基于表面增强拉曼光谱的真菌毒素和农药残留的检测及其应用

摘要

真菌毒素是农作物在生长、运输、储存或加工过程中受到真菌的污染，从而由真菌产生的次级代谢产物。当人畜摄入受真菌毒素污染的粮食与饲料后，会引起一系列的严重疾病。每年世界上有许多的粮食作物受到真菌毒素的污染，从而导致了严重的经济损失和安全隐患。农药作为传统农业生产过程中所使用的一种化学品，在抑制或消除昆虫、野草、真菌、细菌或其它生物中扮演了重要的角色。至今为止，每年农药生产量达到两百万吨，并广泛应用于农田、果园和温室等处。对于大部分农药，摄取、吸入或暴露其中对人体是有害的。
　　众所周知，近年来食品与饲料中广泛存在真菌毒素和农药的残留，这严重危害着人畜的健康与安全，这种对人类健康和食品安全的威胁已引起了社会的高度关注。因此，对它们的高效灵敏检测已成为当下社会大众健康与科技发展的首要任务，出于该研究目的，本论文的研究方向与内容得以确立和开展。
　　现今，已有的检测真菌毒素和农药残留的方法已有不少，其优缺各异。例如现有较为成熟的色谱、质谱技术，虽然具有高灵敏度和高准确性，但仪器设备昂贵，操作复杂;而生物相关的免疫检测方法，虽然准确性高，但检测成本昂贵，检测过程要求高。因此，如何快速、灵敏、精确、便捷地进行检测成为了当下的迫切要求。
　　本论文基于表面增强拉曼散射(SERS)技术，主要进行了关于真菌毒素脱氧雪肤镰刀菌烯醇(DON)、展青霉素(PAT)和农药甲基硫菌灵(TM)检测的三项研究工作，分别对DON、PAT和TM进行了Raman和SERS光谱分析及样品检测实验。首先进行金属纳米粒子基底的合成，然后将其运用于真菌毒素与农药的SERS光谱测量与实际样品检测。为了进一步分析所获得的光谱数据，本文还采用密度泛函理论(DFT)对其振动模式进行了分析和计算，其参数水平为B3LYP/6-311++G(d，p)或者6-31+G(d，p)。
　　在DON测试实验部分，本文获得了不同浓度DON溶液的SERS光谱，且最低检出限(LOD)为10-7M，并且用DFT对其SERS光谱进行乐分析。实际样品检测中，DON在玉米和芸豆中的检出限10-6M低于国家限量标准，证明了本方法可很好地用于对实际样品农药是否超标的检测。
　　在PAT测试实验部分，本文对PAT的Raman和SERS光谱进行了分析，并分别用DFT对两种光谱进行了验证和归属计算。同时，在SERS计算的过程中，运用了PAT-Ag2和PAT-Ag4两种模型，计算结果，与实验数据取得了较好的一致性。
　　在TM测试实验部分，本文不仅对TM的拉曼光谱和SERS光谱进行检测和DFT归属，而且以常见的水果（苹果和梨）作为对象，进行了标加实际样品的检测，PAT在苹果和梨中的检出限为10-6M也达到了国家限量标准以下，再次证明了本文基于表面增强拉曼光谱的检测方法具有很好的实用性和可开发性。
　　本文研究工作的创新在于，较以往文献，首次对DON和PAT的光谱进行检测并归属;同时，对TM的Raman和SERS光谱归属也更为细致，针对两种模型的DFT计算也进一步提高了实验数据的价值。SERS技术因其高灵敏度、高重现性、操作简单等优点，将在分析、检测、监督食品中的真菌毒素和农药残留方面具有巨大的潜能和前景。

目录

摘要

第一章 绪论

1．1 真菌毒素

1．1．1 真菌毒素的产生与种类

1．1．2 真菌毒素的危害

1．2 农药残留

1．2．1 农药的生产和类型

1．2．2 农药残留的危害

1．3 真菌毒素与农药残留传统的检测方法及其优缺点

1．4 拉曼光谱散射效应

1．4．1 拉曼光谱的发展与应用

1．4．2 拉曼光谱的原理

1．4．3 拉曼光谱的特点

1．5 表面增强拉曼光谱

1．5．1 表面增强拉曼光谱的发展与应用

1．5．2 表面增强拉曼光谱的原理

1．5．3 纳米粒子的定义与特性

1．6 研究目的与主要研究内容

1．6．1 基于表面增强拉曼光谱技术食品中脱氧雪腐镰刀菌烯醇的检测

1．6．2 展青毒素的拉曼光谱、表面增强拉曼光谱与密度泛函理论的研究

1．6．3 基于表面增强拉曼光谱技术水果中甲基硫菌灵农药残留的检测

第二章 基于表面增强拉曼光谱技术的食品中脱氧雪腐镰刀菌烯醇的检测

2．1 引言

2．2 实验方法

2．2．1 实验材料与试剂

2．2．2 实验仪器

2．2．3 实验步骤

2．3 实验结果与讨论

2．3．1 银纳米粒子的性质

2．3．2 不同浓度的DON溶液的SERS光谱

2．3．3 DON拉曼光谱的DFT计算归属

2．3．4 实际农作物的DON加标SERS光谱分析

2．4 本章小结

第三章 展青霉菌素的拉曼光谱、表面增强拉曼光谱与密度泛函理论的研究

3．1 引言

3．2 实验方法

3．2．1 实验试剂

3．2．2 实验仪器

3．2．3 实验步骤

3．3 实验结果与讨论

3．3．1 PAT标准拉曼光谱谱图的测量与计算得出

3．3．2 PAT水溶液的拉曼光谱DFT计算归属

3．3．3 PAT位于三种银基底上的SERS强度比较

3．3．4 不同浓度PAT水溶液的SERS光谱测量

3．3．5 PAT的SERS光谱DFT计算归属

3．4 本章小结

第四章 基于表面增强拉曼光谱技术的水果中甲基硫菌灵农药残留的检测

4．1 引言

4．2 实验方法

4．2．1 实验试剂

4．2．2 实验仪器

4．2．3 实验步骤

4．3 实验结果与讨论

4．3．1 植酸包裹的金纳米粒子的性质

4．3．2 TM的固体拉曼光谱测量

4．3．3 不同浓度梯度TM乙醇溶液的SERS光谱测量

4．3．4 TM拉曼光谱的DFT归属

4．3．5 实际水果样品中TM残留的标加检测

4．4 本章小结

第五章 全文总结及创新点

参考文献

致谢

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