學校名稱

長沙理工大學

學生姓名

學  號

專      業(yè)

性 別

入 學 年 份

張煜楊

201567090113

應用化學

女

2015年

李佳欣

201567090111

應用化學

女

2015年

羅曉虎

201567090123

應用化學

男

2015年

易  球

201567090125

應用化學

男

2015年

徐紫琴

201567090105

應用化學

女

2015年

指導教師

張  玲

職稱

教  授

項目所屬

一級學科

化  學

項目科類(理科/文科)

     理  科

學生曾經參與科研的情況

1、本項目組成員對實驗和科研都有濃厚的興趣，在一年級基礎實驗的訓練中積累了一定的經驗。小組成員入校后積極參與老師的各項科研課題，在生物和化學知識方面經常做一些深入的探討，跟隨老師和研究生從事分析測試、化學生物傳感芯片方面的研究工作。在老師和研究生指導下完成了“一種基于二茂鐵修飾多肽探針的設計及其分析應用”項目的課題研究，同時參與了“一種金納米片負載碳納米材料的設計及其分析應用”的科研項目。

2、小組成員在課程學習的同時積極參與各項比賽，并取得了較好的成績。項目負責人張煜楊同學參與“湖南省第八屆化學化工創(chuàng)新技能大賽”榮獲二等獎；其它小組成員李佳欣、羅曉虎、徐紫琴、易球同學均參與 “湖南省第八屆化學化工創(chuàng)新技能大賽”，分別榮獲二等獎。

指導教師承擔科研課題情況

張玲老師長期從事分析測試、化學/生物傳感芯片、材料制備等方面的研究工作，先后主持或參與湖南省重點研究項目、省科技廳科技計劃項目、省自科項目、省教育廳科學研究項目等課題10余項，作為主要成員還參與了國家“863”計劃和國家自然科學基金項目等的研究工作。獲得湖南省科技進步三等獎兩項。1999年被湖南省科委授予“科技成果轉化與推廣先進個人”稱號。在國內外核心刊物和學術會議上公開發(fā)表研究論文30多篇，SCI、EI收錄10余篇。這些研究經歷足以證明張玲老師能夠很好地指導本項目組成員順利實施和完成研究創(chuàng)新性實驗。

項目研究和實驗的目的、內容和要解決的主要問題

1、研究和實驗的目的

1) 制備高靈敏度、高選擇性、高穩(wěn)定性的可同時測定尿酸和亞硝酸的新型的電化學傳感器，研究有自主知識產權的血清中尿酸與食品中亞硝酸鹽同時檢測方法和便攜檢測裝置以及新型傳感檢測涂膜技術等相關產品。

2）建立適用于同時檢測尿酸與亞硝酸的現代分析測試新方法，實現為糖尿病以及心血管等疾病快速診斷提供理論基礎、實驗依據及智能檢測。

2、研究和實驗的內容

1）本項目研究新型碳納米點-離子液體復合型材料(GQDs-CQDs-IL)用于尿酸和亞硝酸的同時超靈敏檢測。這種復合材料應有優(yōu)異的電學性能和穩(wěn)定性，無需對樣品進行分離處理即可同時檢測出尿酸和亞硝酸，抗干擾性強。制備出一種新型的選擇性傳感器，這種用于血清中尿酸與食品中的亞硝酸的同時檢測的關鍵在于制備出納米復合材料及其相應的涂層技術。

2）本項目將探討碳納米點-離子液體復合型材料傳感器的材料制備方法，提出一些新型材料制備方法如酸處理MWCNTs，使MWCNTs得到純化和表面帶有羧酸和羥基等含氧官能團等，使得粒子液體與多壁碳納米管通過共價鍵及較強“π～π”作用力，改善MWCNTs的纏繞和團聚，提高表面積和導電性。如可以使用混合石墨烯超聲振蕩技術，得到零維的石墨烯量子點和碳納米管量子點，將有利于對待測目標分子的吸附，將為目標分子尿酸和亞硝酸的氧化提供許多反應位點，可望制備電學性能優(yōu)異的傳感器。涂膜方法的選擇、涂膜物質的配比、涂膜量的多少與均勻程度決定了離子選擇性傳感器的穩(wěn)定性和靈敏性，超分子鍵合吸附作用是提高穩(wěn)定性、靈敏度的一個重要保障。

3) 在此基礎上，將對不同實驗條件下的傳感檢測裝置進行分析討論，得到最佳的針對尿酸和亞硝酸檢測的最佳掃描速率和pH。在傳感裝置的設計優(yōu)化過程中，要充分考慮對裝置各部分設計、加工制造的可行性，以及操作使用過程中的簡便性。探索研制具有自主知識產權的尿酸和亞硝酸的同時檢測方法和便攜檢測裝置以及新型傳感檢測復合材料制備等相關產品，以期形成該領域具有自主知識產權的關鍵技術與檢測方法，提高人體監(jiān)測和醫(yī)學檢測的方法和水平。

3、要解決的主要問題

1）研制靈敏性高、選擇性好、具有抗干擾性和長期穩(wěn)定性且比較經濟的復合材料。

2）研究出合適的電極可以直接進行在實際樣品中的檢測，能提高檢測效率，降低能耗，最終實現對人體體液的實時檢測。

國內外研究現狀和發(fā)展動態(tài)

人體體液中一些含氮的電活性物質量的變化與人體免疫、新陳代謝等機能的健康狀況息息相關。如人體中尿酸代謝不平衡時，會引發(fā)痛風，糖尿病以及心血管等疾病^[1-4]。而亞硝酸鹽易與胺類物質結合可生成一種致癌物質—N-亞硝胺^[5-6]，人如果長期或大量食用含亞硝酸鹽的食物容易致癌。因此準確測定人體內的尿酸和亞硝酸鹽含量，對于人體健康和生物醫(yī)學具有至關重要的意義。

目前文獻報道檢測尿酸和亞硝酸鹽的方法有很多，如光譜法^[7]，毛細管電泳法^[8]，高效液相色譜法^[9]，熒光探針法^[10]，電化學傳感器法^[11]等，其中電化學傳感器由于操作簡單、快速靈敏、成本低等優(yōu)點，已引起廣大學者的關注。如Zhou^[12]等基于鉑納米粒子負載石墨烯修飾的玻碳電極，實現對尿酸、多巴胺、抗壞血酸的同時檢測。如Yang^[13]等構建的基于碳化硅納米線和摻雜硼的碳化硅納米線的生物傳感器，實現了對亞硝酸鹽的靈敏檢測。然而由于尿酸和亞硝酸鹽的氧化峰電位差很小，不易分離開，因此尋找一種能實現對尿酸和亞硝酸鹽同時檢測的新型納米復合材料是目前研究的重點。

氧化石墨烯量子點（GQDs）是一種新型的零維碳納米材料，尺寸大小大約在10nm以下，含有大量的離域大π鍵和豐富的含氧官能團，易于吸附和被修飾其他生物分子^[14-15]。由于氧化石墨烯量子點具有特異的熒光效應,良好的耐光性、生物相容性、催化性、低毒性、化學惰性^[16-18]，被應用于生物成像^[19]，化學發(fā)光^[20]，光催化^[21]，和發(fā)光二極管^[22]等領域。而碳量子點（CQDs）具有優(yōu)異的導電性，光催化性以及良好的穩(wěn)定性，已被廣泛應用于傳感器、催化以及光伏器件等方面。由于CQDs與GQDs含有相似的共軛π鍵和含氧官能團，因此兩者可以通過“π～π”鍵作用相結合，同時兼?zhèn)鋬烧叩膬?yōu)異性能。另一方面，離子液體（[BMIM]BF₄）具有強的導電性和導熱性，比較寬的電化學窗口以及較好的熱穩(wěn)定性等。同時離子液體還表現出了響應速度快、轉變效果好、選擇性好、反應系統(tǒng)能夠多次反復利用等優(yōu)點。

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本項目學生有關的研究積累和已取得的成績

1、有關的研究積累

項目組成員在老師的指導下，依托我們學校較為先進的技術設備和老師豐厚的專業(yè)經驗，并結合各類電化學分析技術，如交流阻抗光譜方法、循環(huán)伏安法和電化學石英晶體微天平法等進行復合型碳納米點-離子液體復合納米材料的制備，并將其應用于實際樣品中尿酸與亞硝酸的檢測。

1) 本項目研究利用的是自組裝方法，制作復合納米材料修飾玻碳電極，以此選擇性檢測含氮小分子，同時摻入L-亮氨酸、DL-酪氨酸、甘氨酸、草酸、L-甲硫氨酸、葉酸、L-精氨酸和L-丙氨酸對待測物質尿酸和亞硝酸的干擾檢測，在最佳實驗條件下進行實驗，找到測定目標物質的最佳性能參數，比如重現性、穩(wěn)定性、回收率、離子的干擾性等。

2) 探討化學生物選擇性傳感器的制備方法，提出一些新型材料制備方法如酸處理MWCNTS，使MWCNTs得到純化和表面帶有羧酸和羥基等含氧官能團等，使得粒子液體與多壁碳納米管通過共價鍵及較強“π～π”作用力，改善MWCNTs的纏繞和團聚，提高了表面積和導電性。制成新型納米復合材料。如可以使用混合石墨烯超聲振蕩技術，得到零維的石墨烯量子點和碳納米管量子點，有利于對待測目標分子的吸附，將為目標分子尿酸和亞硝酸的氧化提供許多反應位點，是提高穩(wěn)定性、靈敏度的一個重要保障。

2、已取得的成績

本小組已在實驗室做了許多前期試驗，已經制備出了新型的復合材料，通過自組裝方法，應用復合材料修飾玻碳電極，并將其作為尿酸與亞硝酸選擇性電極的研究。初步結果顯示，傳感器的靈敏度、選擇性、抗干擾性、重現性和穩(wěn)定性都比較好，很有希望用于血清中尿酸和食品中亞硝酸同時的檢測。

項目的創(chuàng)新點和特色

    創(chuàng)新點：

1、制備新型復合型碳納米點-離子液體復合納米材料，研制新型納米復合膜傳感器，提高傳感界面的電催化性能。

2、建立對尿酸、亞硝酸等具有高的電催化活性的檢測，且能實現峰值電流的高分辨分離。

特色：

1、建立含氮小分子的超靈敏、選擇性的電化學檢測方法。

2、為糖尿病以及心血管等疾病快速診斷提供理論基礎與實驗依據。

項目的技術路線及預期成果

1、項目的技術路線

酸化多壁碳納米管 à混合研磨Nafion與多壁碳納米管à 制備的復合型GQDs -CQDs-IL納米材料à電極表面的修飾過程 à修飾電極的伏安特性à 實驗條件優(yōu)化à考察復合材料電極性能 à實際樣品檢測。

2、預期成果

本實驗研究項目將致力于研究出高靈敏性、高選擇性、快速可靠的尿酸與亞硝酸的同時檢測方法，并針對此方法開發(fā)出相應的裝置，實現對人體血清和食品的檢測，可為同時對尿酸和亞硝酸的超靈敏檢測及糖尿病和心血管等快速診斷提供理論基礎與實驗依據。

在此基礎上形成有自主知識產權的制備方法理論和復合材料電極檢測裝置等相關技術產品，并在老師指導下撰寫1至2篇高質量的學術論文在國內外核心期刊和學術會議上發(fā)表，爭取申報專利1項，爭取參加大學生競賽如“挑戰(zhàn)杯”賽等并獲獎，為學校爭光。

年度目標和工作內容（分年度寫）

1）2016.11~2016.12，在老師的指導下，分工協(xié)作，重點放在復合型碳納米點-離子液體復合納米材料的合成與制備，進行電鏡掃描和探討檢測反應機理的研究；

2）2017.01~2018.01，分工協(xié)作，重點研究用于制備復合材料電化學生物傳感器，對測量的數據進行分析處理，得到傳感裝置對尿酸與亞硝酸檢測的一系列性能特征參數，以獲得高選擇性、高靈敏性的超分子主-客識別的傳感器；

3）2018.01~2018.05，對傳感檢測裝置進行設計優(yōu)化，研制具有自主知識產權制備方法理論和復合材料電極檢測裝置，并深入到細胞裂解液/血清/尿液和食品中亞硝酸實際樣品的檢測；同時撰寫研究報告或論文1~2篇或申請相關專利1項，參加相關學術交流會議和競賽，最后圓滿結題。

指導教師意見

該小組成員提出的復合型碳納米點-離子液體復合納米材料的制備及應用的項目在生命科學和安全評價等方面具有十分重要的意義。

該實驗項目立論新穎、方案可行，具有原始創(chuàng)新性，建議給予資助。特此推薦。

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