基于荧光分子@纳米材料的荧光淬灭对重金属离子的探测

Human health is seriously endangered by heavy metals, thus fast and effective detection of heavy metal ions in water pollutions is important. This project aims at trace and selective detection of heavy metal ions in water pollutions based on fluorescence quenching. By combining the high sensitivity and selectivity of fluorescence analysis method with the high adsorption ability of nano-materials, trace heavy metal ions can be detected via fluorophores-modified-nanomaterials. High surface-to-volume ratio of nanomaterial provides extra interacting sites, and makes better contact and interactions for fluorophores with heavy metal ions, thus enhancing its sensitivity. By studying the effects of sizes and morphologies of Fe3O4 magnetic nanoparticles or polymer nanofibre membrane on heavy metal adsorption and accumulation, preparation conditions of nanomaterials with strong and fast adsorption ability to heavy metal ions are optimized; by developing nanomaterials modified with multi-functional fluorophores, simultaneously fluorescence detection of several heavy metals can be achieved. Sensing mechanism of the fluorophores-modified-nanomaterials to heavy metal ions, and effects of environmental factors, such as temperature, pH and solvents on fluorescence intensities, are studied, which enhances anti-interference functions of the fluorophores-modified-nanomaterials and expanded applications. Putting this project into practical use, has great value in both fast and trace detection of heavy metal ions in polluted waters and other practical samples.

水中的重金属离子严重危害人类健康，因此对其快速有效检测至关重要。本项目以水中痕量重金属离子的选择性探测为目标，借助荧光分析法的高灵敏度、高选择性以及纳米材料对小分子的有效吸附特性，利用修饰在纳米材料上的荧光分子的荧光强度随重金属离子浓度的变化规律，实现对痕量重金属的探测。高比表面纳米材料的强吸附特性增加了其表面荧光分子与重金属离子接触并产生作用的几率，有望提高检测的灵敏度。研究磁性Fe3O4纳米颗粒或聚合物纳米纤维膜的结构、尺寸、形貌等对重金属离子吸附和富集的影响，制备强吸附、高效快速富集重金属离子的纳米材料；发展纳米结构表面修饰不同功能荧光分子的方法，同时实现对多种痕量重金属离子的选择性探测；研究重金属离子对荧光材料淬灭的机理以及温度、pH值等环境因素对荧光淬灭的影响，提高实际探测的抗干扰能力，拓展其应用范围。该研究对污染水样品中痕量重金属离子的快速探测具有重要的科学意义和实际应用价值

采矿、冶炼、生活垃圾以及汽车尾气中的重金属在进入水循环系统后，导致水中重金属离子（主要是Ag+、Hg2+、Cr3+、Pb2+、Cu2+、Zn2+等）的含量超标。这些重金属离子经过食物链进入人体后对人体健康造成严重危害，因此对水环境中重金属离子的痕量检测至关重要。本项目中，作为荧光指示剂的荧光分子被修饰到高比表面积的纳米材料表面，借助纳米材料对目标重金属离子的选择性吸附和富集能力，实现了对水溶液中Hg2+、Cr3+、Cu2+和Zn2+等多种重金属离子的高灵敏度和高选择性荧光淬灭法痕量检测。主要研究内容和研究成果如下：1）利用菠菜叶中提取的叶绿素a荧光分子修饰具有纳米表面形貌的花生壳材料，并利用其实现了对水溶液以及受污染的湖水中Hg2+的选择性荧光淬灭法检测；2）以花生壳为原材料，水热法制备了表面氨基功能化的碳量子点/石墨烯纳米片复合材料，并利用其实现了对水溶液以及受污染的自来水和湖水中Cr3+的荧光增强法痕量检测；3）利用罗丹明6G衍生物和8-氨基喹啉衍生物共同修饰的Fe3O4@SiO2芯壳纳米结构的均匀分散水溶液实现了对水溶液和受污染的湖水中Hg2+和Zn2+的选择性荧光检测。研究发现上述荧光传感材料在水溶液中重金属离子的痕量检测方面灵敏度高（<10-8 M）、选择性好、抗干扰能力强、检测结果可靠且重复性好，在水环境中重金属离子的痕量检测领域具有广泛的应用前景。