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湖南省创新项目申请书论文模板

湖南省研究生科研创新项目

申请书

项目名称：

基于共轭电解质诱导化学发光技术的汞离子检测

新方法的研究

申请者:

＊＊

所在单位：

长沙理工大学化学与生物工程学院

所属学科：

食品科学

联系电话：

**8**

传真电话：

*＊*＊*

电子信箱：

＊*＊**

申请日期：

*＊＊**

湖南省教育厅

2013年制

填报说明

一、申请书各项内容,要实事求是，逐条认真填写。

表达要明确、严谨。

外来语要同时用原文和中文表达。

第一次出现的缩写词，须注出全称。

除签名外，项目申请书必须是打印件。

二、申请书一律用A4纸，于左侧装订成册。

第二页起各栏空格不够时，请自行加页。

如有查新报告及其它附件材料,请连同申请书一起装订成册.

三、“所属学科"按博士、硕士学科专业目录（2006年修订版）二级学科名称填写。

（封2，此页不装订）

二、立项依据

（项目的研究目的、意义；国内外研究现状分析和发展趋势;项目应用前景和学术价值；现有研究基础、条件、手段以及指导教师情况等）

1．项目研究目的、意义

我国首个“十二五”专项规划——《重金属污染综合防治“十二五”规划》剑指五种重金属污染的监测治理；重金属具有毒性大，在环境中不易被代谢并有生物放大效应等特点,对环境以及生物的危害巨大,其中尤以汞及其化合物的毒性最大列居各重金属毒性之首,汞会通过食物链富集，处于食物链顶端的人类，是汞污染的最大受害者。

汞在常温下即以液态形式存在，气化后无机汞可以随大气环流循环至全世界的任何角落，是一种全球性的污染物质；例如：

在远离所有大型汞排放源、位于北极附近的北欧国家，海里的鱼类被发现具有极高的汞含量.

图1汞的排放途径

汞污染显然已经成为威胁全球人类健康的共同问题，各国环保部门对环境中汞的浓度都有严格限制,先后召开了4次“汞作为全球性污染物”的国际性学术会议;为解决汞污染的严重威胁,2009年2月，在内罗毕举行的25届联合国环境规划署部长级会议上，130多个国家确定在继续推动全球汞伙伴关系建设的同时，召集政府间谈判委员会（INC），利用2010年至2013年初的三年时间，谈判制定全球汞问题具有法律约束力的国际文书；旨在全球层面采取一致行动对汞污染过程综合监测治理.

我国是汞生产和使用大国,据UNEP的报告，2005、2006年，我国汞产量约占全球总汞产量的60％左右，汞需求量约占30%～40％，均位居全球首位；我国也是全球汞排放大国，研究显示，目前全球每年人为活动向大气的汞排放量约7500吨，其中中国每年排放汞约1500-2000吨，超过全球汞排放总量的1/4。

图2汞的危害途径

同时中国亦是全球范围内汞污染最为严重的地区之一；近年来我国经济快速发展,工业布局、产业结构没有明显改善，工业生产工艺、污染治理水平尚无有效提高,全国涉汞重金属重点行业产能产量持续增加，重金属汞污染物排放量增幅巨大，达到了26%。

重金属汞的污染十分严重，污染防治，已刻不容缓,而准确测定大气、水域和土壤中汞的含量是治理污染的关键。

与其他重金属主要吸附在颗粒物上的污染不同,汞是以单质的形态即蒸汽态存在于大气中，且含量相对较低,较其他类型重金属更难以捕捉和检测；在加工各种含汞矿石、燃烧含汞无机和有机燃料时，大量汞会进入大气中，而大气中的汞又会通过沉降等因素进入自然循环中,在微生物的作用下发生甲基化等作用，进而进入食物链，使得毒性更强的甲基汞直接危害食品的安全，因而监测和检测特定区域的大气汞浓度变化十分必要;由于大气属于时空连续变异体，极不稳定，同区域的大气随着时间、地点、气象条件等的不同,其特性发生较大的变化;因此，仪器的高灵敏度和检测的快速性具有特殊重要的意义，对汞进行精确测定和分析，显得十分迫切和必要。

2．国内外研究现状分析和发展趋势

不仅是对汞排放的科学研究还是汞污染的监测，大气中汞（以下简称“气汞”）和水体中汞（以下简称“水汞"）的快速检测技术都具有非常广泛的应用价值.

目前国际上气汞和水汞的测量方法可以归纳为两大类：

一类是仪器分析法，另一类是传感器分析法。

仪器分析法技术包括冷原子吸收光谱（ColdVaporAtomicAbsorptionSpectrometry,CVAAS）、冷原子

汞含量值。

［1-11］仪器方法虽然具有准确度高、测量范围广、干扰少等优点,但是其需要昂贵的仪器设备，专业的操作人员和复杂的样品前处理过程，增加了分析成本，不能满足当今实际样品的日益增加的需求.

传感器（sensors）是以化学分子或生物分子为识别元件,通过化学或生物识别过程来分析和检测化学物质和生物分子的器件。

因其灵敏度、特异性好、快速准确及方便等特点，传感器已广泛应用于环境监测、食品工业和临床医学等领域。

自2006年日本学者Ono和同事发现二价的汞离子能够参与核酸中的两个胸腺嘧啶（T）残基形成稳定的T-Hg2+—T的结构，基于此发现寡聚核苷酸对汞离子的特异性识别,构建了一系列对汞离子生物传感器.[12，13]这类传感器具有选择性高、水溶性好并且在中性pH值或生理条件下响应的优点，近年来成为人们研究的热点。

[14，15］

图3汞离子参与的T-Hg2+—T的结构

Willner等人利用寡核昔酸功能化的金胶纳米颗粒构建一种新型的汞离子比色传感系统。

通过Au-S共价键把带有T的两条寡核昔酸单链偶联到金纳米粒子上去，当加入汞离子后，由于T—Hg2+—T配对的形成拉近了金胶纳米颗粒之间的距离，导致金胶纳米颗粒的聚集，溶液颜色变为蓝色。

没有Hg2+存在的条件下，修饰在金胶纳米颗粒表面的两条探针不能杂交，以稳定分散的状态存在于溶液中,溶液呈红色，通过紫外可见分光光度计或裸眼观察就可比色检测Hg2+，检测限为100nM。

[16］

Lu等通过进一步优化DNA探针序列和引入第三条寡核苷酸链，成功实现了室温比色检测Hg2+，但检测限为3uM。

[17]但是上述方法对Au-S键的形成和表面DNA自组装密度都有较高要求，过程耗时、成本高、操作复杂，检测限高、限制了其进一步推广应用，因此，发展金胶纳米颗粒无需功能化的快速检测方法对于实际应用非常重要。

3．项目应用前景和学术价值

（1）项目应用前景

本项目基于共轭电解质诱导化学发光技术的新颖性和灵敏性，结合汞离子能够特异的参与T-Hg2+—T配对的性质，开发一种全新的、操作简单快速的、可靠的、高灵敏度高的生物传感方法，检测水中的汞离子的含量。

该方法克服了传统的仪器设备检测要专业的操作人员和复杂的样品前处理过程,增加了分析成本，不能满足当今实际样品的日益增加的需求等缺点。

（2）学术价值

利用共轭电解质诱导化学发光技术与汞离子特异T—Hg2+—T实现对水中汞离子的快速灵敏检测，一方面，探索共轭电解质诱导化学发光与重金属相互作用机制，另一方面,研究DNA生物大分子的共轭电解质诱导化学发光机理.

4．研究基础、条件、手段和指导老师情况

（1）研究基础

在前期研究基础方面,项目组长期从事生物技术应用于食品危害因子（如：

双酚A重金属）实时、高灵敏和高通量的检测与监测等研究工作，其中在纳米材料表面进行生物分子修饰技术以及纳米材料生物分子复合物探针在检测方法中的应用技术方面积累了一定的基础,已经发表相关领域的SCI论文9篇。

在快速检测研究方面,已经开展了相关的研究工作,利用两种不同粒径的金纳米粒子,通过重金属适配体识别来驱动不对称二聚体的形成，将组装的到的纳米结构作为圆二色谱检测的substrate，实现样品中重金属的超灵敏检测。

（2）研究条件

项目依托单位拥有湖南省“十二五"重点学科—食品科学与工程学科及校级重点学科-化学学科，建有生物传感技术研究平台，具有研究所需要的相关仪器和设备，如紫外差示光谱;DSC；荧光光谱分析仪；氨基酸自动分析仪；蛋白质快速纯化系统；核磁共振波谱仪；傅立叶红外光谱分析仪；高效液相色谱仪；园二色谱仪；质谱仪；电泳仪；全自动凝胶成像系统;激光光散射；流变仪；质构仪;冷冻离心机及各类常规分析测试和化合物结构表征所需仪器和设备，为本课题的实施提供良好的硬件支持。

本项目所缺少的实验条件不能在本单位解决的，将在广东省天然产物绿色加工与产品安全重点实验室予以解决。

因此，本课题的开展与完成已具备强有力技术支持和科研仪器设备的保障.

（3）研究手段

本项目拟采用以共轭电解质诱导化学发光技术为基础实现汞离子的超灵敏检测，研究方法和实验结果表征主要采用凝胶电泳,化学荧光技术和DNA杂交等方法。

（4）指导老师情况简介

程云辉，女，工学博士，教授，硕士生导师，长沙理工大学化学与生物工程学院常务副院长，中文核心、CSCD收录期刊《食品与机械》执行主编，教育部食品科学与工程类专业教学指导委员会委员，湖南省“十一五"学位与研究生教育优秀研究生指导教师，湖南省“万企联村、共同发展"专家顾问团成员，湖南省食品工业标准化技术委员会委员，湖南省食品科学技术学会常务理事,湖南省省级特色专业—“食品科学与工程”专业负责人，湖南省省级精品课程—《食品分析》建设负责人。

主要研究方向为功能因子的分离纯化及构效关系研究,目前研究重点为抗氧化肽构效关系及植物蛋白功能特性的改性修饰。

探讨了广泛适合酶法制备的抗氧化寡肽高效分离纯化方法；围绕植物蛋白溶解性低的技术难题，开展了大米蛋白、麦胚蛋白酶法改性及酶解制备活性肽研究，其研究成果达到国际先进或国内领先水平。

许宙,男，江南大学食品质量与安全博士，长沙理工大学化学与生物工程学院讲师。

主要研究方向为生物传感检测新方法、新理论，采用纳米组装与分子识别原理，在功能纳米粒子组装动态调控、抗原-抗体免疫识别及核酸适配体识别等方面取得了一些原创性的研究成果，构建了手性光谱传感及分子印迹仿生识别检测新原理,实现了对环境中环境雌激素和重金属的快速、灵敏和简便检测.

5．参考文献

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Hao,W。

Ma,C。

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Xing，W。

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Kuang，L.B。

WangandC.L。

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［16]D.Li,A.WieckowskaandI.Willner，Angew。

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Ed。

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［17]X.J。

Xue，F.WangandX。

G。

Liu，J.Am.Chem。

Soc。

2008，130，3244

三、研究方案

1．研究目标、研究内容和拟解决的关键问题

1.1研究目标

（1）建立超灵敏检测汞离子的新方法；

（2）在研究期间在国内外核心学术刊物上发表学术论文2—5篇；

（3）通过共轭电解质诱导化学发光技术手段和T-Hg2+-T特异的配对作用，建立超灵敏检测汞离子的新方法,并应用于实际样品检测中去。

1。

2研究内容

基于共轭电解质诱导化学发光技术的新颖性和灵敏性，结合汞离子能够特异的参与T-Hg2+—T配对的性质，开发一种全新的、操作简单快速的、可靠的、高灵敏度高的生物传感器，检测水中的汞离子的含量。

具体内容如下：

（1）设计与合成碱基数合适检测汞离子的寡核苷酸片段

根据不同核酸探针对汞离子识别能力不同的原理，进行汞离子核酸识别探针的设计，使其适用于共轭电解质诱导化学发光检测方法；设计汞离子核酸识别探针,改变其结合能力，用于不同检测范围检测方法的建立;设计不同长度的互补配对的核酸探针,用于共轭电解质诱导化学发光检测过程中检测信号增强；通过琼脂糖电泳，以及ICP—MS等技术对核酸探针的汞离子结合能力进行表征;通过荧光标记的方法,进行纳米粒子表面核酸探针定量修饰分析；通过圆二色谱法对纳米粒子表面核酸探针的空间构象进行表征分析；

（2）优化寡核苷酸片段与汞离子以及寡核苷酸片段与电解质反应的条件

优化基于核酸探针的共轭电解质诱导化学发光检测方法的参数（runningbuffer，detectiontemperature等）；优化核酸探针设计方案进一步提高汞离离速检测方法的特异性和灵敏度;优化信号增强核酸探针的长度对检测时间和稳定性的影响；对所建立的共轭电解质诱导化学发光检测方法的稳定性进行研究；

（3）化学发光催化反应的优化

优化基于核酸探针的共轭电解质诱导化学发光检测方法的催化参数（催化剂摩尔比等）。

（4）研究水样品中其他金属离子对汞离子检测的影响

研究共轭电解质诱导化学发光检测法的特异性，用环境中常见重金属离子（如镉、铅等）作为干扰物进行特异性实验。

（5）建立水样品中汞离子检测的标准操作方法

在优化的条件下，利用建立的共轭电解质诱导化学发光检测法对汞离子的标准溶液进行检测，通过软件分析发光强度建立标准曲线，确定检测方法的检测范围及检测灵敏度等参数；利用所建立的共轭电解质诱导化学发光检测法进行食品实际样品中所含的汞离子快速检测，同时利用大型仪器对检测的结果进行确证，建立基于共轭电解质诱导化学发光检测法与经典检测方法之间的相关性。

1.3拟解决的关键问题

（1）检测汞离子的寡核苷酸片段的设计和合成；

（2）基于共轭电解质诱导化学发光技术的生物传感器检测新原理新方法的建立。

2.拟采取的研究方法及可行性分析

（1）在研究方法及技术路线实现方面，项目组一直从事基于功能性纳米材料的食品安全检测新方法和新技术建立研究。

其中在纳米材料表面进行生物分子修饰技术以及纳米材料生物分子复合物探针在检测方法中的应用技术方面积累了一定的基础，已经发表相关领域的SCI论文9篇.

其中申请人的指导教师在重金属快速检测研究方面，已经开展了相关的研究工作，利用两种不同粒径的金纳米粒子，通过银离子适配体识别来驱动不对称二聚体的形成，将组装的纳米结构作为圆二色谱检测的substrate,实现样品中痕量重金属的超灵敏检测，从而构建手性等离子共振检测重金属体系。

相关研究结果发表在AdvancedOpticalMaterials.2013,1，626-630,由于其出色的研究被编辑指定为封面文章。

图4（A）AdvancedOpticalMaterials前封（B）基于手性等离子共振检测银离子原理示意图

此外项目申请人的指导教师还利用功能性金纳米粒子以作为快速检测的标记物或生物分子固定基质，分别在金纳米粒子表面偶联用于免疫识别的包被原分子和固定用于识别的小分子化合物.利用被修饰的功能性纳米粒子为基础，运用仿生识别与定向、定维可控自组装技术，通过优化缓冲溶液、pH值、温度及反应时间等参数,制备高产率的纳米超结构，运用纳米超结构的特有光学性质实现环境雌激素的高灵敏检测。

相关研究工作发表在ChemicalCommunications.2012,48，5760-5762和JournalofMaterialsChemistryB。

2013,1，4478-4483

（2）在人员的配置方面，本项目组有一支结构合理，各有专长、相互补充、中青年人为主的研究队伍，并且在相关的领域均有着扎实的研究基础和一定的研究经验，基于以上的工作基础有能力按期完成申请项目.

（3）在硬件设施方面，具备本研究相关仪器，如：

紫外差示光谱；DSC；荧光光谱分析仪；；核磁共振波谱仪;傅立叶红外光谱分析仪；高效液相色谱仪；园二色谱仪；质谱仪；电泳仪；全自动凝胶成像系统；激光光散射；流变仪;冷冻离心机及各类常规分析测试和化合物结构表征所需仪器设备。

3.本项目的创新之处

本课题的创新之处：

此生物传感器检测新原理为首次应用于对于汞离子的检测,方法具有很强的创新性，在国内外研究还比较少，有较强的新颖性.

4.预期研究进展

本项目实施计划在1.5年内完成，即2014。

1~2015.6，具体计划内容安排如下：

（1）2014年1月至2014年3月,查阅文献,合成多种用于检测汞离子的DNA序列；

（2）2014年4月至2014年9月，生物传感器各个步骤的反应优化;

（3）2014年10月至2014年12月，检测反应体系的确立，建立检测水中汞离子的方法；

（4）2014年1月至2015年3月，考查方法的稳定性和灵敏度，并测定水样品中其他离子成分对检测准确度和灵敏度的影响;

（5）2015年4月至2015年6月，整理数据，准备结题报告，专家评议.

5。

预期成果

（1）研制出具有国际领先水平的重金属共轭电解质诱导化学发光检测方法，用于测试水中和农产品高危害性重金属残留；

（2）申请1-2项国内发明专利；

（3）国内外期刊发表高水平论文1—2篇.

四、研究基础

与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩及目前承担项目的情况（项目负责人和其它成员情况分开填写并且项目、成果及奖励等须注明承担或完成人姓名等相关信息）

1。

与本项目有关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩

项目组一直从事基于功能性纳米材料的食品安全检测新方法和新技术建立研究，其中在纳米材料表面进行生物分子修饰技术以及纳米材料生物分子复合物探针在检测方法中的应用技术方面积累了一定的基础，在重金属快速检测研究方面已经开展了相关的研究工作,利用两种不同粒径的金纳米粒子，通过银离子适配体识别来驱动不对称二聚体的形成，将组装的纳米结构作为圆二色谱检测的substrate，实现样品中痕量重金属的超灵敏检测，从而构建手性等离子共振检测重金属体系,相关研究结果发表在AdvancedOpticalMaterials。

2013，1,626-630,由于其出色的研究被编辑指定为封面文章。

项目组还利用功能性金纳米粒子以作为快速检测的标记物或生物分子固定基质,分别在金纳米粒子表面偶联用于免疫识别的包被原分子和固定用于识别的小分子化合物。

利用被修饰的功能性纳米粒子为基础，运用仿生识别与定向、定维可控自组装技术,通过优化缓冲溶液、pH值、温度及反应时间等参数，制备高产率的纳米超结构，运用纳米超结构的特有光学性质实现环境雌激素的高灵敏检测，相关研究工作发表在ChemicalCommunications。

2012，48,5760—5762和JournalofMaterialsChemistryB。

2013,1，4478-4483。

2.指导老师程云辉教授承担项目的情况

近年主持完成的和目前在研的相关项目：

（1）主持国家自然科学基金项目《麦胚抗氧化肽对细胞氧化应激的调控机制及其构效关系的研究（31171627）》，58万元，2012～2015年；

（2）主持科技部“十二五”科技支撑项目子课题《节碎米分离制取高水溶性米蛋白关键技术（2012BAD34B0203）》，121万元,2012～2014年；

（3）主持完成国家自然科学基金项目《酶法制备的抗氧化寡肽的分离纯化及构效关系的应用基础研究（31071523）》，8万元，2011年；

（4）主持完成湖南省科技攻关项目《高水解率低乳糖奶关键技术研究（2009NK3090）》，2万元,2009～2011年;

（5）主持完成长沙市科技局重点项目《功能性大米蛋白关键技术研究（K0902041-21）》,15万元,2009~2011年;

（6）主持完成湖南省自然科学基金项目《麦胚抗氧化活性肽的结构、功能及构效关系（07JJ5024）》，2万元，2007～2009年；

（7）主持完成“十一五”863计划项目《基于改善疏水性植物蛋白功能特性的蛋白质－多糖接枝耦联和酶法修饰技术研究（2006AA10Z327）》子课题，5万元，2007～2009年；

（8）主持完成万福生科（湖南）农业开发股份有限公司产学研项目《碎米生产食品级大米蛋白技术开发》，100万元，2010~2012年.

近年获奖情况：

（1）《稻米深加工高效转化与副产物综合利用》，2011年获国家科技进步二等奖,本人排名第4;

（2）《大米主食生产关键技术创新与应用》，2013年获湖南省科技进步一等奖，本人排名第3；

（3）《FMHE高扭矩双螺杆挤压机系列产品研制与开发》，2012年获中国食品科学技术学会科技创新奖技术进步二等奖，本人排名第4；

（4）《基于食品安全的天然活