基于功能化纳米通道限域传感器在食品重金属检测中的应用研究

On the basis of confinement effect of nanochannel on transported material, under the guidance of theoretical and experimental researches on different interaction between nanochannel and the transported material, and combining with the unique structure and excellent properties of nanochannel, the nanochannel-based electrochemical sensor is constructed and its application in food analysis is.investigated in detail. Consequently, the researchers will offer the opportunity to develop efficient analytical methods detecting heavy metal element in food. Considering the researching objectives of this project, porous anodic alumina array nanochannel templates are employed, combined with in situ electrochemical detector, based on change of reduction current in nanochannel after heavy metal element modified into nanochannel, the concentration of heavy metal element is determined. In this project, porous anodic aluminum oxide templates are employed with high mechanical property and chemical stability, an Au film sputtered at the end of porous anodic alumina nanochannels as working electrode of in-situ electrochemical detector. According to the change of charge property and charge.density after heavy metal element modified into nanochannel the interaction mechanisms between nanochannel and heavy metal element can be revealed clearly. On the basis of the above researches, the research will have a wide range of application prospects in food analysis.

本项目以纳米通道限域特性对传输物质的影响为研究基础，以功能化纳米通道和传输物质表现出不同相互作用的理论和实验研究为指导，结合纳米通道本身独特的结构及优异性能，拟构建功能化建纳米通道的电化学传感器，探索其在食品分析中的应用，为建立高灵敏度、高选择性的食品中重金属的检测方法提供实验和理论支撑。本项目拟采用多孔氧化铝阵列纳米通道为研究模板，结合原位电化学检测系统，通过测定电化学探针在食品中重金属修饰进纳米通道前后所造成的还原电流不同，系统研究食品中的重金属的含量。本项目拟采用的多孔阳极氧化铝模板具有较高的机械和化学稳定性，拟用氧化铝模板的末端喷镀纳米金层作为电化学原位检测器的工作电极。利用功能化生物分子与重金属结合以后所产生的纳米通道中电荷密度或者电荷性质改变所引起的还原电流的改变，阐明功能化纳米通道和重金属的作用机制。在此基础上开展纳米通道材料在食品分析中的应用研究。

铜离子（Cu2+）在生物体内是非常重要的也是必须的微量元素，但是人体中Cu2+的浓度必须保持在一定范围内，若Cu2+摄入过量，会导致肝脏或者肾脏受损，肠胃功能紊乱等疾病。随着工业废水和煤矿酸性废水排放的不断增加，Cu2+污染也在影响人们生活的各个方面，比如：食品和饮用水等方面。目前，检测Cu2+的方法较多，如 AAS 和 ICP-MS 等，这些方法虽灵敏度高，但无法达到可视化的效果。因此，开发一种既能检测到痕量的Cu2+，也能使检测过程可视化的方法是非常有意义的。有研究发现，将 ZIF-8 与荧光材料（例如量子点，荧光染料或碳点）组合可以制备具有荧光性质的复合材料，可应用于传感、光催化等方面。因此本项目提出了一种基于 CdSe@ZIF-8/PAA 膜的可视化的 Cu2+传感器。首先采用阳极氧化法制备 PAA 膜。然后，使用 2-甲基咪唑、硝酸锌和 CdSe 量子点作为反应前驱液，通过原位生长法将 ZIF-8 和 CdSe 量子点修饰到 PAA 膜纳米通道中以制备 CdSe@ZIF-8/PAA 膜。因 Cu2+能猝灭 CdSe@ZIF-8/PAA 膜中的CdSe 量子点的荧光，将其运用于 Cu2+。通过电化学工作站施加 5V 电位，使Cu2+在纳米通道中富集，同时通过倒置荧光显微镜，可以观察到加入不同浓度 Cu2+时，CdSe@ZIF-8/PAA 膜阵列纳米通道传感器荧光的变化情况，最后，通过光谱仪将显微镜观察到的荧光变化转化为光谱图，以实现Cu2+的定量检测。结果显示，CdSe@ZIF-8/PAA 膜对 Cu2+具有良好的线性检测范围（0.01 pM-1μM），由于纳米通道的电场富集作用，检测限低至 4 fM。同时，该传感器对 Cu2+的检测具有良好的选择性。该法经济、简单、灵敏度高、可视化，可为食品和环境中 Cu2+的检测提供一种新方法。