基于荧光纳米金测定汞离子的新分析方法研究

申报人：吴恒鲜申报日期：2025-05-26

基本情况

所属批次:

2025年批次

项目名称:

基于荧光纳米金测定汞离子的新分析方法研究学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

理学

所属专业类:

化学类

项目来源名称:

学生来源于教师科研项目选题

项目归属学院:

项目期限:

一年期

项目简介:

传统的重金属汞检测方法检测过程复杂、检测成本高，难以应对自然环境及样品快速检测的实际需求，且纳米金簇（AuNC@BSA）探针对Hg2+有响应发生荧光淬灭的反应具有灵敏度高、成本低可视化效果好等特点，本项目利用荧光传感技术在Hg2+快速检测系统的基础上进行创新，以便增强荧光探针的灵敏度和荧光产率、降低Hg2+的检出限，并实现便携、操作简便、灵敏度高、检测周期短、成本低的检测需求，实现对重金属汞检测的进一步优化。

负责人曾经参与科研的情况:

1、参与过两项大创项目

2、参与过大学生挑战杯竞赛

3、已进实验做可行性探究实验和合成基础探针有半年时间

指导教师承担科研课题情况:

1. 国家自然科学基金“枝状纳米金为单一薄膜的背景荧光猝灭免疫层析法”（22064008），2021.01-2024.12

2. 桂林市重点研发计划“现场快速检测炎症标志物的新型荧光免疫层析试纸条”（2020010323），2020.09-2023.08

3. 广西自然科学基金“微液滴电化学荧光法测定广西岩溶铝土矿区水中的铝”（2017GXNSFAA198340），2017.09.30-2021.01.29

4. 国家自然科学基金“染料聚集体/Au纳米结构中激子-表面等离子体耦合的电化学调制及生物分析应用”（21265005），2013.01-2016.12

5. 国家自然科学基金“催化生长Au纳米粒子的光电多功能免疫传感器”（20905016），2010.01-2012.12

6. 广西自然科学基金“有机、无机半导体/Au复合纳米材料的制备与光电催化性能研究”(2013GXNSFBB053009)，2013.4-2016.4

7. 广西自然科学基金“有机-金属配合物及量子点光电功能纳米材料生物传感器研究”（桂科青0991082），2009.03-2012.03

指导教师对本项目的支持情况:

1、指导老师主要从事功能纳米材料的合成及在环境分析化学、生化传感器等领域的应用和产业化研究，可为本项目提供理论技术指导，并在项目经费、实验设备、实验条件等方面提供支持，为项目顺利完成提供保障。

指导老师主要从事团委工作和带领学生各项实践、比赛项目，可为本项目在资源获取（资金、设备场地、文献资源）、团队建设（人员招募协调、培训提升）、项目管理与推广（进度监督指导、成果宣传转化）等多方面为科研项目提供有力支持，助力项目顺利推进与发展。

项目级别:

区级

项目成员

序号	学生	所属学院	专业	年级	项目中的分工	成员类型
1	吴恒鲜	化学与生物工程学院	应用化学（创新班）	2022	统筹管理、设计方案、合成荧光纳米探针	第一主持人
2	胡艺琳	化学与生物工程学院	应用化学（创新班）	2024	检测汞离子	成员
3	张依婷	化学与生物工程学院	应用化学（创新班）	2022	收集数据和数据处理	成员
4	覃朗	化学与生物工程学院	应用化学（创新班）	2024	探针表征和性能探究	成员

指导教师

序号	教师姓名	所属学院	是否企业导师	教师类型
1	潘宏程	研究生院、学科建设办公室	否	第一指导教师
2	宋海民	化学与生物工程学院	否	指导教师
3	张声岚	机械与控制工程学院	否	指导教师

立项依据

研究目的:

改革开放以来，随着我国经济的高速发展，环境污染问题也愈加严重，其中的重金属污染无论是从人民身心健康还是从环境方面来说都是不可忽视的危害，严重影响到了我国的生态平衡建设和民生食品安全。Hg²⁺是重金属离子之一，可导致人类神经、肾脏、免疫、心脏、运动、生殖和遗传疾病，即使在 5 μg/L 的低浓度下，仍然对生物体和生态系统产生高毒性。人们日常生活接触到的 Hg ²⁺主要是以气态或液态形式存在，前者主要来源于岩石风化和水中的蒸发，后者主要来源于采矿活动、城市垃圾、石油和煤炭燃烧、水泥生产等过程中排放的废水，这些污染物给人类造成潜在威胁，震惊世界的日本水俣病就是人们长期食用被 Hg²⁺污染的鱼类所造成的。因此，研究如何检测 Hg ²⁺在水生环境中的广泛分布以及食物链中的生物累积具有重要意义。

与其他污染物不同的是，重金属离子很难被降解，但很容易通过食物链在人体内富集，从而导致许多疾病的发生植物和动物。公共卫生方面的关注正试图尽可能地修复、控制和减少这种污染，但世界上的水污染仍然很严重。从生态毒理学的角度来看，开发敏感和选择性的方法来检测环境中低水平的重金属离子是势在必行的[7]。目前，光谱检测技术（原子发射光谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法和电感耦合等离子体质谱法）被广泛应用于金属离子的检测。这些技术虽然灵敏可靠，但需要庞大精密的仪器、复杂的操作过程和高昂的维护费用。电化学方法具有成本低、时间经济、使用方便和可靠等优点。一些电化学技术，如伏安法、电抗法、电位法、电导法和安培法，可用于检测重金属离子。不过，与光谱技术和光学方法相比，这些电化学技术的灵敏度通常较低。在光学方法中，荧光方法因其灵敏度高、成本低、操作方便而被广泛应用于金属离子的测定。在众多重金属离子检测方法中，荧光探针法具有灵敏度高、特异性强、方便快捷等特点。且荧光纳米金簇（AuNCs）探针对Hg²⁺有响应发生荧光淬灭的反应具有灵敏度高、成本低可视化效果好等特点。

本项目旨在开发一种灵敏、准确、快速检测而且具有高选择性、低检出限的荧光纳米金探针检测汞离子的新方法。以BSA作为还原剂与氯金酸合成荧光纳米金（AuNCs@BSA）探针，探索提升荧光量子产率的合成方法以及深入探究合成荧光强度更好、性能优异的荧光探针；并研究其与汞离子的相互作用机制，阐明荧光强度变化和汞离子浓度之间的定量关系，致力建立准确的检测模型。最终实现检测汞离子低的检出限，通过固载实现便携、操作简便、灵敏度高、检测周期短、成本低的检测需求，实现对重金属汞检测的进一步优化，为相关部门提供一种便捷、高效的新型汞离子检测方法，有助于及时发现汞污染问题，采取有效的治理措施，保护生态环境和公众健康。

研究内容:

本课题拟以基于荧光纳米金AuNCs@BSA传感器检测汞离子为研究对象，以BSA作为还原剂与氯金酸合成荧光纳米金（AuNCs@BSA）探针，研究BSA的哪种氨基酸残基与氯金酸反应生成荧光纳米金的原理机制，从而对合成方法进行改进以提高荧光纳米金探针的荧光量子产率和灵敏度，以合成荧光强度更好、性能优异的荧光探针，并研究其与汞离子的相互作用机制，阐明荧光强度变化和汞离子浓度之间的定量关系，致力建立准确的检测模型，借助智能手机观测RGB值达成对水样中的汞离子的检测。本项目以水样中的汞离子离子为研究对象，以荧光纳米金探针技术为核心手段，荧光法为实验方法，该项目主要内容有：

（1）合成纳米金AuNCs@BSA探针，即牛血清白蛋白修饰的金纳米团簇(AuNCs@BSA)

（2）基于探究合成机制，研究增强荧光纳米金探针的荧光量子产量以得到性能优异的荧光探针

（3）以汞离子为检测对象，探究如PH等因素对荧光产率的影响

（4）探究不同梯度荧光产率/荧光猝灭率，寻找适合汞离子的探测梯度

（5）机器学习的方法对RGB建立数学模型实现浓度预测

国、内外研究现状和发展动态:

重金属离子在农业、工业和饮用水中无处不在，因此在许多国家构成了严重的环境问题。与其他污染物不同的是，重金属离子很难被降解，但很容易通过食物链在人体内富集，从而导致许多疾病的发生。重金属(如 Pb²⁺、Cu2+、Hg²⁺) 的毒性、持久性、不可生物降解特性，对生态环境和人类健康产生了严重的负面影响。因此，做好水中Hg²⁺的检测工作对人体健康具有十分重要的意义。

Hg²⁺的检测方法主要分为仪器分析检测和传感分析检测。传统的仪器分析检测方法主要包括原子吸收光谱法（AAS）、原子发射光谱法（AES）、原子荧光光谱法（AFS）和元素质谱法（EMS）等。仪器分析检测法在检测灵敏度和准确度方面有较大优势，但因其昂贵的设备要求、复杂的样品前处理过程及较长的检测周期等因素的限制，导致仪器分析检测法无法用于Hg²⁺的现场、快速检测。传感检测技术如比色法、荧光分光光度计法、电化学方法和表面增强拉曼光谱法等在检测速度、前处理过程等方面展现出显著优势。表面增强拉曼光谱（SERS）通过金、银等贵金属材料大幅增强目标物质的拉曼信号，实现痕量物质的检测，其除了具有指纹谱图特征外，还具有样品前处理简单、检测速度快、所需样品少等优点，进而在食品安全检测领域居于独特的地位。Zou等通过将富含Ｔ碱基的适配体修饰到金纳米粒子上进行Hg²⁺的SERS检测，检测限为1.0 ng/L，但其检测探针的构建，需借助DNA的功能化及拉曼信号分子的标记等修饰过程，检测过程相对复杂。Ma等使用甲巯咪唑和环糊精进行银纳米粒子的修饰，得到功能化的SERS探针检测水样中的Hg²⁺，检出限为0.1 μg/L，但银纳米粒子具有稳定性较差且容易聚集的劣势。因此，找到一种易于操作且性能稳定的Hg²⁺检测方法尤为重要。

当前国内外针对汞离子的检测方法中，吸收光谱法、电感親合等离子体质谱法、电化学分析法、生物化学分析方法是主要使用的检测方法。[1]在众多重金属离子检测方法中，荧光探针法具有灵敏度高、特异性强、方便快捷等特点。荧光纳米材料具有较高的荧光强度和良好的光稳定性，将其应用于离子检测还具有灵敏度高、选择性好、操作简单、成本低、可视化效果好等特点。目前，研究较多的荧光纳米材料主要包括金属纳米簇、半导体量子点、碳点等。凌洁等制备了以半胱氨酸为稳定剂的金纳米簇作为检测水中Cu²⁺的荧光探针。Zhang等[制备了金纳米簇作为检测Ag⁺和Hg²⁺的双功能荧光探针。Zhang等构建了一种基于量子点的比率荧光探针(G-QDs和R-QDs)对水样中的Cu²⁺进行检测。Xu等构建了Arg/Glu-CQDs荧光探针用于对水样中Fe³⁺的检测。Wang等合成了FA-CQDs用于检测水溶液中的Hg²⁺。研究得知，荧光纳米探针对水样中的重金属离子的检测可操作性强，实验结果可观。荧光纳米材料具有较高的荧光强度和良好的光稳定性，将其应用于离子检测还具有灵敏度高、选择性好、操作简单、成本低、可视化效果好等特点，研究得知，荧光纳米探针对水样中的重金属离子的检测可操作性强，实验结果可观。

创新点与项目特色:

（1）构建高灵敏度的检测模型，实现对汞离子的定性定量分析：依托桂林理工大学化学与生物工程学院重点实验室和功能纳米材料科研团队，以及机械与控制学院优异的机器学习、编程技术对数据进行分析并建立一个高灵敏度的检测模型，最终探索出实现对汞离子的定性定量分析的新方法。

（2）荧光强度、稳定性好：目前最可用的传感指示剂为有机染料，而本项目则采用金属纳米团簇为传感指示剂，具有稳定的荧光强度和颜色持续性，以及光稳定性。

（3）创新型合成高荧光量子产率荧光探针：深入研究BSA中基团对于氯金酸的原理机制，明确是各种基团对该反应有作用，并通过增加有效基团来增强探针的荧光量子产率。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

（1）技术路线：本实验根据上述的研究内容采用以下技术路线

（2）拟解决的问题：

①　明确何种基团对合成荧光纳米金探针有增强作用，并理清其作用机制，总结反应原理。

②　实验仪器大型化、维修成本高昂以及检测方法多应用于常量分析等难题，需构建一个简便、便宜的检测模型。

③　解决汞离子在碱性条件下水解对于检测的影响。

④　探究增强荧光纳米探针量子产率的创新性合成方法。

（3）预期成果：

①　理论方面：通过创新性手段实现性能优异的荧光纳米金AuNCs@BSA探针的制备，探索改其合成的原理机制并总结其的制备方法、发光波长、发光效率等基本规律，为其他研究提供参考；

②　材料方面：制备高量子产率的纳米金AuNCs@BSA纳米荧光探针，并构建高灵敏度、低检出限的汞离子检测模型；

③　在国内外发表SCI论文1篇；

④　申请国家发明专利1项。

项目研究进度安排:

1、2024年12月-2025年1月，准备阶段：结合前期进行的实验探究，明确研究任务和研究目标，对本项目的研究内容进行全面和深入的理解，研读国内外相关文献，充分掌握相关知识，并与指导老师进行沟通、交流，最后对各种资料进行归纳及整理，并设计实验合成探针方案和检测方案。

2、2025年2月-2025年4月，合成阶段：合成荧光探针并探究其机原理机制。

3、2025年5月-2025年6月，检测阶段：对重金属进行检测并收集数据。

4、2025年7月-2025年9月，模型构建阶段：对收集到的数据进行数据处理并构建汞离子检测模型。

4、2025年10月-2025年12月，结题阶段：论文及报告撰写。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

1.与本项目有关的研究积累和已取得的成绩

有关的研究积累：

已有的研究成果：用牛血清蛋白质还原法合成了高荧光金纳米团簇（AuNCs@BSA）。制备的NC由25个金原子（Au25）组成，并发射出强烈的红色荧光（lemmax=640nm）。团簇表面有少量Au⁺（B17%）稳定，Au⁺与Hg²⁺有强的特异性相互作用。

图（a）基于由高亲和力亲金属Hg²⁺-Au⁺键产生的AuNC的荧光猝灭的Hg²⁺感测的示意图。(b)AuNC（20mM）在（1）不存在和（2）存在Hg²⁺离子（50mM）的情况下在UV光（354nm）下的光发射光谱（lex=470nm）和（插图）照片

团队参考已有的研究进行可行性探究：用BSA和氯金酸在碱性条件下进行孵育，已合成有荧光性质的荧光金纳米材料，并且将其与系列汞离子浓度进行了初步测试，有明显的信号响应，确保了项目实验的可行性。

荧光纳米金探针的荧光发光情况

已取得的成绩：

（1）团队组建：团队构成由高年级和低年级相结合的形式，年纪分布合理，并且本团队人员均对项目所涉及技术及理论知识有一定了解；

（2）实验可行性探究：本团队依托荧光纳米实验室以及老师的指导，在没有开展申报前对实验可行性进行了预实验和荧光探针初步合成实验，为后续实验的顺利开展奠定了坚实的基础；

（3）文献综述撰写：本团队完成了关于荧光阵列传感器制备、荧光探针检测重金属等方面的文献综述撰写，对实验背后的原理进行较为深入的了解，为后续实验的开展提供了扎实的理论基础；

（4）实验培训：本团队在开展预实验探究前对团队人员围绕化学实验安全事项、规范操作和高精仪器使用等方面开展了系统的培训，保证了后续实验的安全进行。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

已具备的条件：

（1）实验设备：所在学院具有多个重点实验室和研究功能纳米材料的科研团队，配备有完备的实验室条件和基本的实验设备和仪器，如傅里叶红外光谱仪、紫外吸收分光光度计、荧光分光光度计、质谱仪等高精设备，为本项目的开展提供了保障。

（2）研究基础：指导教师有自己的纳米技术和荧光技术专利，并在该领域获得过多项国家自然科学基金，为本项目研究提供了扎实的科研指导。

尚缺少的条件及解决方法：

资金支持：缺乏足够的资金来支持实验耗材、试剂的购买等。

解决方法：申请学校的项目配备资金和指导老师的资助。

经费预算

开支科目	预算经费（元）	主要用途	阶段下达经费计划（元）
开支科目	预算经费（元）	主要用途	前半阶段	后半阶段
预算经费总额	12000.00	无	4000.00	8000.00
1. 业务费	7000.00	测试、分析费用和论文版面费	1000.00	6000.00
（1）计算、分析、测试费	2000.00	核磁、光谱等测试与分析费用	1000.00	1000.00
（2）能源动力费	0.00	无	0.00	0.00
（3）会议、差旅费	0.00	无	0.00	0.00
（4）文献检索费	0.00	无	0.00	0.00
（5）论文出版费	5000.00	论文版面费	0.00	5000.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	2000.00	氮气、氧气	1000.00	1000.00
4. 材料费	3000.00	购买实验试剂	2000.00	1000.00

结束