基于等离子体光催化反应的亚硝酸盐表面增强拉曼光谱快速检测

摘要

亚硝酸盐广泛存在于腌渍蔬菜和腌肉制品中，其对人体存在急性毒性和可能的慢性致癌作用，对人类健康产生严重的威胁，因此开发亚硝酸盐的快速检测方法对食品安全监测有着重大的实用意义。对氨基苯硫酚(PATP)作为表面增强拉曼光谱(SERS)研究中最重要的探针分子之一，具有非常独特的SERS信号。本课题发现了PATP分子另一种新的异常增强现象，即在含有亚硝酸根离子的酸性溶液中，PATP的SERS光谱会出现三个选择性增强的拉曼谱峰（即1138，1388，1433cm-1）。基于表面增强拉曼光谱技术、密度泛函理论和质谱技术探索研究了亚硝酸根离子对PATP的SERS光谱的影响作用。研究确认亚硝酸根离子是酸性溶液中PATP三个选择性增强特征峰出现的本质原因，且光谱变化的实质为PATP在金纳米颗粒表面发生等离子体辅助光催化反应生成p,p'-二巯基偶氮苯(DMAB)。在此基础上，通过探索研究激光功率、基底性质、环境因素、亚硝酸盐浓度等实验条件对PATP向DMAB转化反应的影响作用，结合等离子体光催化理论、密度泛函理论及有机化学等各领域的最新研究成果，构建了在亚硝酸根离子作用下PATP在金纳米颗粒表面的光催化反应机理。亚硝酸根离子作为电子受体或“热”电子淬灭剂参与反应，经过多步电子质子转移过程生成中间产物对硝基苯硫酚，随后对硝基苯硫酚与PATP发生亲核加成反应或自偶合生成DMAB。基于该方法原理，建立了一种基于等离子体光催化反应的表面增强拉曼光谱技术对亚硝酸盐的快速检测方法。通过优化金纳米颗粒的粒径、颗粒浓度、检测体系pH等条件，得出最佳粒径为～60nm，较优颗粒浓度为1.8μM和0.18μM，pH≤2.5。该方法适用于100μM以下亚硝酸盐的检测，最低检测限为1.68μM。在最优条件下，对水溶液中不同浓度的亚硝酸钠进行SERS检测，线性范围为11.25～100μM，1138、1388、1433cm-1处的R2值分别为0.9584、0.9395和0.9535，最低检测限为11.25μM，远低于中国国家对生活饮用水中亚硝酸盐的最低污染限量标准（71.4μM）。对实际样品自来水、唾液、腌萝卜中的亚硝酸盐进行了检测，结果表明所建立的方法对低盐样本可以实现对亚硝酸盐的快速检测，验证了该方法检测实际样品中亚硝酸盐的可行性。本课题建立了基于PATP在大粒径金纳米颗粒上的等离子体光催化反应的SERS技术对亚硝酸盐的快速检测方法。该方法具备灵敏度高、选择性好、快速、样品预处理简单、检测程序简便等优点，使其有望成为亚硝酸盐现场快速筛查或即时检测的新手段。

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摘要

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英文缩略表

第一章 绪论

1．1 课题背景

1．1．1 亚硝酸盐概述

1．1．2 亚硝酸盐的危害及限量标准

1．1．3 现有检测方法及存在的问题

1．2 表面增强拉曼光谱技术概述

1．2．1 拉曼散射效应

1．2．2 表面增强拉曼散射效应

1．2．3 表面增强拉曼散射效应的增强机理

1．2．4 表面增强拉曼散射活性基底

1．3 等离子体光催化反应概述

1．4 对氨基苯硫酚选择性增强现象的争议与进展

1．4．1 化学增强的电荷转移效应理论

1．4．2 等离子体光催化反应产物理论

1．5 表面增强拉曼光谱技术在食品污染物中的检测应用

1．5．1 食品中农药残留的检测应用

1．5．2 食品中非法食品添加剂的检测应用

1．6 选题依据、研究内容与技术路线图

1．6．1 选题依据及意义

1．6．2 研究内容

1．6．3 技术路线

1．7 本章小结

第二章 增强基底的合成方法研究

2．1 引言

2．2 材料和方法

2．2．1 材料和试剂

2．2．2 仪器设备

2．2．3 拉曼光谱仪的参数设置

2．2．4 金纳米颗粒的合成

2．2．5 金纳米颗粒的表征

2．2．6 金纳米颗粒浓度的计算

2．2．7 数据处理

2．3 结果与讨论

2．3．1 金纳米颗粒的表征

2．3．2 合成方法的粒径均匀性研究

2．3．3 合成方法的重复性研究

2．4 本章小结

第三章 亚硝酸根对对氨基苯硫酚选择性增强谱峰的影响作用研究

3．1 引言

3．2 材料和方法

3．2．1 材料和试剂

3．2．2 仪器设备

3．2．3 拉曼光谱仪的参数设置

3．2．4 拉曼增强基底的制备与样品准备

3．2．5 理论计算细节

3．2．6 数据处理

3．3 结果与讨论

3．3．1 金纳米颗粒的表征参数

3．3．2 亚硝酸根对对氨基苯硫酚表面增强拉曼光谱的影响

3．3．3 基于密度泛函理论的对氨基苯硫酚拉曼光谱研究

3．3．4 表面等离子体共振效应对对氨基苯硫酚表面偶联反应的影响

3．4 本章小结

第四章 亚硝酸根引发对氨基苯硫酚等离子体光催化反应机理研究

4．1 引言

4．2 材料和方法

4．2．1 材料和试剂

4．2．2 仪器设备

4．2．3 拉曼光谱仪的参数设置

4．2．4 增强基底的制备与样品准备

4．2．5 增强基底表征

4．2．6 不同激光功率下对氨基苯硫酚拉曼图谱的采集

4．2．7 数据处理

4．3 结果和讨论

4．3．1 粗糙化金／银基底的表征

4．3．2 不同实验条件对对氨基苯硫酚等离子体光催化反应的影响

4．3．3 亚硝酸根引发对氨基苯硫酚等离子体光催化反应机理

4．4 本章小结

第五章 基于PATP-GNPs探针的表面增强拉曼光谱技术对亚硝酸盐的快速检测

5．1 引言

5．2 材料和方法

5．2．1 材料和试剂

5．2．2 仪器设备

5．2．3 拉曼光谱仪的参数设置

5．2．4 增强基底的制备、表征与样品准备

5．2．5 金纳米颗粒颗粒浓度优化

5．2．6 体系pH的优化

5．2．7 水溶液中亚硝酸钠的检测

5．2．8 数据处理

5．3 结果和讨论

5．3．1 金纳米颗粒粒径优化

5．3．2 金纳米颗粒颗粒浓度优化

5．3．3 体系溶液pH的优化

5．3．4 水溶液中亚硝酸盐的快速检测研究

5．4 本章小结

第六章 基于PATP-GNPs探针的表面增强拉曼光谱技术检测实际样品中亚硝酸盐的可行性研究

6．1 引言

6．2 材料与方法

6．2．1 材料和试剂

6．2．2 仪器设备

6．2．3 拉曼光谱仪的参数设置

6．2．4 增强基底的制备、表征与样品准备

6．2．5 实际样品预处理

6．2．6 实际样品中亚硝酸钠的检测

6．3．1 自来水中亚硝酸盐的快速检测研究

6．3．2 腌溃蔬菜漫出液中亚硝酸盐的快速检测研究

6．3．3 唾液中亚硝酸益的快速检测研究

6．4 本章小结

第七章 结论与展望

7．1 主要研究结论

7．2 主要创新点

7．3 展望

参考文献

作者简介