隨著牛奶消費量的增加,牛奶中有害物污染受到了消費者的極大關注。常規(guī)的檢測方法或費時費力,或處理復雜、儀器昂貴、均不適用現(xiàn)場快速檢測,因而開發(fā)新型分析方法已成為牛奶檢測領域的研究熱點。表面增強拉曼光譜技術(SERS)具有樣本前處理簡單、檢測速度快、靈敏度高、光譜信息豐富、易操作等優(yōu)點。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、重金屬離子為檢測對象,嘗試將SERS技術與現(xiàn)有技術相結合,克服常規(guī)檢測方法的局限性,實現(xiàn)牛奶中有害污染物的快速高靈敏檢測。主要研究內(nèi)容如下:1.牛奶中食源性致病菌的SERS檢測方法研究。研究提出了一種基于粒距調(diào)控的競爭免疫SERS檢測新方法,以鼠傷寒沙門氏菌為檢測對象,首先制備了長徑比適中、拉曼增強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巰基苯胺(PATP)修飾的GNRs表面;該核酸適配體保護GNRs在鹽離子環(huán)境下的單分散狀態(tài),PATP作為標記分子報告SERS信號;當目標物與核酸適配體互補DNA共同存在時,它們競爭性地與核酸適配體發(fā)生特異性結合,導致核酸適配體失去對GNRs的保護,GNRs粒子間距減小,拉曼信號增強,以此實現(xiàn)檢測。實驗結果表明,鼠傷寒沙門氏菌線性檢測范圍為56-56×10~7 cfu/ml,檢測限為9 cfu/ml;同時,對實際牛奶樣本以標準加入法進行鼠傷寒沙門氏菌檢測,加標回收率為98%-126%。研究表明,基于粒距調(diào)控競爭性免疫SERS方法檢測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檢測方法研究。研究提出了一種競爭磁免疫SERS檢測新方法,以四環(huán)素為檢測對象,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DNA結合,作為信號探針。當四環(huán)素存在時,四環(huán)素與捕捉探針上核酸適配體發(fā)生特異性結合,從而引起不同濃度信號探針在外磁場作用下的釋放,通過測定被釋放信號探針的拉曼光譜,根據(jù)PATP特征峰位置獲取拉曼光譜強度,建立其與四環(huán)素濃度關系的標準曲線,實現(xiàn)檢測。實驗結果表明,四環(huán)素線性檢測范圍為0.001-100 ng/mL,檢測限為0.001 ng/mL;同時,對實際牛奶樣本以標準加入法進行四環(huán)素檢測,加標回收率為97%-120%。研究表明,基于競爭磁免疫SERS方法檢測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)反應的SERS檢測新方法,以重金屬汞離子為檢測對象,首先制備了顆粒大小均一、拉曼增強效果明顯的金/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結合,作為捕捉探針,用于重金屬汞離子的捕獲。當汞離子存在時,汞離子與羅丹明衍生物R分子結構中螺環(huán)部位發(fā)生開環(huán)反應,并發(fā)生螯合作用,實現(xiàn)汞離子的捕獲;通過測定加汞后混合物的拉曼光譜,建立特征峰拉曼光譜強度與汞離子濃度關系的標準曲線,實現(xiàn)檢測。實驗結果表明,汞離子線性檢測范圍為0.01-1000 ppm,檢測限為5.16 ppb;同時,對實際牛奶樣本以標準加入法進行汞離子檢測,加標回收率為98.83%-110%。研究表明,基于羅丹明衍生物R開環(huán)反應的SERS方法檢測牛奶中重金屬離子思路是可行的。4.基于SERS和化學計量學的牛奶有害污染物快速檢測方法研究。在前三章研究基礎上,進一步探索了更為快速便捷的檢測方法,以滿足牛奶中有害污染物現(xiàn)場快速檢測的需求。研究仍以重金屬汞離子為檢測對象,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,測其拉曼光譜;然后運用卷積平滑-一階導數(shù)法對光譜進行預處理,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模型。實驗結果表明,ACO優(yōu)選BP-Adaboost模型對汞離子含量預測結果最佳,預測集相關性系數(shù)為0.997,預測集均方根誤差為0.092;同時,對實際牛奶樣本以標準加入法進行汞離子檢測,加標回收率為98.3%-115%。研究表明,基于SERS和化學計量學方法檢測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方法研究。在前四章研究基礎上,進一步探索了SERS/熒光雙模態(tài)檢測新思路,以提高檢測方法的廣譜適用性。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)換納米復合材料與汞離子核酸適配體互補DNA結合,作為雙模態(tài)信號探針。當汞離子存在時,汞離子與捕捉探針上核酸適配體發(fā)生特異性結合,從而引起不同濃度信號探針在外磁場作用下的釋放,隨后測定上清液中信號探針拉曼及熒光光譜,分別建立拉曼/熒光強度與汞離子濃度關系的標準曲線,實現(xiàn)雙模態(tài)檢測。實驗結果表明,基于SERS技術的汞離子線性檢測范圍為0.001-800 ppm,檢測限為0.32 ppb�；跓晒夤庾V技術的汞離子線性檢測范圍為0.001-100 ppm,檢測限為0.001 ppm;同時,對實際牛奶樣本以標準加入法進行汞離子檢測,加標回收率分別為99.23%-110%和96.98%-109%。研究表明,基于SERS/熒光技術的雙模態(tài)方法檢測牛奶中重金屬離子思路是可行的。
【學位單位】：江蘇大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TS252.7;O657.37
【部分圖文】：

曼技術與納米技術結合，以構筑的SERS金屬納米基底材料調(diào)控信號增強，與拉比，該技術具有更高的靈敏度以及光譜分辨率，能夠?qū)崿F(xiàn)1014倍單分子拉曼信號在痕量物質(zhì)檢測上具有更大的應用潛力[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的拉曼散射效應號強度隨著周圍電場電位的變化而變化，但是當時他們把這種現(xiàn)象歸因于粗糙電引起的吸附分子量的增多，從而導致吡啶分子拉曼信號的增強。直到1977年，Je過進一步深入的研究與總結，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強度最高可增強106倍，他們意識到這種增強來自一種與粗糙表面相關的，而不是簡單的吸附分子的增多。因此，他們提出了電磁增強效應也就是SER制。隨后，Albrecht和Creighton[88]發(fā)現(xiàn)在粗糙納米基底誘導的SERS信號增強過程荷轉(zhuǎn)移效應，即化學增強機制。目前，對SERS的增強機理沒有統(tǒng)一的觀點，其理和化學增強機理是普遍認同的兩種拉曼信號增強機制，SERS信號物理增強和被發(fā)現(xiàn)后，很快在食品檢測分析方面得到廣泛應用。

圖 1-2 SPR 模型示意圖[90, 91]Figure 1-2 The schematic diagram of SPR model 化學增強機制學增強機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信號增當被測分子通過化學鍵的作用與SERS基底材料結合時，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，進而引起分子極化率的改變，從而信號大大增強[99]（圖 1-3）。研究學者通過測定吡啶與金屬基底復合物的高分辨譜（HREELS）確認了吡啶與金屬基底發(fā)生吸附作用時電荷轉(zhuǎn)移峰的存在，進而強理論中電荷轉(zhuǎn)移現(xiàn)象存在的真實性[100, 101]。主要的化學增強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)移模型認為，目標分子與金屬SER鍵連接方式結合，該復合物在激發(fā)光照射下，電子將由金屬基底表面轉(zhuǎn)移到目標軌道上，金屬費米能級上的電子因吸收了光子向更高能級躍遷，亦或者從目標分

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

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本文編號：2812161