“慧眼识铜”-﹣基于双信号比率探针的可视化精准检铜新方法

申报人：陈文英申报日期：2026-05-14

基本情况

所属批次:

2026年批次

项目名称:

“慧眼识铜”-﹣基于双信号比率探针的可视化精准检铜新方法学生申报

项目类型:

创新训练项目

所属学科门类:

工学

所属专业类:

材料类

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:

高效、便捷的铜离子（Cu2+）检测技术在食品、环境等诸多领域需求迫切。尽管荧光检测法灵敏度高，但目前多数Cu2+荧光传感器仍采用单信号检测模式，易受环境干扰、仪器波动及探针稳定性等因素影响，导致检测效果不理想。针对这一问题，本项目探索开发新型的SQDs/AuNCs@ZIF-8荧光传感器，通过双发射信号的比率自校准机制，有效解决现有荧光传感器的问题，显著提升Cu2+检测的准确性与可靠性，为环境监测和食品安全领域提供创新的检测手段。

负责人曾经参与科研的情况:

无

指导教师承担科研课题情况:

指导老师现在承担有国家自然科学基金与广西重点研发计划等项目。

指导教师对本项目的支持情况:

指导老师将为本项目提供必要的实验条件和理论技术指导。

项目级别:

国家级

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	陈文英	材料科学与工程学院	高分子材料与工程（创新班）	2024	全面负责项目运行	第一主持人
2	苏奕喆	材料科学与工程学院	高分子材料与工程（创新班）	2024	样品制备	成员
3	覃曦雯	材料科学与工程学院	无机非金属材料工程	2024	性能测试	成员
4	汪思源	材料科学与工程学院	高分子材料与工程（创新班）	2024	性能测试	成员
5	余欣怡	材料科学与工程学院	高分子材料与工程（创新班）	2024	样品制备	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	周立	材料科学与工程学院	否	第一指导教师

立项依据

研究目的:

随着环境污染和健康问题的日益突出，对有害物质的快速、灵敏检测成为科学研究的重要方向之一。铜是人体必需的重要微量元素^[1]，在生物合成和代谢过程中发挥着关键作用。然而，过量的铜离子会对人体健康造成严重的危害，例如引发阿尔兹海默症、帕金森等神经性疾病。此外，铜在农业和工业中的广泛应用也导致其在环境中的积累，对生态系统和人类健康构成潜在威胁。世界卫生组织（WHO）规定饮用水中Cu²⁺允许的浓度为2 mg/L^[2]。因此，开发一种用于Cu²⁺高效、高灵敏检测的方法非常重要。然而，目前的大多数荧光传感器仍然依赖于单信号检测模式，该模式仅根据单一荧光强度的变化进行量化。这种方法容易受到环境干扰、仪器波动和探针荧光稳定性的影响，导致严重的检测误差和难以实现视觉识别的问题。因此，开发具有双信号响应特性的比率荧光探针已成为当前研究的重要突破方向。

为解决这些问题，本项目致力于开发具有双信号响应特性的比率荧光探针。利用沸石咪唑酯骨架结构材料-8（ZIF-8）具有高比表面积，可调控的孔隙结构、优异的化学稳定性及表面功能化的潜力，将荧光硫量子点（SQDs）和金纳米簇（AuNCs）作为荧光探针封装在ZIF-8中制备成SQDs/AuNCs@ZIF-8荧光传感器，以可以解决荧光材料稳定性差的问题，并通过双发射信号的比率自校准机制显著提升检测Cu2+的可靠性，为食品安全、环境检测和生物医学等提供新的技术手段。

研究内容:

1.SQDs/AuNCs@ZIF-8纳米复合材料的制备

本研究的核心在于构建“双信号比率荧光探针”，通过将荧光硫量子点（SQDs，蓝色荧光）和金纳米簇（AuNCs^[3]，橙色荧光）封装在沸石咪唑酯骨架-8（ZIF-8）中，形成SQDs/AuNCs@ZIF-8复合材料（图1）。本项目我们将从不同反应条件下检验此探针对Cu²⁺的检测效果以及其稳定性。

图1. SQDs/AuNCs@ZIF-8的制备示意图。

2.探针稳定性和选择性研究

我们将深入研究“双信号比率荧光探针”对Cu²⁺的检测效果，考察不同环境下对Cu²⁺的检测效果的影响，以评估该探针的稳定性。本项目我们将会在多种金属离子（Mn²⁺、Ni²⁺、Pb²⁺等）共存时研究SQDs/AuNCs@ZIF-8对Cu²⁺的选择性和抗干扰性，以确保该探针对Cu²⁺的检验效果。

3.对探针检验效果的验证

本项目我们将通过两种检测平台（智能手机传感平台、纸基传感器）来检验探针的检验效果（图2和图3），在此期间我们会用真实样品（自来水、葡萄果汁和波尔多液）来检测Cu²⁺，以确保该探针的高准确性和环境适用性。为进一步拓展探针的实用场景，项目后续还将针对蔬菜样品（如娃娃菜、香葱）及土壤样品开展铜离子检测实验，旨在为农业生产中重金属污染的快速筛查与环境监测提供更全面、更贴近实际需求的技术支持。

图2. 基于SQDs/AuNCs@ZIF-8传感器检测Cu²⁺的流程。

图3. 智能手机RGB分析技术用于量化蔬菜及土壤样品的荧光颜色变化。

国、内外研究现状和发展动态:

到目前为止，研究者们已经开发出了多种基于纳米材料的铜离子光学传感器，包括金纳米颗粒比色传感器、量子点荧光传感器和二维材料电化学传感器。例如，张长胜^[4]等人从碳量子点的检测机理与荧光传感器的类型出发论述了其在Cu²⁺检测中的研究进展；张紫玉^[5] 等人开发了一种新型的比率荧光分析方法用于分析和检测铜离子（Cu²⁺）；李红^[6]等人构建了一种基于金纳米棒刻蚀的比色传感平台，用于检测水环境中的铁和铜。但是，现有的部分纳米传感器制备过程涉及有毒试剂，这不仅可能导致环境二次污染，还可能影响检测结果的生物安全性。

另一方面，与依赖于单信号检测模式的大多数荧光传感器相比，近些年新研制出的金属有机框架（MOF）材料体现出了其优越性^[7]。尤其是沸石咪唑酯骨架结构（ZIF）因其具有高比表面积，可调控的孔隙结构、优异的化学稳性及表面功能化的潜力，被众多研究者们应用在荧光传感领域。ZIF-8的应用可以用作保护涂层，以提高嵌入的荧光探针对外部环境的耐受性，并赋予荧光探针良好的稳定性以降低荧光自猝灭效应。同时，可以利用ZIF-8的孔径筛分效应选择性排除大分子干扰物，从而显著增强检测特异性。所以，开发具有双信号响应特性的比率荧光探针^[8]，为现场检测提供更稳定、直观、便捷的解决方案不仅具有挑战性，也是一项极具价值的研究工作。

创新点与项目特色:

1.构建双信号比率荧光探针并实现ZIF-8高效封装

本项目创新性地采用SQDs（蓝色参比信号）与AuNCs（橙色响应信号）构建了双发射比率荧光探针，并通过ZIF-8封装显著增强其荧光稳定性与检测性能，提升抗紫外稳定性、荧光效率与抗干扰性，为实用化荧光传感器奠定材料基础。

2.智能与便捷化的检测平台

本项目采用智能手机传感平台和纸基传感器双模式体系来检测实验成果，结合移动端图像分析与纸质传感，突破实验室检测限制，可以让成果的检测便捷化。

3.为解决复杂环境中重金属离子检测提供新策略

所开发的SQDs/AuNCs@ZIF-8复合材料不仅实现对Cu²⁺的高灵敏、高选择性检测，其设计理念与复合结构也为其他重金属离子的荧光传感研究提供了可推广的技术路径。在环境监测^[9]、食品安全^[10]及生物医学^[11]等领域具备重要的应用潜力。

技术路线、拟解决的问题及预期成果:

1.技术路线

本项目整体技术路线如图4所示

图4. 整体技术路线图。

具体技术路线包括以下几个部分：

1)SQDs@ZIF-8的制备与性能测试

通过一步法制备锌离子诱导的ZIF-8生长策略，采用原位封装SQDs的方法成功制备出SQDs@ZIF-8复合材料。对所制备的SQDs@ZIF-8进行详尽的系统表征，从而评估其整体形貌和尺寸分布。

2)SQDs/AuNCs@ZIF-8及其纸基与手机传感平台对Cu²⁺的检测性能评价

研究SQDs/AuNCs@ZIF-8对Cu²⁺的简单、快速且可视化的实时检测，利用SQDs/AuNCs@ZIF-8作为检测剂，选取自来水、葡萄果汁和波尔多液三种真实样品，探究证实样品中Cu²⁺的检测效果。

2.拟解决的问题

目前的大多数针对Cu²⁺的荧光传感器仍然依赖于单信号检测模式，该模式仅根据单一荧光强度的变化进行量化，这种方法容易受环境干扰、仪器波动和探针荧光稳定性的影响。因此，本项目探索研究对Cu²⁺具有双信号响应特性的SQDs/AuNCs@ZIF-8的制备，考察其用作比率荧光探针用于Cu²⁺的高灵敏检测。同时，为了实现Cu²⁺的可视化检测，将SQDs/AuNCs@ZIF-8荧光传感器与智能手机色度分析软件相结合，进一步开发便携式Cu²⁺检测方法。

3.预期成果

1)制备出基于SQDs/AuNCs@ZIF-8的双信号响应特性荧光传感器，结合纸基传感与手机应用软件，实现其对Cu²⁺的灵敏及便携式检测。

2)研究结果撰写发表SCI或EI收录论文1篇。

3)通过本次项目训练，提高本项目成员的创新能力和利用所学知识解决问题的能力。

项目研究进度安排:

2025.05-2025.06：查阅资料，制定详细的研究计划，准备开展项目实验所需的试剂、耗材等。

2025.07-2025.11：制备SQDs、SQDs@ZIF-8和SQDs/AuNCs@ZIF-8，对SQDs/AuNCs@ZIF-8进行形貌与结构分析以及荧光稳定性研究。

2025.12-2026.02：利用SQDs/AuNCs@ZIF-8的比率应用信号检测Cu²⁺并探究其对Cu²⁺的检测选择性，将SQDs/AuNCs@ZIF-8 荧光传感器与智能手机色度分析软件相结合，探索便携式传感器实现Cu²⁺的高灵敏度检测。

2026.03-2026.05：整理实验数据，撰写发表论文，准备结题报告。

已有基础:

与本项目有关的研究积累和已取得的成绩:

团队成员已在周立教授指导下开展系列前期实验，成功制备出SQDs@ZIF-8复合材料。初步检测结果表明，该材料对Cu²⁺表现出优异的荧光响应性能，灵敏度高于多数已报道荧光探针，能够满足实时、快速的检测需求。在此基础上，团队进一步开发了基于智能手机的便携式Cu²⁺检测方法，初步验证了其在现场检测中的应用潜力。指导老师周立教授所在团队长期致力于纳米复合材料的制备与应用研究，已在相关领域发表SCI学术论文100余篇，积累了扎实的理论与实践基础。上述研究积累与前期成果，为本项目的顺利实施提供了可靠支撑。

已具备的条件，尚缺少的条件及解决方法:

项目团队已具备以下实施条件：材料科学与工程学院拥有完备的材料表征与性能测试设备，能够满足本项目全程研究需求。在技术层面，团队成员已熟练掌握荧光SQDs与ZIF-8的核心制备工艺^[12]，并熟悉相关材料的结构表征与性能测试方法，为项目顺利推进提供了坚实的技术保障。当前，本项目在技术集成与应用拓展方面尚存提升空间。为实现技术的更大价值，团队计划推进以下工作：未来，团队将致力于推进该荧光传感技术与便携式智能设备的深度融合，并探索将其与其他技术联用，构建多信号协同检测体系。提升检测的可靠性、拓宽其应用范围，从而挖掘该技术的深层潜力并扩展其应用领域。

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	10000.00	无	5000.00	5000.00
1. 业务费	5000.00	无	2500.00	2500.00
（1）计算、分析、测试费	4000.00	无	2000.00	2000.00
（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	1000.00	无	500.00	500.00
（5）论文出版费	0.00	无	0.00	0.00
2. 仪器设备购置费	0.00	无	0.00	0.00
3. 实验装置试制费	0.00	无	0.00	0.00
4. 材料费	5000.00	无	2500.00	2500.00

结束