新型重金属离子检测和清除一体化材料的设计、制备及性能研究

There are still two challenges in the current integrated materials for the detection and scavenging of heavy metal ions: (1) Mutual interference between the detection group and the scavenging group caused by the disorderly distribution of the groups, and (2) uncontrollable scavenging process. In response to these two challenges, a novel concept of combining isolated load and controlled release is proposed. With the uniquely structured hairy cellulose nanocrystalline (HCNC) as the carrier, the detection groups and scavenging groups are respectively loaded on the ends and middle parts of HCNC by rational chemical design, eliminating electrostatic interference between the two kinds of groups. At the same time, through the ingenious introduction of photosensitive groups, the activation/release mechanism of scavenging groups is given to realize the controllable expression of scavenging function. This work could not only construct a research system from the structure design of the group to the control of the material properties, but also develop new mechanisms and new approaches for the matching and optimization of detection function and scavenging function, which will provide guidance for further development of integrated materials for the detection and scavenging of heavy metal ions.

本项目针对现有重金属离子检测和清除一体化材料中，检测基元和清除基元因近邻杂乱分布而相互干扰、且清除过程不可控的问题，提出了隔离负载和控制释放相结合的新思路。以结构独特的多毛纤维素纳米晶（HCNC）为载体，通过合理的化学设计，将检测基元和清除基元分别负载于HCNC的端部和中部，消除两种基元之间的静电干扰；同时，通过光敏基团的巧妙引入，赋予清除基元可光控的激活/释放机制，实现清除功能的可控表达。因此，本项目不仅可以建立从基元结构设计到一体化材料性能调控的一整套研究系统，而且可以为一体化材料中检测和清除双功能的匹配和优化提供新的方法和机理，从而为更具应用潜力的重金属离子检测和清除一体化材料的开发提供必要的理论基础和技术支撑，具有重要的研究价值和应用前景。

本项目针对现有量子点荧光探针在重金属离子检测时存在的不适用于强酸环境、无法回收、信号输出稳定性差、易富集造成生物毒性、检测和清除互相干扰等问题，以纤维素和量子点合成改性为策略源，从嗜酸、可生物降解、超低检出限、可酸碱响应等角度，开发了多种在重金属离子检测领域具有优异应用潜力的荧光量子点材料。项目执行过程中获得的主要成果包括：（1）探索了一种以纤维素纤维为碳源，浓硫酸为碳化剂和掺杂剂制备硫掺杂碳量子点的方法，证实了该方法可以制备在强酸环境中（pH＜2）灵敏检测重金属离子的碳量子点；（2）以柠檬酸和邻苯二胺为原料，通过水热法制备了具有重金属离子荧光传感、生物成像和防伪应用能力的超高量子产率碳量子点，该量子点对汞离子的检测限达到24.1 nM，并且在自来水和湖水环境中同样具有优异的检测重复性；（3）合成Nb2C MXene量子点，该量子点探针耐光漂白性优异，可生物降解，信号输出稳定，通过调节环境pH能实现聚集态和分散态的可逆转变，具有回收重复使用的能力；（4）基于纳米晶纤维素pH诱导溶胶/凝胶转变的性质，设计合成了一种适用于强酸环境且可回收和再分散的复合荧光探针，该复合探针对铁离子的检出限达到0.06 mM。上述工作既可以在重金属离子便携荧光检测试剂或设备的开发研究中起到推动作用，还可以为其它基于纤维素或量子点的智能材料设计提供策略指引。