申报书湖南文理学院教务处.docx

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申报书湖南文理学院教务处

湖南省大学生研究性学习和创新性实验计划

项　目　申　报　表

项目名称:

纳米二氧化硅负载荧光探针的合成及对环境重金属离子的检测与分离

学校名称

湖南文理学院

学生姓名

学号

专业

性别

入学年份

彭雪风

201212010132

化学

男

2012

唐俊

201212010116

化学

男

2012

周丽丽

201212010133

化学

女

2012

曹文艳

201212010141

化学

女

2012

奚立超

201212020124

应化

男

2012

指导教师

申有名

职称

讲师

项目所属

一级学科

化学

学生曾经参与科研的情况

学生参与下列项目的部分研究工作（荧光探针的合成）：

1、2013年国家自然科学基金（项目名称：

近红外磁性纳米荧光探针的合成及其对重金属的检测、分离一体化学研究）

2、2013年大学生研究性学习和创新性实验计划项目（项目名称：

磁性纳米荧光探针的合成及对洞庭湖水系Hg2+的检测与清除研究）

3、2013年湖南文理学院团委项目（项目名称：

新型可视化检测Cr3+的罗丹明荧光探针的合成及在检测沅江水中Cr3+的应用）

4、2011年湖南文理学院博士启动基金（项目名称：

卟啉化合物的设计、合成及发光性能研究）

5、2012年湖南师范大学化学生物学及中药分析教育部重点实验室开放基金（项目名称：

新型卟啉化合物的合成、发光性能及生物传感研究）

6、湖南省教育厅项目（项目名称：

高灵敏度、高选择性荧光分子探针的合成及在生物体的应用研究）

指导教师承担科研课题情况

1、2013年国家自然科学基金（项目名称：

近红外磁性纳米荧光探针的合成及其对重金属的检测、分离一体化学研究）

2、2011年湖南文理学院博士启动基金（项目名称：

卟啉化合物的设计、合成及发光性能研究）

3、2012年湖南师范大学化学生物学及中药分析教育部重点实验室开放基金（新型卟啉化合物的合成、发光性能及生物传感研究）

4、湖南省教育厅项目（高灵敏度、高选择性荧光分子探针的合成及在生物体的应用研究）

项目研究和实验的目的、内容和要解决的主要问题

1、项目研究的目的

重金属广泛存在水体、土壤等自然环境中，它们不能被生物降解，相反却能在食物链的生物放大作用下富集，最后进入人体。

如铅能引起消化系统、神经系统及心脏的病变；环境中无机的汞离子可被沉积物中的细菌转化为有机汞，通过食物链的累积与传递，最终传输到食物链顶端的人类，从而威胁人类的健康。

因此，建立快速、高效的重金属检测和清除等功能为一体的方法，在生命科学、环境科学、医学科学以及农业生产等方面都具有重要的意义。

2、项目研究内容

（1）荧光探针的合成与表征

设计合成一种对亚铜离子具有高灵敏性、高选择性的1,8-萘酰胺衍生物，通过对检测基团的优化能快速对重金属离子进行选择性荧光识别，同时对其结构用核磁共振、质谱等仪器进行表征。

（2）二氧化硅纳米荧光探针的制备与表征

将商业化的纳米二氧化硅与荧光探针进行组装，并利用透射电镜、红外光谱、等测试手段进行结构表征。

（3）纳米二氧化硅荧光探针对环境水系重金属离子的检测与分离

首先利用纳米二氧化硅荧光探针中的荧光检测基团能与环境水系重金属离子以化学反应的形式进行检测，然后在离心作用下对吸附重金属离子的纳米二氧化硅荧光探针作定向分离，从而实现探针同时能选择性对环境中重金属离子进行检测和分离的目的。

（4）回收与再利用的研究

加入EDTA后，利用配位能力的差异，重新释放出纳米二氧化硅荧光探针。

然后进行纳米二氧化硅荧光探针的循环次数，负载量的变化以及灵敏性和选择性等方面的性能研究。

3、主要解决的主要问题

（1）、将二氧化硅纳米粒子引入到1,8-萘酰胺衍生物中，设计合成一种新型荧光探针分子。

（2）、对所合成荧光探针分子对重金属离子进行识别研究，实现对重金属离子具有选择性清除和检测功能于一体的检测目的。

（3）、将荧光探针分子用于水系中重金属离子的检测和清除，并对其进行评价。

（4）、纳米二氧化硅荧光探针的回收再利用。

国内外研究现状和发展动态

随着全球工业化进程的加快，大量含重金属离子的污染物通过各种途径进入水体、土壤和大气。

重金属离子不仅在环境中难以降解，而且易通过食物链富集，最终严重威胁人类的健康。

因此准确而快速地检测环境中重金属离子的种类和含量，对于食品质量评价、生态环境考查和人类健康保护都有极其重要的意义。

目前，检测重金属离子的传统方法主要包括电感耦合等离子体质谱法、电感耦合等离子发射光谱法、高效液相色谱法、原子吸收/发射光谱法、电化学法、酶分析法、免疫分析法和生物传感器等。

虽然上述方法具有较高的灵敏度和选择性并常用于定量分析，但是需要价格昂贵的大型仪器设备、专门的实验室、专业的操作技术人员和复杂的样品前处理过程，且不适宜进行现场快速检测和连续在线分析等缺点[1-5]。

相对于传统的重金属检测方法，近几年发展起来的荧光分子探针技术用来检测重金属离子，不仅所需设备简单易携带、成本低，而且灵敏度高且稳定性强、检测结果重现性好、可连续在线监测，己受到研究者的广泛关注。

荧光分子探针作为光信号传感器具有以下优点：

可达到单分子检测的高灵敏性，能够实现开关操作以及人与分子的直接通讯，对亚微粒具有可视的亚纳米空间分辨能力和亚毫秒时间分辨能力。

作为一种灵敏度高、选择性好、检出限低的微量分析技术，荧光分子探针可以对单（多）种对象进行实时、在线检测，克服了传统环境检测分析手段样品预处理过程繁琐冗长，成本高，不能实时在线分析的缺点。

在荧光检测分析领域中，研制具有高灵敏度、专一选择性及良好抗干扰能力的荧光分子探针是一项具有挑战性的工作，己受到越来越多研究者的关注。

纳米材料特别是金属纳米材料自诞生以来取得的巨大成就，对于科学各个领域的影响和渗透一直引人关注。

金纳米材料作为金属纳米材料之一，其具有稳定的化学性质、相对较大的比表面积、很强的吸附性、表面活性中心多、表面活性高等特点，通过各种调控手段，制备不同尺寸和形状的金纳米结构，进而获得新的理化性能，在生物和化学传感、表面增强、催化、纳米电子学、光电子学和生物医学等不同领域有着广泛的应用[6-10]。

近年来，有关纳米粒子与荧光染料结合的这种既具有纳米尺寸效应又具有较强的荧光响应性、高选择性纳米荧光探针，用来检测重金属离子的研究受到了人们的广泛关注，特别是在磁性纳米荧光探针方面的研究[11-17]。

然而，利用纳米二氧化硅大比表面积来负载荧光染料检测、分离金属离子的研究鲜有报道。

参考文献

[1]ValeurB,LerayI.Designprinciplesoffluorescentmolecularsensorsforcationrecognition[J].CoordinationChemistryReviews,2000,205

（1）:

3-4

[2]KunkelyH,VoglerA.DismutationofHg2+catalyzedbycolloidalgold[J].InorganicaChimicaActa,2005,358

（2）:

429-430

[3]ZhaoJ,BradburyCR,HuclovaS,eta1.Nanoparticle-mediatedelectrontransferacrossultrathinself-assembledfilms[J].TheJournalofPhysicalChemistryB,2005,109（48）:

22985-22994

[4]TakedaY,PlaksinOA,LuJ,eta1.Opticalswitchingperformanceofmetalnanoparticlesfabricatedbynegativeionimplantation[J].NuclearinstrumentsandmethodsinphysicsresearchsectionB：

BeamInteractionswithMaterialsandAtoms,2006,242

（1）:

194-197

[5]DanielMC,AstrucD.Goldnanoparticles:

assembly,supramolecularchemical,quantum-sizerelatedproperties,andapplicationstowardbiology,catalysis,andnanotechnology[J].ChemicalReviews,2004,104

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[6]SpadavecchiaJ,PreteP,LovergineN,eta1.AunanoparticlespreparedbyphysicalmethodonSiandsapphiresubstratesforbiosensorapplications[J].TheJournalofPhysicalChemistryB,2005,109（37）:

17347-17349

[7]KunkelyH,VoglerA.DismutationofHg2+catalyzedbycolloidalgold[J].InorganicaChimicaActa,2005,358

（2）:

429-430

[8]ZhaoJ,BradburyCR,HuclovaS,eta1.Nanoparticle-mediatedelectrontransferacrossultrathinself-assembledfilms[J].TheJournalofPhysicalChemistryB,2005,109（48）:

22985-22994

[9]TakedaY,PlaksinOA,LuJ,eta1.Opticalswitchingperformanceofmetalnanoparticlesfabricatedbynegativeionimplantation[J].NuclearinstrumentsandmethodsinphysicsresearchsectionB：

BeamInteractionswithMaterialsandAtoms,2006,242

（1）:

194-197

[10]DanielMC,AstrucD.Goldnanoparticles:

assembly,supramolecularchemical,quantum-sizerelatedproperties,andapplicationstowardbiology,catalysis,andnanotechnology[J].ChemicalReviews,2004,104

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[11]ParkMS,SeoSM,LeeHY,etal.FunctionalizedNi@SiO2core/shellmagneticnanoparticlesasachemosensorandadsorbentforCu2+ionindrinkingwaterandhumanblood[J].Analyst,2010,135:

2802-2805

[12]ParkMS,KwonKY,JungJH,etal.FunctionalizedNi@SiO2core/shellmagneticnanoparticlesasachemosensorforfluorideion[J].Bull.KoreanChem.Soc.2012,33:

1409-1412

[13]WangYJ,PengXH,ShiJM.HighlyselectivefluorescentchemosensorforZn2+derivedfrominorganic-organichybridmagneticcore/shellFe3O4@SiO2nanoparticles[J].NanoscaleResearchLetters,2012,7:

86-93

[14]WangHG,SunL,LiYP,etal.Layer-by-layerassembledFe3O4@C@CdTecore/shellmicrospheresasseparableluminescentprobeforsensitivesensingofCu2+ions[J].Langmuir,2011,27:

11609-11615

[15]ParkMS,SeoSM,LeeIS.Ultraefficientseparationandsensingofmercuryandmethylmercuryionsindrinkingwaterbyusingaminonaphthalimide-functionalizedFe3O4@SiO2core/shellmagneticnanoparticles[J].Chem.Commun.,2010,46:

4478-4480

[16]PengXH,WangYJ,TangXL,etal.FunctionalizedmagneticcoreshellFe3O4@SiO2anoparticlesasselectivity-enhancedchemosensorforHg（II）[J].

DyesandPigments,2011,91:

26-32

[17]JungHS,zaParkMS,HanJH.SelectiveremovalandquantificationofCu（II）usingfluorescentiminocoumarin-functionalizedmagneticnanosilica[J].Chem.Commun,2012,42（48）:

5082-5084

本项目学生有关的研究积累和已取得的成绩

成功合成了一种具有较好选择性识别汞离子的7-硝基苯并-2-氧杂-1,3-二唑荧光探针，对汞离子的识别作用进行了详细的研究。

下一步继续合成对重金属离子具有选择性识别的荧光探针化合物，并与商业化的纳米二氧化硅进行自组装。

已合成的荧光探针如下如：

用于汞离子检测的7-硝基苯并-2-氧杂-1,3-二唑类荧光探针示意图

荧光探针1对金属离子选择性的示意图

项目的创新点和特色

本项目的特色是将纳米二氧化硅材料的分离作用和荧光探针的高灵敏性检测功能相结合，不仅可以实现复杂环境中对不同重金属离子的特异性检测，而且可以实现荧光探针的重复利用。

本项目的主要创新点如下：

1、选取系列对重金属离子具有较强的绿色荧光基团作为荧光探针的检测部分，有利于避免环境体系位于短波长区背景荧光干扰以及减弱荧光漂白现象；

2、将一体化设计思路用于重金属离子荧光探针的设计，将材料科学研究领域的新成果和化学生物传感研究领域的新技术有机的结合，设计制备了具有高密度分子识别位点的纳米荧光探针；

3、二纳米氧化硅粒子用作双功能荧光探针的分离，荧光探针用作检测基团，同时实现对水系中重金属离子的荧光识别和清除，为其造成的环境污染进行评估和开展有效控制提供依据。

项目的技术路线及预期成果

1、技术路线

（1）荧光检测基团的合成

合成系列对重金属离子离子具有选择识别的1,8-萘酰胺荧光探针。

首先合成检测基团，再与1,8-萘酰胺进行连接形成荧光检测基团。

合成路线如下（举例说明）：

（2）纳米二氧化硅与荧光检测基团的自组装

利用合成的荧光检测基团中的硅乙氧基与纳米二氧化硅中的羟基在甲苯溶液中回流组装成纳米荧光探针。

（3）纳米二氧化硅荧光探针对环境水系重金属离子的检测与分离

首先利用纳米二氧化硅荧光探针中的巯基基团能与环境水系重金属离子以化学反应的形式进行络合，实现荧光信号的转换，1,8-萘酰胺荧光基团实现荧光检测，然后在离心的作用下对吸附重金属离子的纳米二氧化硅荧光探针作定向分离，从而实现探针同时能选择性对亚铜离子进行检测和分离的目的。

在检测过程中，还可以肉眼观察颜色的变化，来快速、准确地判断重金属离子的浓度范围。

2.预期成果

（1）合成系列对重金属离子具有选择性检测的1,8-萘酰亚胺并与纳米二氧化硅进行自组装；

（2）将合成的纳米二氧化硅荧光探针对实际水样中的重金属离子进行选择性荧光检测和分离；

（3）发表科研论文1-2篇。

年度目标和工作内容（分年度写）

2014.6.1-2014.12.31

（1）荧光探针的合成；

（2）结构表征。

2015.1.1-2015.4.30

（1）纳米二氧化硅与1,8-萘酰亚胺荧光检测基团的自组装；

（2）纳米荧光探针的表征。

2015.5.1-2015.10.30

（1）纳米二氧化硅荧光探针在溶液中对重金属的选择性检测；

（2）纳米二氧化硅荧光探针对水样中的重金属离子选择性检测与分离。

2015.11.1-2015.12.30

（1）数据分析；

（2）论文撰写。

指导教师意见

签字：

日期：

注：

本表栏空不够可另附纸张