基于荧光量子点的重金属离子多元检测光纤传感器的研究

The rapid, in situ and high throughput screening technology for heavy metal ions in environmental samples is all along in urgent need in the environmental monitoring. Here we try to introduce quantum dots (QDs), enrichment ligands and crown ether compounds into evanescent wave fiber-optic sensor to develop a new type of rapid, in situ and high throughput screening technology by using differentiating signal ability of QDs, simoltaneously capturing multi-metal ions ability of enrichment ligands and specificialy recognizing metal ions ability of crown ether compounds. We will study the methods of connecting crown ether compounds on the surface of QDs, keeping the fluorescence properties of quantum dots and modifying enrichment ligands on the surface of fiber-optic, study the relationship between the amount of enrichment ligands and the size of QDs to lower the effect of steric hindrance, and study the optimal constants of multiplexed assay to optimize the differentiating ability for manifold signal. Based on the above results, a new type fiber-optic sensor for the analysis of multiplexed heavy metal ions will be constructed based on QDs. The researching results will provide some theoretical foundations and technical ways to realize the rapid, in situ and multi-screening technology for heavy metal ions in environmental samples.

发展重金属离子高通量现场快速筛查技术一直是环境检测中的重大需求。利用量子点标记物所具有的多信号辨别能力、“富集”配体同时捕获多种金属离子的功能以及冠醚类化合物对金属离子的特异识别的性质，结合倏逝波光纤传感器的优点，发展一种高通量实时现场重金属离子筛查技术。本项目将重点研究特异性配体在量子点表面的修饰技术、量子点荧光性质的保持、“富集”配体在光纤传感区表面的植被技术和方法以及“富集”配体的植被密度与量子点尺寸相关的空间位阻效应；研究重金属离子多元检测的最佳结构参数，建立表征多元分析的方法；通过在高通量现场检测应用中相关基础科学问题的研究为此种创新性技术和新器件研究提供理论依据；获得一种基于荧光量子点的重金属离子多元检测光纤传感器的原型器件，为满足环境分析中对于现场快速多元检测重金属离子的需求提供一种源创性的技术平台。

重金属离子引起的水体污染一直是环境污染所面临的重大问题之一。重金属污染物来源广泛，不能被环境降解和破坏，在水体环境中具有更强的渗透性，更易发生迁移。重金属离子对人体的毒性具有可蓄积性，可沿食物链转移富集，其毒性有放大作用。相对于其它水体污染物，重金属污染对人类健康的潜在威胁更大。因此，发展重金属离子高通量现场快速筛查技术一直是环境检测中的重大需求。项目执行期间，我们主要研究了一种基于荧光量子点（QDs） 的重金属离子多元检测倏逝波光纤传感器的制备与应用。研究内容主要包括：筛选用于修饰于光纤表面的金属离子的“富集”配体以及用于特异性识别金属离子的功能配体； 采用一步法和两步法制备了油相CdSe/ZnS QDs并成功将其转移至水相；考察了量子点表面配体构象对量子点荧光性质的影响，在此基础上，将特异性识别配体修饰于量子点表面，得到荧光性质稳定的功能化量子点标记物；将富集配体修饰于光纤表面并将金属离子吸附于光纤表面，利用特异性配体对目标金属离子的识别作用，将量子点富集在光纤表面；利用量子点所具有的多信号识别能力，结合光纤倏逝波传感器的优点，发展一种可用于同时检测Cu2+、Pb2+、Hg2+等三种金属离子的检测传感器，其检出限均为nM 数量级。另外，在本项目研究工作基础上，我们也开展了利用光纤技术检测全血中的肿瘤标志物工作以及利用金纳米粒子的表面催化作用超灵敏检测环境水中的无机汞和有机汞等工作。