表面增强拉曼光谱与微萃取分析方法联用现场检测有机污染物

摘要

表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectroscopy，SERS)作为一种分子振动光谱，可以提供丰富的分子结构信息，具有无损、快速、痕量分析且在常用区间内不受水干扰等特性。因此，SERS被广泛用于无机、有机污染物以及生物成分的检测。人们通常用电磁场增强机理和化学增强机理解释SERS现象，并在这两种机理的指导下通过物理法或化学法合成有高增强效果的SERS基底，常用的SERS基底按照物态分为溶胶基底和固体基底两类。便携式拉曼光谱仪的使用，使得现场、快速、高通量检测成为了可能。随着分析技术的发展，样品前处理技术在从样品基质中高效分离待测物、浓缩富集待测物等方面起到了重要作用。人们开发了多种样品前处理方法，如:索氏萃取法、加速溶剂萃取法、超临界流体萃取法和加压液体萃取法等。气相色谱-质谱法、高效液相色谱-质谱法、荧光光谱法、红外光谱法、紫外-可见光谱法等多种分析方法被用以检测经过前处理后的样品。许多成熟的分析方法已被认定为国标分析方法。然而在发展精密度高的分析方法的同时，发展现场、快速、原位、高通量检测方法也具有现实意义。现在有机污染物对环境和健康的影响引发了人们广泛的重视。因此，本论文结合SERS的优势和多种样品前处理技术，发展了多种SERS与样品前处理技术联用检测有机污染物的方法，进行了以下工作:
　　1.SERS与表面微萃取联用分析固体样品:
　　多环芳烃类物质以其致癌性、致畸性且易在有机体中富集等特点受到人们广泛关注且被列入多项有关法规。多环芳烃会通过被污染的食品接触材料（玩具、奶瓶、麻袋和手柄等）经由饮食和皮肤进入人体内并造成危害。传统的检测方法需要先对固体进行样品前处理分离出待测物，再通过多种方法进行检测。我们综合了样品前处理和样品分析过程，把一体化的微萃取-SERS技术用于检测食品接触材料上的多环芳烃。甲醇作为萃取剂被用于在样品原位进行微量萃取的过程，有SERS活性的银纳米颗粒被正丙硫醇功能化后被用于对待测物的信号进行SERS增强。这种一体化的原位样品检测方法简化了样品前处理步骤，不仅节省了时间，还避免了在样品前处理过程中引入杂质、积累误差和样品转移过程中的损耗。实验中SERS信号由一台便携式拉曼光谱仪采集，每个样品的光谱收集时间为1 s，检测过程方便、高效。我们评价了此方法的均匀性和稳定性，对以丙硫醇作内标物进行归一化的原理进行了探讨，对多环芳烃中的荧蒽进行了定量检测并拟合得到线性关系，荧蒽的检测限达到0.27 ng cm-2，荧蒽和芘在实际样品中的检测限分别达到0.194μg cm-2和28.3 ng cm-2。我们对5种实际食品接触材料样品（薯条盒、塑料食品盒、纸杯、糖纸和塑料食品袋）中荧蒽、芴和芘三种多环芳烃进行了检测，也对实际样品中的多环芳烃混合物进行了同时检测，混合物中的同分异构体可通过肉眼从SERS光谱图中辨识或经过对SERS光谱数据的主成分分析处理同时被检测出来。这种一体化的微萃取-SERS方法可被进一步用于对其他污染物的现场快速分析工作。
　　2.SERS与分散液相微萃取联用分析水相液体样品:
　　分散液相微萃取（Dispersive Liquid-Liquid Microextraction，DLLME）在2006年一经报道即引发关注，被广泛用作多种有机物和金属离子分析的样品前处理过程。我们结合了DLLME简便、快速、廉价且环保等特点和SERS快速、高通量、痕量检测等特点，用便携试剂盒实现了DLLME-SERS联用检测水中多环芳烃的方法。试剂盒中包括三支试管（一支装有萃取剂和分散剂的混合物、一支装有甲醇、一只装有SERS-活性溶胶），一个便携式拉曼光谱仪和一个用作微反应器的自制96孔板。DLLME是一种平衡萃取方法:萃取剂和分散剂的混合物被快速注射到待测样品中，在分散剂的作用下萃取剂被分为很多细小的液滴并在样品溶液中呈现云雾状。细小的萃取液滴与样品溶液之间具有较大的接触面积，待测物快速在两相间迁移并达到分配平衡。经过1 min低速离心后，萃取相离开样品溶液相，比样品溶液密度大的萃取相聚集到离心管底部。我们将萃取相从离心管中转移到自制96孔板中，然后在同一孔中分别加入甲醇和SERS-活性溶胶，自然干燥后用便携式拉曼光谱仪收集其SERS光谱图。我们考察了用此方法对芘的定量检测并进行了线性拟合，最低检测限(Limit of detection，LOD)为0.50μg L-1。我们还考察了此方法对三种实际水样（黑虎泉水、大明湖水和桶装饮用水）配成的模拟PAHs污染样的检测效果，且评价了此方法的均匀性、稳定性和对PAHs混合物的检测效果。由于此方法采用1 min低速离心作为样品前处理步骤，采用自制96孔微反应器，检测过程简单快捷。每个孔中样品SERS光谱收集时间为1s，理二论上1000个样的SERS峰高信息只需17 min即可收集完成，对照回归曲线可快速定量。这种DLLME-SERS联用方法对发展现场、快速、高通量检测有一定意义。
　　3.SERS与单滴液相微萃取联用分析油相液体样品:
　　单滴液相微萃取(Single-Drop Liquid Phase Microextraction，SDLPME)也是一种基于平衡萃取原理的样品前处理方法:萃取相为单液滴(1μL-10μL)，待测物由样品相迁移到萃取相达到平衡，被分离并富集。我们发展了用具有SERS活性的银溶胶作为单液滴微萃取剂的SDLPME-SERS方法用以检测油类样品中污染物的分析手段，进行了以正辛烷模拟汽油用SDLPME-SERS方法检测其中丙硫醇含量的实验。对油相中污染物含量的分析通常需要先经过样品前处理技术（包括用有机物溶解去除油和用特定试剂富集污染物等）再用色-质联用等方式分析等步骤。而在我们的SDLPME-SERS方法中，只需把2μL具有SERS活性的银溶胶作为单液滴微萃取剂加到油相样品中静置片刻然后取出，即可在富集待测物丙硫醇的同时完成对其拉曼信号增强的目的。用便携式拉曼光谱仪在自制96孔板上依次收集所取出的微萃取剂的光谱数据，即可实现现场、快速、高通量定量分析。我们进行了SDLPME-SERS萃取时间和萃取剂体积条件筛选，考察了均匀性和时间稳定性，进行了定量检测和高通量检测。在实际应用中。本方法不仅可用于对汽油中硫醇的检测，在其它油类分析中，包括食用油和精油的农药残留检测、硅油的杂质分析等方面也有着广阔的发展前景。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 拉曼光谱

1．2 表面增强拉曼光谱

1．2．1 SERS机理

1．2．2 SERS基底的合成

1．2．3 SERS基底的修饰

1．2．4 SERS的应用

1．3 样品前处理方法

1．3．1 固体样品的前处理方法

1．3．2 液体样品的前处理方法

1．4 SERS与其他技术联用的进展

1．5 本论文的选题背景和研究内容

参考文献

第二章 基于表面微萃取与表面增强拉曼光谱联用的原理在食品接触材料表面原位检测多环芳烃

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 试剂

2．2．2 仪器

2．2．3 制备丙硫酵修饰的银纳米颗粒

2．2．4 用丙硫醇修饰的银溶胶作为SERS基底在食品接触材料表面进行原位微萃取-SERS联用检测

2．3 结果与讨论

2．3．1 表征丙硫醇-银溶胶并评价其SERS活性

2．3．2 定性检测PAHs

2．3．3 评价丙硫醇-银溶胶基底的均匀性和稳定性

2．3．4 用PTH-Ag NPs定量检测PAHs

2．3．5 用微萃取-SERS一体法在食品接触材料表面原位检测PAHs

2．4 总结

参考文献

第三章 基于分散液液微萃取与表面增强拉曼光谱联用的原理制备试剂盒用于高通量快速检测水中的多环芳烃

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 试剂

3．2．2 仪器

3．2．3 制备PTH-Ag NPs

3．2．4 用试剂盒高通量检测水样中的PAHs

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 表征和评价PTH-Ag NPs

3．3．2 DLLME萃取剂种类、萃取时间和萃取剂体积条件筛选

3．3．3 DLLME-SERS试剂盒的均匀性和稳定性

3．3．4 用DLLME-SELLS定量检测PAHs

3．3．5 评价试剂盒在高通量检测、回收率计算和混合物分析中的效果

3．4 总结

参考文献

第四章 基于单滴液相微萃取与表面增强拉曼光谱联用的原理分析模拟气油中的丙硫醇的含量

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 试剂

4．2．2 仪器

4．2．3 制备并处理银纳米颗粒

4．2．4 用银纳米颗粒单液滴通过微萃取检测汽油中的丙硫醇

4．3 结果与讨论

4．3．1 实验原理

4．3．2 表征银纳米颗粒

4．3．3 SDLPME萃取时间和萃取剂体积条件筛选

4．3．4 考察SDLPME-SERS方法的均匀性和时间稳定性

4．3．5 用SDLPME-SERS方法定量检测正辛烷中的丙硫醇

4．3．6 用SDLPME-SERS方法高通量检测正辛烷中的丙硫醇

4．4 总结

参考文献

5．1 本论文的创新之处

5．2 有待继续研究之处

致谢

攻读博士期间完成的论文