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表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering, SERS)是一种强大的分子指纹技术,具有高灵敏度、高选择性、非侵入性检测等特点,通过获取分子结构的独特的指纹信息,动态监测分子信息,为生物分析和原位检测提供了新的策略,在生物化学、生命科学、环境监测和食品安全监管等领域具有广泛的应用前景.纳米银作为目前使用最多的等离子体增强基底,可以高效放大探针分子的拉曼散射,SERS效应显著.但是SERS检测的重现性差,一直是阻碍SERS定量分析应用的重要难点.为此,本文一方面通过制备单分散的纳米银,在SERS基底上保证SERS检测具有良好的重现性;另一方面以目标物特定反应导致的SERS信号变化作为SERS定量的依据,以消除各种干扰因素对目标物测定的影响.本文首先研究比较了制备纳米银的三种不同方法,获得了不同尺寸的单分散准球形纳米银;并以罗丹明B为拉曼探针分子,优化了SERS检测条件,以确保SERS检测的重现性;最后,基于纳米银可催化过氧化氢(H2O2)降解罗丹明B,通过原位监测催化反应过程中拉曼探针分子罗丹明B的SERS信号强度变化,实现了实际样品(牛奶)中H2O2的高重现SERS定量检测.具体研究内容包括:
(1)单分散纳米银的制备研究:采用柠檬酸钠还原法调节pH值来调控纳米银成核、生长速度,实现快速成核、慢生长模式,合成了均匀分散的球形纳米银溶胶;使用抗坏血酸(AA)/柠檬酸钠(SC)还原法在附加阴离子Cl?的存在下直接在水中制备了单分散准球形纳米银,Cl-与Ag+离子在反应介质中形成新的可溶性银前体,通过其浓度和氧化还原电位调控银前体的氧化还原活性,控制纳米银的尺寸和形状;利用种子介导的生长方法,使用AA还原水溶液中的银-氨络合物,通过改变纳米银种子的量来精确地调节AgNP的平均尺寸,制备了75nm和125nm的准球形纳米银.
(2)基于纳米银的SERS检测优化研究:以罗丹明B分子作为SERS探针,对纳米银的SERS检测进行优化研究,在本实验中,纳米银在酸溶液和盐溶液促凝下聚集,通过监测拉曼探针分子罗丹明B随纳米银聚集增强的SERS信号变化,研究了不同尺寸纳米银、纳米银浓度、纳米银聚集(不同阴/阳离子、pH、盐浓度、混合时间等)对罗丹明B探针分子的SERS影响,并研究了该基底的重复性、SERS检测线性范围,结果表明纳米银浓度越高,SERS效果越好;但纳米银浓度过高,会大量聚集而影响SERS重现性.纳米银尺寸23nm、促凝剂7mMHCl(pH 3)和20mMNaCl、混合时间10min下的SERS性能最佳:在0.2-0.6μM罗丹明B浓度范围内SERS检测线性的相关系数R为0.9984,相对标准偏差(RSD)最小为2.91%.
(3)高重现SERS定量检测应用研究—牛奶中H2O2的测定:采用23nm单分散准球形纳米银,罗丹明B为探针分子,研究纳米银在酸性条件下催化H2O2降解罗丹明B,通过罗丹明B探针分子SERS的变化与H2O2浓度的关系,定量检测H2O2.纳米银的催化活性来自于纳米银表面对底物的吸附和电子转移,低pH下Ag显现出类过氧化物酶活性,催化H2O2在金属表面发生碱性分解,羟基自由基(·OH)电子作为主要活性物质降解罗丹明B.结果表明以HCl做促凝剂简化体系,盐酸浓度在2-10mM范围内,纳米银聚集10min后增强的罗丹明B分子SERS信号较稳定后再检测H2O2时,该传感器中纳米银聚集对检测结果没有明显变化,且该传感器的重现性和特异性较好,H2O2浓度在0.5×10-6-10-3M范围内的对数值与SERS强度(620cm-1)变化ΔI/I0呈线性关系,并将传感器用于牛奶中,进行加标回收检测,回收率在94%~114%.
(1)单分散纳米银的制备研究:采用柠檬酸钠还原法调节pH值来调控纳米银成核、生长速度,实现快速成核、慢生长模式,合成了均匀分散的球形纳米银溶胶;使用抗坏血酸(AA)/柠檬酸钠(SC)还原法在附加阴离子Cl?的存在下直接在水中制备了单分散准球形纳米银,Cl-与Ag+离子在反应介质中形成新的可溶性银前体,通过其浓度和氧化还原电位调控银前体的氧化还原活性,控制纳米银的尺寸和形状;利用种子介导的生长方法,使用AA还原水溶液中的银-氨络合物,通过改变纳米银种子的量来精确地调节AgNP的平均尺寸,制备了75nm和125nm的准球形纳米银.
(2)基于纳米银的SERS检测优化研究:以罗丹明B分子作为SERS探针,对纳米银的SERS检测进行优化研究,在本实验中,纳米银在酸溶液和盐溶液促凝下聚集,通过监测拉曼探针分子罗丹明B随纳米银聚集增强的SERS信号变化,研究了不同尺寸纳米银、纳米银浓度、纳米银聚集(不同阴/阳离子、pH、盐浓度、混合时间等)对罗丹明B探针分子的SERS影响,并研究了该基底的重复性、SERS检测线性范围,结果表明纳米银浓度越高,SERS效果越好;但纳米银浓度过高,会大量聚集而影响SERS重现性.纳米银尺寸23nm、促凝剂7mMHCl(pH 3)和20mMNaCl、混合时间10min下的SERS性能最佳:在0.2-0.6μM罗丹明B浓度范围内SERS检测线性的相关系数R为0.9984,相对标准偏差(RSD)最小为2.91%.
(3)高重现SERS定量检测应用研究—牛奶中H2O2的测定:采用23nm单分散准球形纳米银,罗丹明B为探针分子,研究纳米银在酸性条件下催化H2O2降解罗丹明B,通过罗丹明B探针分子SERS的变化与H2O2浓度的关系,定量检测H2O2.纳米银的催化活性来自于纳米银表面对底物的吸附和电子转移,低pH下Ag显现出类过氧化物酶活性,催化H2O2在金属表面发生碱性分解,羟基自由基(·OH)电子作为主要活性物质降解罗丹明B.结果表明以HCl做促凝剂简化体系,盐酸浓度在2-10mM范围内,纳米银聚集10min后增强的罗丹明B分子SERS信号较稳定后再检测H2O2时,该传感器中纳米银聚集对检测结果没有明显变化,且该传感器的重现性和特异性较好,H2O2浓度在0.5×10-6-10-3M范围内的对数值与SERS强度(620cm-1)变化ΔI/I0呈线性关系,并将传感器用于牛奶中,进行加标回收检测,回收率在94%~114%.