the fluorescent switchable detection based on fluorescence resonance energy transfer (FRET) path; (3) Prepare functional ink from multicolor fluorescent carbon dots, achieve the synchronous, rapid and visual detection of several heavy metal ions with paper sensors inkjet-printed with multicolor fluorescent carbon dots, and set up the visual analysis based on the paper sensors. This project might provide theoretic and technical support for the applications of carbon materials in fluorescent sensing, and the synchronous, rapid and visual detection of several heavy metal ions.

日益严重的重金属离子污染态势亟需快速现场分析手段。试纸传感器具有可视化、低成本和快速便携等优点，传统的荧光纸质传感器由于光漂白、稳定性差及试纸制备困难等问题限制其实际应用。本项目拟利用荧光碳点发光稳定和水溶性好等优点，设计制备多色荧光碳点的功能化墨水，印刷多色碳点阵列试纸，实现对多组分重金属离子的同步可视化快速检测，研究内容如下：（1）探索荧光碳点尺寸可控调节方法，通过表面功能化修饰，制备红、黄、绿三种典型颜色的水溶性荧光碳点；（2）发展基于共振能量转移的荧光开关检测原理，研究荧光开关对重金属离子的选择性和敏感性；（3）制备多色荧光碳点功能墨水，通过喷墨打印构建出多色荧光碳点阵列试纸，实现对多种重金属离子的同步、快速、可视化分析，建立基于荧光纸质传感器的可视化分析方法。预期成果将为碳材料在荧光传感方面的应用提供理论基础与技术支撑，同时为重金属离子的快速可视化分析提供科学依据与技术途径。

碳点是一种新型的荧光碳纳米颗粒。与传统的半导体量子点和有机染料相比，碳点具有许多优异的特点。本项目拟利用荧光碳点发光稳定和水溶性好等优点，设计制备多色碳点等荧光纳米材料的功能化墨水，印刷多色碳点等荧光纳米材料阵列试纸，实现对重金属离子等目标物的快速可视化检测。.本项目开展的主要研究内容为：(1)多色碳点等荧光纳米材料的合成方法；(2)与待测重金属离子等目标物具有特异结合性能有机配体的设计合成或选择方法；(3)由荧光纳米材料构建不同目标物识别探针的方法，获得对多目标物的高选择性信号响应，实现对目标物的快速检测；(4)对目标物快速可视化检测试纸的构建模式，目标物在试纸上的结合动力学和光学信号的输出规律，发展出灵敏、快速、可靠的可视化检测目标物的新技术等。.本项目获得的主要成果有：(1)完成了多色碳点等荧光纳米材料的合成研究工作；(2)基于共振能量转移原理，设计出了可对重金属离子等目标物进行快速准确、灵敏、高选择性检测的荧光纳米探针；对其检测目标物的机理给出了合理的解释；(3)探索出了目标物快速灵敏可视化检测阵列型荧光试纸的构筑方法，目标物在荧光试纸上的结合动力学和光学信号的输出规律等；(4)研究出了荧光试纸与智能手机的联用技术，实现了目标物的现场实时可视化定量检测等。本项目成果为碳材料在荧光传感方面的应用提供了理论基础与技术支撑，为重金属离子等目标物的实时准确可视化分析提供科学依据与技术途径。.本项目获得的主要技术指标为：(1)已完成的检测对象有Hg2+、Cd2+、Pb2+、Cu2+、As3+；(2)其检测灵敏度分别为（ppb）：0.028、3.7、0.60、0.46、1.0；(3)其检测响应时间分别小于（min）：3、0.5、5、3、1；(4)其检测准确率分别为（%）：98.1~107.0、91.4~99.3、98.2~108.2、98.2~104.0、97.2~103.4等。