济宁医学院 大学生创新创业训练计划管理系统

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基于循环扩增信号放大的单臂碳纳米角荧光传感器检测土霉素

申报人：李智 申报日期：2025-03-17

基本情况

2025创新项目
基于循环扩增信号放大的单臂碳纳米角荧光传感器检测土霉素 学生申报
创新训练项目
医学
公共卫生与预防医学类
学生来源于教师科研项目选题
二年期
1. 背景：土霉素作为常用抗生素，在畜禽养殖等领域广泛应用，其在土壤、水体中的残留，不仅危害生态环境，还可能通过食物链威胁人体健康。传统检测方法存在操作复杂、灵敏度低等不足，开发高灵敏、便捷的土霉素检测技术迫在眉睫。 2. 创新检测原理：项目创新性地利用单臂碳纳米角作为荧光传感核心材料。单臂碳纳米角具有独特的光学性质和大比表面积，能高效负载荧光探针分子。基于循环扩增信号放大技术，设计特异性识别土霉素的核酸适配体。当土霉素存在时，适配体与土霉素特异性结合，触发循环扩增反应，实现荧光信号的指数级放大，极大提高检测灵敏度。 3. 技术优势：操作简单，无需复杂仪器设备，普通实验室即可开展检测；检测速度快，从样品处理到获取结果时间短；灵敏度高，能检测到极低浓度的土霉素残留；选择性好，对土霉素具有高度特异性识别能力，有效避免其他物质干扰。 4. 应用前景：在农业生产中，可用于土壤、灌溉水的实时监测，指导合理用药；在环境监测领域，助力江河湖泊等水体中土霉素污染的快速排查；也能为食品安全监管提供技术支撑，保障农产品质量安全。
作为大创负责人首次参与科研,在项目启动初期，面对基于循环扩增信号放大的单臂碳纳米角荧光传感器检测土霉素这一复杂课题，我毫无头绪，对科研流程、专业知识和实验操作都很陌生。但强烈的好奇心和求知欲驱使我迅速投入到学习中。 在知识储备方面，我利用课余时间大量查阅文献，从基础的荧光传感原理、碳纳米材料特性，到前沿的循环扩增技术应用，一点点搭建起理论框架。这个过程中，专业术语晦涩难懂，文献内容庞杂，我常常反复研读多篇文献才能理解一个关键知识点。 实验操作更是困难重重。初次接触实验仪器，如荧光光谱仪、离心机时，我连基本的参数设置和操作规范都不清楚，频繁出现操作失误。在合成单臂碳纳米角和构建荧光传感器的实验中，实验结果也总是不理想，不是材料合成纯度不够，就是传感器性能不稳定。 不过，在导师的悉心指导和团队成员的共同努力下，我逐渐克服了这些困难。学会了如何优化实验步骤，调整实验条件，也能熟练操作各种仪器设备。这段经历不仅让我积累了宝贵的科研经验，更培养了我的科研思维、问题解决能力和团队协作精神，让我对后续的大创项目充满信心.
ZR2020QH297 基于纳米石墨-适配体-脱氧核糖核酸酶的荧光传感器检测肝癌生物标志物的研究 15.0 1 青年基金 山东省自然基金委员会 2021.01-2023.12 在研 2016-56-68 纳米石墨传感器对饮用水中汞离子的检测 1.0 1 一般项目 济宁市科技局 2016.12-2018.12 结题 JYP2018KJ15 基于纳米石墨和适配体的新型生物传感器检测抗生素类和激素类物质的研究 6.0 1 一般项目 济宁医学院 2019.01-2021.12 在研。
 1.对本项目进行指导，监督，督促本小组成员在规定时间内完成既定任务 2.对本项目提出合理的方案和建议，使本项目更具有丰富性，可靠性和相关性。
校级

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
李智 公共卫生学院 预防医学（本科） 2024 负责人
英朝翔 公共卫生学院 预防医学（本科） 2024 成员
杨雨帆 公共卫生学院 预防医学（本科） 2024 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
魏胤 公共卫生学院 否

立项依据

开展“基于循环扩增信号放大的单臂碳纳米角荧光传感器检测土霉素”研究，目的在于解决当前土霉素检测难题，推动检测技术革新，保障生态与食品安全。
1. 材料制备与修饰：通过化学气相沉积等方法制备单臂碳纳米角，优化制备条件，保障其结构完整、性能稳定。基于其表面特性，利用共价键合或物理吸附方式，将荧光探针和特异性识别土霉素的核酸适配体修饰到单臂碳纳米角表面，构建荧光传感基础元件。
2. 循环扩增信号放大体系构建：设计针对土霉素的特异性引物和核酸适配体，优化循环扩增反应条件，如温度、时间、酶浓度等。探究循环扩增过程中荧光信号变化规律，明确信号放大机制，建立高效、稳定的信号放大体系，提高检测灵敏度。
3. 荧光传感器性能优化：研究传感器对土霉素的响应特性，包括响应时间、线性范围、检测限等。通过调整材料组成、修饰方式、反应条件，优化传感器性能。分析干扰物质对检测结果的影响，提高传感器选择性，降低外界因素干扰。
4. 实际样品检测应用：采集土壤、水体、畜禽产品等实际样品，进行预处理后，利用构建的荧光传感器检测土霉素含量。与传统检测方法对比，验证传感器在实际检测中的准确性、可靠性，评估其应用潜力，为实际检测提供技术支持 。
  国外研究情况：欧美等发达国家起步较早，技术相对成熟。在传统仪器分析方面，高效液相色谱 - 质谱联用（HPLC - MS）、气相色谱 - 质谱联用（GC - MS）技术被广泛用于土霉素残留检测，检测精度高，可实现多组分同时分析，但设备昂贵、操作复杂，对操作人员专业要求高，不适用于现场快速检测。近年来，国外在新型传感技术研究上取得诸多成果，如开发基于适配体的电化学传感器、荧光传感器 ，利用适配体与土霉素的特异性结合，实现对土霉素的高灵敏检测。同时，微流控芯片技术也逐渐应用于土霉素检测，将样品处理、反应、检测等步骤集成在微小芯片上，具有分析速度快、样品用量少、可实现自动化检测等优势。    国内研究现状：国内在土霉素检测技术研究上紧跟国际前沿，在食品安全和环境监测领域应用研究广泛。在分子标记技术方面取得显著进展，实时荧光定量PCR等技术可快速、准确检测样品中的土霉素残留 。并且，基于纳米材料的传感器研究成果颇丰，如构建基于碳纳米管、量子点等纳米材料的荧光传感器和电化学传感器，提升检测灵敏度和选择性。部分研究将生物识别技术与纳米技术结合，开发出新型检测方法，如分子印迹聚合物传感器，对土霉素具有高度特异性识别能力 。 -
  发展动态：一方面，检测技术朝着多元化、集成化方向发展，融合多种技术优势，构建多功能检测平台，如将循环扩增信号放大技术与荧光传感、电化学传感等结合，进一步提高检测灵敏度和准确性；另一方面，开发便携式、现场快速检测设备成为趋势，以满足基层检测需求，如基于智能手机的检测设备，通过与适配体传感器联用，实现土霉素的现场快速定量检测。此外，随着人工智能、大数据技术发展，数据处理和分析能力提升，为土霉素检测结果的智能化分析和风险评估提供支持 。
创新点 1. 信号放大机制创新：本项目采用独特的循环扩增信号放大技术，改变传统单一检测信号模式。核酸适配体与土霉素特异性结合后，循环扩增反应被触发，荧光信号呈指数级增长，相比常规荧光检测技术，极大提升检测灵敏度，能够检测到极低浓度的土霉素残留，突破现有检测技术在痕量检测上的瓶颈。 2. 传感材料革新：选用单臂碳纳米角作为荧光传感材料，其独特的纳米结构赋予大比表面积，可高效负载荧光探针和核酸适配体，增强荧光信号强度。单臂碳纳米角还具备优异的光学稳定性和化学稳定性，保障传感器在复杂检测环境中的性能稳定性，拓宽传感器适用范围。
项目特色 1. 检测便捷高效：构建的检测体系操作流程简单，无需大型复杂的仪器设备，普通实验室条件即可完成检测。从样品处理到获取检测结果耗时短，可满足现场快速检测需求，在环境应急监测、农产品快速筛查等场景优势明显。 2. 高选择性抗干扰：核酸适配体对土霉素具有高度特异性识别能力，能精准区分土霉素与其他结构类似物，有效避免检测过程中的交叉干扰，即使在复杂样品基质中，也能保证检测结果的准确性 。
  技术路线 1. 材料准备与合成：采用化学气相沉积法合成单臂碳纳米角，利用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）等手段对其形貌和结构进行表征。通过化学修饰法，将荧光探针和特异性核酸适配体连接到单臂碳纳米角表面，制备荧光传感器。 2. 循环扩增体系建立：基于土霉素分子结构，设计特异性引物和核酸适配体。优化循环扩增反应条件，包括反应温度、时间、酶浓度以及引物和适配体的比例，利用荧光定量PCR仪监测循环扩增过程中荧光信号变化。 3. 传感器性能测试：将制备的荧光传感器用于不同浓度土霉素标准溶液检测，绘制标准曲线，确定传感器的线性范围、检测限、响应时间等性能参数。研究不同干扰物质对检测结果的影响，评估传感器选择性。 4. 实际样品检测：采集土壤、水体、畜禽肉类等实际样品，经过预处理后，利用构建的荧光传感器进行土霉素含量检测，并与高效液相色谱 - 质谱联用（HPLC - MS）等传统方法检测结果对比，验证传感器准确性和可靠性。
  拟解决问题 1. 解决传统检测方法灵敏度低的问题，实现对痕量土霉素的精准检测。 2. 攻克现有检测技术操作复杂、检测时间长的难题，开发一种快速、便捷的检测方法。 3. 提升检测过程中对土霉素的选择性，避免其他物质干扰，确保检测结果准确可靠。
  预期成果 1. 成功构建基于循环扩增信号放大的单臂碳纳米角荧光传感器检测体系，确定最佳检测条件和性能参数。 2. 形成一套完整的土霉素快速检测技术报告，为实际检测应用提供技术支撑 。
1. 第1-3个月：前期准备与理论研究 - 查阅国内外相关文献资料，深入了解土霉素检测技术现状、单臂碳纳米角和循环扩增信号放大技术原理。 - 完成实验方案设计，确定所需实验材料、仪器设备清单，并进行采购与准备。 - 邀请专业教师开展相关知识与技术培训，提升团队成员理论水平与实验技能。
2. 第4-6个月：材料制备与传感器构建 - 进行单臂碳纳米角的合成，利用SEM、TEM等手段对其进行表征分析，优化合成条件。 - 将荧光探针和核酸适配体修饰到单臂碳纳米角表面，制备荧光传感器，测试其基本荧光性能。
3. 第7-9个月：循环扩增体系优化与性能测试 - 开展循环扩增反应条件优化实验，确定最佳引物、适配体浓度及反应温度、时间等参数。 - 利用优化后的荧光传感器对土霉素标准溶液进行检测，绘制标准曲线，确定线性范围、检测限等性能指标，研究传感器选择性。
4. 第10-12个月：实际样品检测与成果总结 - 采集实际样品，进行预处理和土霉素含量检测，与传统检测方法对比验证传感器准确性。 - 整理实验数据，撰写研究报告和学术论文，准备项目结题验收材料，总结项目研究成果与经验 。
- 知识储备：团队成员在化学、材料学、生物传感等学科打下坚实基础。系统学习过纳米材料合成与应用、荧光光谱分析、分子生物学等课程，对单臂碳纳米角的结构特性、荧光传感原理以及核酸扩增技术有深入理解，为项目开展筑牢理论根基。
- 实验技能：此前参与过多个实验项目，熟练掌握各类实验仪器操作，如扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）用于材料表征，荧光光谱仪分析荧光信号，离心机、PCR仪进行生物样品处理和核酸扩增，能精准把控实验流程，确保数据准确性。
- 前期探索成果：在项目预实验阶段，已成功合成单臂碳纳米角，并对其进行初步表征，验证材料基本性能。同时，完成部分核酸适配体设计与筛选工作，测试其对土霉素的特异性结合能力，为后续传感器构建和检测体系优化积累宝贵经验 。
已具备条件 1. 理论知识基础：团队成员通过系统学习化学、材料学、生物传感等专业课程，掌握了纳米材料合成、荧光光谱分析、分子生物学等基础知识，对单臂碳纳米角、循环扩增信号放大技术原理有深入理解，能够为项目研究提供理论支撑。 2. 实验技能与经验：成员参与过多个实验项目，熟练操作扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、荧光光谱仪、离心机、PCR仪等实验仪器，具备丰富的材料表征、生物样品处理和核酸扩增实验经验，可保障实验顺利开展。 3. 基础实验设备与场地：所在实验室配备齐全的常规实验仪器，如移液器、离心机、恒温培养箱等，拥有专门的化学合成、材料表征、生物检测实验区域，能满足项目前期材料制备、传感器构建及性能测试的实验需求。
尚缺少条件及解决方法 1. 高端检测设备使用机会：缺少高分辨质谱仪等高端检测设备，难以对合成材料的精细结构和实际样品中土霉素残留进行深度分析。解决方法是与拥有相关设备的科研机构或高校建立合作关系，通过付费测试或项目合作方式，获取使用设备的机会，定期送样检测。 2. 部分特殊实验材料：单臂碳纳米角的合成原料和一些高纯度的荧光探针、核酸适配体试剂价格昂贵

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）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 11000.00 实验研究 5500.00 5500.00
1. 业务费 6000.00 实验研究 3000.00 3000.00
（1）计算、分析、测试费 1000.00 机器损耗 500.00 500.00
（2）能源动力费 1500.00 出行相关费用 750.00 750.00
（3）会议、差旅费 2500.00 旅馆住宿 1250.00 1250.00
（4）文献检索费 500.00 网站查询费用 250.00 250.00
（5）论文出版费 500.00 出版费 250.00 250.00
2. 仪器设备购置费 2000.00 器械损耗 1000.00 1000.00
3. 实验装置试制费 1000.00 试剂损耗 500.00 500.00
4. 材料费 2000.00 材料损耗 1000.00 1000.00
结束

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