基于三维纳米多孔超材料的重金属离子筛查技术的研究

Recently, the pollution incidents of heavy metal ions happened frequently. Heavy metal ions as environmental pollutants have serious medical effects since most heavy metal ions accumulation in human body through food chains and drinking water cause irreversible damage of brain and central nervous system as well as other chronic diseases. Therefore, highly sensitive and on-site detection of heavy metal ions in aqueous media is important in molecular biology and environmental and food monitoring, as well as in clinical toxicology. Nondestructive optical detection is very attractive for on-site analysis of ions because of the obvious merits in remote and fast acquisition in natural environments, high toxic sources, and even in living organisms. In this study, combining surface enhanced Raman spectroscopy with specific adsorbed oligonucleotide group, we will develop a nanoporous gold based plasmonic sensor to realize the sensitive and rapid detection of heavy metal ion, meanwhile, systemically study the distribution of heavy metal ions in plants adopting syringe-injectable ductile SERS chip. And provide evidence and method to fully understand the transporting and enduring mechanisms in plant.

近年来各类重金属离子的污染事件频发。作为污染物的重金属可以通过生物链和饮用水在人体内富集，其含量过高时，会对大脑和中枢神经系统造成不可修复的损伤及一些其他的疾病。因此，实现水体中重金属离子的快速超灵敏检测对于分子生物学、环境及食品监测都很重要。无损光学检测，因其可在自然环境、剧毒环境甚至活体组织中实现观测，在离子原位分析中很吸引人。本课题拟设计制作SERS基底，利用纳米金对信号的放大作用和配合物对重金属离子的选择作用，来实现多种重金属离子的定性定量检测。同时，开发检测技术，将表面增强光谱技术与共振增强拉曼和受激拉曼相结合，在追踪重金属离子的同时，系统研究其在不同环境中的形态的变化；通过柔性光学增强芯片原位研究植物体内重金属离子的分布及其与植物体相互作用，从分子水平上来探讨植物对重金属离子的吸收、积累和忍耐机理。

重金属作为一种持久性污染物已越来越多地被关注和重视。重金属可以通过生物链和饮用水在人体内富集，其含量过高时，会对大脑和中枢神经系统造成不可修复的损伤及一些其他的疾病，已经严重威胁和影响人类的生存和发展。基于这种情况，实现水体中重金属离子的快速超灵敏检测对于分子生物学、环境及食品监测都很重要。无论污染的预防监测还是治理、修复都需要精密、可靠的检测分析技术。根据应用需求不同，对检测技术及方法的要求也不同。例如：污染程度不同，重金属含量迥异，检测方法线的动态工作范围能否满足要求；含量很低，灵敏度是否足够；为准确确定污染源，检测技术是否可以实时快速等。基于光谱学的测量方法由于其无损性、非接触性、灵活性、快速性、易操作性等特点，相关技术在水体检测领域应用中有着不可替代的优势。.本项目重点研究基于表面增强光谱的重金属离子检测技术。开发了一系列基于纳米多孔结构的高性能表面等离子体增强材料，并对基底的制备工艺进行了优化完善，实现了重复标准化制作；与此同时，采用FDTD（Finite Difference -Time Domain，）和VASP（Vienna Ab-inito Simulation Package）模拟方法对多孔结构表面等离激元特性进行了研究，为构建高性能表面等离激元材料提供理论支持；在此基础上，将多孔金属基底应用于重金属离子检测中，采用光谱技术，电化学传感技术，以及电化学辅助光谱技术实现了水体（地下水，河水等液体）中纳摩及更低量级不同种类重金属离子的检测；搭建并完善了拉曼成像系统。项目研究过程中开发的相关检测技术无需对水体样品预处理，简单快捷，便于应用及推广；设计制作的表面等离子体增强基底材料，由于其结构稳定可以拓展到多种类痕量物质检测，有效提高拉曼光谱探测技术的应用范围。