光谱技术在食品安全检测中的应用研究

摘要

近年来，食品安全问题由于严重地危害人类健康和造成环境的污染引起了人们越来越多的关注。光谱技术已广泛的应用于物质的化学和物理分析中，而拉曼光谱技术特别是表面增强拉曼光谱技术和局域表面等离子体共振光谱技术在食品安全检测方面具有独特的优势。本文针对这两种光谱技术在食品安全方面的应用进行了基础研究，提供了灵敏度好，高选择性，操作方便的检测技术。食品安全的问题中有两个方面最为突出，其一是一些人为了商业利益非法的添加一些有害的化学添加剂，二是重金属超标而造成的水质与食品的污染。本文就这两种问题中挑选了最为典型的几种物质，通过理论计算，实验测试等多种手段，对其进行了系统的分析与讨论，具体结果如下:　　(1)基于密度泛函理论对异硫氰基-孔雀石绿，三聚氰胺，氰尿酸，木糖醇分子的构建及其电子结构进行理论的研究。　　三聚氰胺，氰尿酸分子由于高氮含量被非法的用作食品添加剂，还有一些将有害物质冒充木糖醇加入食品中。由于食品的组成成分非常复杂，在这种体系中，拉曼散射测量结果包含了多种成分的拉曼光谱，为了准确的测量食品中有害分子的含量，我们必须知道分子的准确拉曼光谱图，此外我们还需要知道更丰富的的电子结构信息，以便于识别和分析。本文采用密度泛函理论在B3LYP/6-311G*水平下研究了三聚氰胺，氰尿酸，木糖醇分子空间结构，原子上Mulliken电荷分布，极化率等，并且计算获得前线分子轨道(最高占据轨道(HOMO)、最低空轨道(LUMO)）。在优化得到的基态几何构型的基础上，采用含时密度泛函(TD-DFT)方法研究了其电子吸收光谱的性质。　　(2)三聚氰胺，氰尿酸，木糖醇食品分子的拉曼光谱的密度泛函理论研究　　利用密度泛函理论在B3LYP-6-311G*水平下分别计算了三聚氰胺，氰尿酸，木糖醇分子的理论拉曼光谱，表面增强拉曼光谱，预共振拉曼光谱。将理论的自然拉曼光谱，表面增强拉曼光谱分别与实验的自然拉曼光谱和表面增强拉曼光谱进行对比和分析，结果显示了很好一致性。同时也给出了其空间结构参数、振动模指认等数据来确定其拉曼特征峰。　　(3)表面增强拉曼散射技术对水中的重金属铅离子进行检测　　基于谷胱甘肽和4-巯基吡啶修饰的金纳米粒子用于高灵敏度的表面增强拉曼散射技术检测水中的铅离子。首先利用柠檬酸钠还原氯金酸溶液的方法制备金纳米球，并对金纳米粒子的形貌及光学性质进行分析研究金纳米球。描述了表面增强拉曼光谱检测Pb2+制备过程，首先制备谷胱甘肽和4-巯基吡啶修饰的金纳米粒子，4-巯基吡啶作为拉曼特征分子，当加入Pb2+后，金纳米粒子产生聚集，使得4-巯基吡啶的拉曼光谱强度增强，从而可以间接的检测出溶液中含有重金属铅离子。从紫外可见吸收光谱，电子显微镜，还有直观的颜色变化结果中，都可以证明这种方法可以有效地检测水中的重金属离子。　　(4)Cu2-xS纳米粒子的局域表面等离子共振(LSPR)吸收光谱对Pb2+的检测　　我们报道了利用半导体纳米晶体检测水中的重金属铅离子。首先通过一种简单的方法制备了重掺杂Cu2-xS，纳米晶体。并证明了其在近红外有局域表面等离子共振吸收光谱。并通过油酸的改变，可以对其近红外的表面等离子共振吸收光谱线性调节。通过谷胱甘肽包裹的Cu2-xS纳米晶体产生高灵敏度的局域表面等离子共振吸收峰值，当溶液中加入重金属铅离子后，谷胱甘肽包裹的Cu2-xS纳米晶体产生聚集，从而使得LSPR吸收峰产生频移。在最优化的条件下，我们的检测灵敏度为0.25μM(52.5ppb)Pb2+。通过实验研究，我们提供了一种新型的方法，即利用半导体材料的表面等离子共振吸收峰值来检测影响食品安全有害物质。这就为检测技术提供了一种无毒，操作更简单，成本更廉价的方法在食品安全中的应用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 食品安全问题的研究现状

1．2 食品安全的检测技术的研究现状及进展

1．2．1 食品安全检测现状

1．2．2 色谱检测技术

1．2．3 生物检测技术

1．2．4 光谱法

1．3 拉曼光谱技术在食品安全方面的应用

1．3．1 拉曼原理

1．3．2 拉曼光谱检测

1．3．3 拉曼光谱在食品检测中的应用

1．3．4 拉曼光谱技术前景

1．4 表面等离子体共振(SPR)光谱技术在食品安全方面的应用

1．4．1 表面等离子共振技术

1．4．2 SPR在食品安全中的应用

1．5 本章小结

第二章 异硫氰基-孔雀石绿的拉曼光谱计算及分析

2．1 引言

2．2 主要计算化学软件的介绍(Gaussian)及密度泛函理论概述

2．3 MGITC分子构建及结构优化

2．4 基于密度泛函理论的MGITC分子拉曼光谱的计算

2．5 分析与讨论

2．5．1 MGITC分子的晶格结构

2．5．2 光谱指认

2．6 本章小结

第三章 几种典型影响食品安全问题的有机分子的拉曼光谱的研究

3．1 引言

3．2 食品有害物质三聚氰胺分子的拉曼光谱的计算

3．2．1 三聚氰胺分子构建及结构优化

3．2．2 基于密度泛函理论的三聚氰胺分子拉曼光谱的计算

3．2．3 理论计算与实验拉曼光谱对比分析

3．3 食品有害物质氰尿酸分子的拉曼光谱的计算

3．3．1 氰尿酸分子构建及结构优化

3．3．2 基于密度泛函理论的氰尿酸分子拉曼光谱的计算

3．3．3 理论计算与实验拉曼光谱对比分析

3．4 食品分子木糖醇的拉曼光谱的计算

3．4．1 木糖醇分子构建及结构优化

3．4．2 基于密度泛函理论的木糖醇分子拉曼光谱的计算

3．4．3 理论计算与实验拉曼光谱

3．5 本章小结

第四章 基于SERS方法对水中的重金属铅离子的检测技术研究

4．1 引言

4．2 金纳米粒子的制备

4．2．1 金纳米粒子的制备试剂，设备及方法

4．2．2 金纳米粒子的制备过程

4．3 金纳米粒子的形貌分析及光学性质研究

4．3．1 金纳米粒子的形貌分析及光学性质研究

4．3．2 金纳米粒子的紫外可见(UV-Vis)吸收谱分析

4．4 利用表面增强拉曼光谱技术检测铅离子

4．4．1 谷胱甘肽、4-巯基吡啶功能化的金纳米粒子

4．4．2 表面增强拉曼光谱技术检测铅离子的制备过程

4．5 结果与讨论

4．5．1 检测过程的原理图

4．5．2 加入铅离子前后的结果表征

4．6 表面增强拉曼光谱的测量分析

4．7 4-巯基吡啶分子在金团簇的表面增强拉曼光谱DFT研究

4．7．1 三种分子模型的构建

4．7．2 4-巯基吡啶的拉曼光谱及表面增强拉曼光谱的计算

4．8 理论计算与实验拉曼光谱进行对比及分析

4．9 本章小结

第五章 Cu2-xS纳米粒子的制备和光学性能研究

5．1 引言

5．2 Cu2-xS纳米粒子的制备

5．2．1 Cu2-xS纳米粒子的制备试剂，设备及方法

5．2．2 Cu2-xS纳米粒子的制备过程

5．3 Cu2-xS纳米粒子的形貌分析

5．4 Cu2-xS纳米粒子的光学特性的研究

5．5 本章小结

第六章 基于Cu2-xS纳米粒子的LSPR吸收光谱对重金属离子的检测

6．1 引言

6．2 基于相转移方法制备水相溶解Cu2-xS纳米粒子

6．2．1 制备试剂，设备

6．2．2 制备过程

6．3 水相Cu2-xS纳米粒子的LSPR光学性质研究

6．4 Ou2-xS-GSH的LAPR吸收光谱检测重金属铅离子

6．4．1 Cu2-xS-GSH对于铅离子的检测原理

6．4．2 Cu2-xS纳米粒子的LSPR吸收光谱变化检测不同浓度的铅离子

6．4．3 Cu2-xS纳米粒子检测铅离子的TEM分析

6．5 Cu2-xS-GSH对于铅离子选择性的研究

6．6 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

博士期间的相关论文及专利