隨著牛奶消費(fèi)量的增加,牛奶中有害物污染受到了消費(fèi)者的極大關(guān)注。常規(guī)的檢測(cè)方法或費(fèi)時(shí)費(fèi)力,或處理復(fù)雜、儀器昂貴、均不適用現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè),因而開發(fā)新型分析方法已成為牛奶檢測(cè)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)(SERS)具有樣本前處理簡單、檢測(cè)速度快、靈敏度高、光譜信息豐富、易操作等優(yōu)點(diǎn)。因此,本研究以牛奶中三種主要有害污染物食源性致病菌、抗生素、重金屬離子為檢測(cè)對(duì)象,嘗試將SERS技術(shù)與現(xiàn)有技術(shù)相結(jié)合,克服常規(guī)檢測(cè)方法的局限性,實(shí)現(xiàn)牛奶中有害污染物的快速高靈敏檢測(cè)。主要研究內(nèi)容如下:1.牛奶中食源性致病菌的SERS檢測(cè)方法研究。研究提出了一種基于粒距調(diào)控的競(jìng)爭(zhēng)免疫SERS檢測(cè)新方法,以鼠傷寒沙門氏菌為檢測(cè)對(duì)象,首先制備了長徑比適中、拉曼增強(qiáng)效果明顯的金納米棒(GNRs)作為SERS基底,然后通過靜電吸附作用將鼠傷寒沙門氏菌特異性核酸適配體吸附至對(duì)巰基苯胺(PATP)修飾的GNRs表面;該核酸適配體保護(hù)GNRs在鹽離子環(huán)境下的單分散狀態(tài),PATP作為標(biāo)記分子報(bào)告SERS信號(hào);當(dāng)目標(biāo)物與核酸適配體互補(bǔ)DNA共同存在時(shí),它們競(jìng)爭(zhēng)性地與核酸適配體發(fā)生特異性結(jié)合,導(dǎo)致核酸適配體失去對(duì)GNRs的保護(hù),GNRs粒子間距減小,拉曼信號(hào)增強(qiáng),以此實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,鼠傷寒沙門氏菌線性檢測(cè)范圍為56-56×10~7 cfu/ml,檢測(cè)限為9 cfu/ml;同時(shí),對(duì)實(shí)際牛奶樣本以標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行鼠傷寒沙門氏菌檢測(cè),加標(biāo)回收率為98%-126%。研究表明,基于粒距調(diào)控競(jìng)爭(zhēng)性免疫SERS方法檢測(cè)牛奶中食源性致病菌思路是可行的。2.牛奶中抗生素殘留的SERS檢測(cè)方法研究。研究提出了一種競(jìng)爭(zhēng)磁免疫SERS檢測(cè)新方法,以四環(huán)素為檢測(cè)對(duì)象,首先制備了磁性飽和度高、顆粒大小均一的磁性納米微球,然后將其與四環(huán)素特異性核酸適配體結(jié)合,作為捕捉探針,用于四環(huán)素的捕獲;PATP修飾的金納米球/二氧化硅核殼材料與核酸適配體互補(bǔ)DNA結(jié)合,作為信號(hào)探針。當(dāng)四環(huán)素存在時(shí),四環(huán)素與捕捉探針上核酸適配體發(fā)生特異性結(jié)合,從而引起不同濃度信號(hào)探針在外磁場(chǎng)作用下的釋放,通過測(cè)定被釋放信號(hào)探針的拉曼光譜,根據(jù)PATP特征峰位置獲取拉曼光譜強(qiáng)度,建立其與四環(huán)素濃度關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,四環(huán)素線性檢測(cè)范圍為0.001-100 ng/mL,檢測(cè)限為0.001 ng/mL;同時(shí),對(duì)實(shí)際牛奶樣本以標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行四環(huán)素檢測(cè),加標(biāo)回收率為97%-120%。研究表明,基于競(jìng)爭(zhēng)磁免疫SERS方法檢測(cè)牛奶中抗生素殘留思路是可行的。3.牛奶中重金屬離子的SERS檢測(cè)方法研究。研究提出了一種基于羅丹明衍生物R開環(huán)反應(yīng)的SERS檢測(cè)新方法,以重金屬汞離子為檢測(cè)對(duì)象,首先制備了顆粒大小均一、拉曼增強(qiáng)效果明顯的金/銀核殼納米立方塊作為SERS基底,然后將其與羅丹明衍生物R結(jié)合,作為捕捉探針,用于重金屬汞離子的捕獲。當(dāng)汞離子存在時(shí),汞離子與羅丹明衍生物R分子結(jié)構(gòu)中螺環(huán)部位發(fā)生開環(huán)反應(yīng),并發(fā)生螯合作用,實(shí)現(xiàn)汞離子的捕獲;通過測(cè)定加汞后混合物的拉曼光譜,建立特征峰拉曼光譜強(qiáng)度與汞離子濃度關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線,實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,汞離子線性檢測(cè)范圍為0.01-1000 ppm,檢測(cè)限為5.16 ppb;同時(shí),對(duì)實(shí)際牛奶樣本以標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行汞離子檢測(cè),加標(biāo)回收率為98.83%-110%。研究表明,基于羅丹明衍生物R開環(huán)反應(yīng)的SERS方法檢測(cè)牛奶中重金屬離子思路是可行的。4.基于SERS和化學(xué)計(jì)量學(xué)的牛奶有害污染物快速檢測(cè)方法研究。在前三章研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探索了更為快速便捷的檢測(cè)方法,以滿足牛奶中有害污染物現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的需求。研究仍以重金屬汞離子為檢測(cè)對(duì)象,首先優(yōu)選出金納米球/二氧化硅作為SERS基底,將其與不同濃度梯度的重金屬汞離子混合,測(cè)其拉曼光譜;然后運(yùn)用卷積平滑-一階導(dǎo)數(shù)法對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理,消除基線偏移、漂移和噪聲干擾的影響;接著分別利用遺傳算法(Genetic Algorithm,GA)和蟻群算法(Ant Colony Optimization,ACO)優(yōu)選出預(yù)處理后拉曼光譜的特征變量;最后有比較地利用兩種線性(MLR與PLS)和兩種非線性(BPANN與BP-Adaboost)算法建立了汞離子定量檢測(cè)模型。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,ACO優(yōu)選BP-Adaboost模型對(duì)汞離子含量預(yù)測(cè)結(jié)果最佳,預(yù)測(cè)集相關(guān)性系數(shù)為0.997,預(yù)測(cè)集均方根誤差為0.092;同時(shí),對(duì)實(shí)際牛奶樣本以標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行汞離子檢測(cè),加標(biāo)回收率為98.3%-115%。研究表明,基于SERS和化學(xué)計(jì)量學(xué)方法檢測(cè)牛奶中重金屬離子思路是可行的。5.基于SERS/熒光雙模態(tài)體系的牛奶有害污染物檢測(cè)方法研究。在前四章研究基礎(chǔ)上,進(jìn)一步探索了SERS/熒光雙模態(tài)檢測(cè)新思路,以提高檢測(cè)方法的廣譜適用性。研究仍以重金屬汞離子為例,首先利用制備的磁性納米微球與汞離子特異性核酸適配體結(jié)合,作為捕獲探針,用于汞離子的捕獲;優(yōu)化制備金銀/石墨烯-上轉(zhuǎn)換納米復(fù)合材料與汞離子核酸適配體互補(bǔ)DNA結(jié)合,作為雙模態(tài)信號(hào)探針。當(dāng)汞離子存在時(shí),汞離子與捕捉探針上核酸適配體發(fā)生特異性結(jié)合,從而引起不同濃度信號(hào)探針在外磁場(chǎng)作用下的釋放,隨后測(cè)定上清液中信號(hào)探針拉曼及熒光光譜,分別建立拉曼/熒光強(qiáng)度與汞離子濃度關(guān)系的標(biāo)準(zhǔn)曲線,實(shí)現(xiàn)雙模態(tài)檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,基于SERS技術(shù)的汞離子線性檢測(cè)范圍為0.001-800 ppm,檢測(cè)限為0.32 ppb�；跓晒夤庾V技術(shù)的汞離子線性檢測(cè)范圍為0.001-100 ppm,檢測(cè)限為0.001 ppm;同時(shí),對(duì)實(shí)際牛奶樣本以標(biāo)準(zhǔn)加入法進(jìn)行汞離子檢測(cè),加標(biāo)回收率分別為99.23%-110%和96.98%-109%。研究表明,基于SERS/熒光技術(shù)的雙模態(tài)方法檢測(cè)牛奶中重金屬離子思路是可行的。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TS252.7;O657.37
【部分圖文】：

曼技術(shù)與納米技術(shù)結(jié)合，以構(gòu)筑的SERS金屬納米基底材料調(diào)控信號(hào)增強(qiáng)，與拉比，該技術(shù)具有更高的靈敏度以及光譜分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)1014倍單分子拉曼信號(hào)在痕量物質(zhì)檢測(cè)上具有更大的應(yīng)用潛力[84, 85]。SERS現(xiàn)象首次出現(xiàn)于1974年，英 Fleischman等[86]發(fā)現(xiàn)吸附在粗糙化銀電極上的吡啶分子具有很強(qiáng)的拉曼散射效應(yīng)號(hào)強(qiáng)度隨著周圍電場(chǎng)電位的變化而變化，但是當(dāng)時(shí)他們把這種現(xiàn)象歸因于粗糙電引起的吸附分子量的增多，從而導(dǎo)致吡啶分子拉曼信號(hào)的增強(qiáng)。直到1977年，Je過進(jìn)一步深入的研究與總結(jié)，發(fā)現(xiàn)粗糙電極上吸附的吡啶分子相較于光滑電極上曼信號(hào)強(qiáng)度最高可增強(qiáng)106倍，他們意識(shí)到這種增強(qiáng)來自一種與粗糙表面相關(guān)的，而不是簡單的吸附分子的增多。因此，他們提出了電磁增強(qiáng)效應(yīng)也就是SER制。隨后，Albrecht和Creighton[88]發(fā)現(xiàn)在粗糙納米基底誘導(dǎo)的SERS信號(hào)增強(qiáng)過程荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)，即化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制。目前，對(duì)SERS的增強(qiáng)機(jī)理沒有統(tǒng)一的觀點(diǎn)，其理和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理是普遍認(rèn)同的兩種拉曼信號(hào)增強(qiáng)機(jī)制，SERS信號(hào)物理增強(qiáng)和被發(fā)現(xiàn)后，很快在食品檢測(cè)分析方面得到廣泛應(yīng)用。

圖 1-2 SPR 模型示意圖[90, 91]Figure 1-2 The schematic diagram of SPR model 化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制學(xué)增強(qiáng)機(jī)制則是從金屬表面和吸附分子間的電荷轉(zhuǎn)移角度來解釋SERS信號(hào)增當(dāng)被測(cè)分子通過化學(xué)鍵的作用與SERS基底材料結(jié)合時(shí)，在激光照射下，吸附分發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移，影響分子表面的電子云密度，進(jìn)而引起分子極化率的改變，從而信號(hào)大大增強(qiáng)[99]（圖 1-3）。研究學(xué)者通過測(cè)定吡啶與金屬基底復(fù)合物的高分辨譜（HREELS）確認(rèn)了吡啶與金屬基底發(fā)生吸附作用時(shí)電荷轉(zhuǎn)移峰的存在，進(jìn)而強(qiáng)理論中電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象存在的真實(shí)性[100, 101]。主要的化學(xué)增強(qiáng)理論模型包含電荷位模型以及分子-金屬成鍵模型。1）電荷轉(zhuǎn)移模型認(rèn)為，目標(biāo)分子與金屬SER鍵連接方式結(jié)合，該復(fù)合物在激發(fā)光照射下，電子將由金屬基底表面轉(zhuǎn)移到目標(biāo)軌道上，金屬費(fèi)米能級(jí)上的電子因吸收了光子向更高能級(jí)躍遷，亦或者從目標(biāo)分

江 蘇 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文屬基底未占據(jù)的軌道。當(dāng)電子回到金屬表面時(shí)，釋放拉標(biāo)分子拉曼光譜信號(hào)大大增強(qiáng)[102, 103]。2）活位模型認(rèn)接的分子都能產(chǎn)生信號(hào)增強(qiáng)效應(yīng)，只有那些與金屬SER子才能產(chǎn)生該效應(yīng)[104]。3）分子-金屬成鍵模型認(rèn)為，，能夠通過化學(xué)鍵連接，從而導(dǎo)致該復(fù)合物產(chǎn)生較大的，該模型認(rèn)為目標(biāo)分子與金屬基底的成鍵，是產(chǎn)生SE離變大時(shí)，成鍵斷裂，該效應(yīng)也隨之消失[92, 105, 106]。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2812161