基于离子载体的新型纳米传感器及其细胞内分析应用

The measurement of ion concentration (and activity) is an important field in analytical chemistry and has a number of applications in areas including clinical diagnostics, environmental science, food safety, battery and energy related industry. Ion-selective sensors is a type of measuring tools that can be conveniently used in situ and in real time. In particular, ion-selective nanosensors are even more attractive because of their capability of measuring samples with ultrasmall volumes. Ionophores have been extensively used in ion-selective electrodes, and they are getting more and more attention in ion-selective nanosensors as well. However, ionophore-based ion-selective nanosensors are currently limited by the materials and the sensing principles, and hence, still await a big step forward...This project will focus on fundamental research and aim at establishing novel ionophore-based ion-selective nanosensors, including the development of new sensing concepts to overcome the sensitivity issues, novel materials based on organosilica to improve selectivity and robustness, and intracellular applications. The major novelty of the project includes: (1) Signal transducing molecules with higher valence were proposed for the first time to increase the sensor sensitivity, which is especially important for multivalent analyte ions. (2) The combination of ionophores and organosilica nanomaterials to obtain versatile ion-selective nanosensors thank to the equally versatile silica chemistry.

水溶液中离子浓度（及活度）的定量分析是化学测量学的重要分支，它在多个领域（如临床诊断、环境、食品安全、电池和能源等）发挥着重要作用。离子选择性传感器是一类能够实时、原位、快速检测离子种类及含量的工具，而纳米离子传感器因能够在样品体积很小的条件下进行离子浓度测量而更具吸引力。离子载体在离子选择性电极中被广泛应用，在纳米离子传感器中也越来越受关注。但目前基于离子载体的纳米传感器种类相对有限，并且传感原理缺乏创新，尚有很大发展空间。..本项目将侧重基础研究，旨在建立新型的基于离子载体的纳米离子光学传感器平台，我们将侧重传感原理和传感材料两个方面，并在细胞层面进一步拓展该类纳米离子传感器的应用。主要特色与创新之处在于：（1）首次提出利用调控信号传导分子的价态克服能斯特方程中因待测离子价态升高导致的检测灵敏度降低问题。（2）首次尝试将离子载体和有机硅纳米颗粒结合制备多样的离子传感器。

离子选择性化学传感器能够实现水溶液中离子浓度(及活度)的精确快速定量，在多个领域(如临床诊断、环境、食品安全、电池和能源等)发挥着重要作用。这类基于电化学和光学的传感器能够实时、原位、及在线检测离子含量，其中纳米离子传感器能够在小体积样品中进行离子浓度测量，因而更具吸引力。离子载体在离子选择性电极中被广泛应用，在纳米离子传感器中也越来越受关注。但目前基于离子载体的纳米传感器种类相对有限，并且传感原理缺乏创新，尚有很大发展空间。..本项目基于离子载体建立了一系列新型纳米级离子选择性化学传感器，获得了对多种无机离子（如H+、Na+、K+、Ca2+、Pb2+、Cu2+、Cl-等）的高选择性光学传感材料和方法，并挖掘了这些纳米级离子选择性传感器在生物医学样品（如细胞、血清、尿液、汗液等）中的分析传感应用。我们创新性的提出了一系列信号转导分子和途径，包括：1）生色离子的荧光共振能量转移和相关稳态荧光各向异性；2）水凝胶中扩散控制的离子流造成的肉眼可见的距离变化；3）通过具有溶剂化效应的正电荷染料分子在三相体系间的转移现象实现高选择性离子传感；4）以近红外荧光染料（DTTC）作为纳米级离子光极的信号转导分子，实现对K+、Pb2+、Cu2+的高选择性和超灵敏检测；5）利用光泽精作为信号转导分子发展了首个普适性化学发光离子选择性传感平台；6）利用聚集诱导效应的获得了一种对样品pH变化不敏感的高选择性纳米级离子传感器；7）基于金属卟啉类化合物构建了一种氯离子选择性纳米级化学传感器。..此外，项目还研究了近期广受国内外关注的基于溶剂化效应分子的纳米级离子选择性化学传感器，首次关注了这类传感器中阴离子的干扰的规律，研究发现了阴离子干扰符合Hofmeister序列。最后，在离子选择性化学传感器大领域，我们与国外学者合作研究了电极电位至电化学发光转导的传感技术以及新型全固态参比电极的原理与应用。