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高性能SERS复合衬底的设计制备及对六氯环己烷农药残留的检测应用

周侠  
【摘要】:六氯环己烷(HCH)是典型的环境污染物,毒性高、结构稳定,可在土壤、水体等稳定介质中长期存在。由于历史使用量大,其带来的环境问题一直是人们关注的焦点之一,因此对其快速、高效识别以及痕量、便携检测尤为重要。然而,目前HCH检测常用方法:色谱法、生物分析法、电化学传感法等,都无法实现这一目标。而表面增强拉曼散射(SERS)光谱法,由于具有高灵敏和指纹识别的特点,在高毒性分子的检测应用上具有独特优势,是实现HCH检测这一目标的有效途径。但由于HCH分子与贵金属SERS基底相互作用弱,难以实现有效捕捉与高灵敏检测。针对于此,我们从实现对HCH分子的高效富集和特异性选择着手,开展了高性能SERS复合基底的设计与制备工作,研究基底对HCH的SERS响应,探索高效痕量检测的途径。开展的主要研究工作和创新性结果如下:(1)发展了一种基于低温温度调节控制纳米晶体生长的策略。通过调节晶体生长溶液的温度来控制110与111两方向生长速率的相对大小,实现了 Au纳米晶体形状的调控与SERS基底的结构优化。由于高密度的尖角/边,二十四面体和冠状Au纳米晶体构建的基底表现出较强的SERS活性。对于林丹(γ-HCH)分子的SERS检测,增强因子(EF)高达107,检测限为30 ppb。该策略为HCH农药的痕量检测提供了多种新型的SERS基底。(2)提出了一种基于动力学控制的种子生长法。通过调节Au种子加入到生长溶液的添加速率来构建具有高密度尖端的板栗状Au纳米结构。这种构型的形成归因于种子沿111方向的优先生长以及高密度的纳米针晶体的形成。由该结构制成的薄膜基底显示出优异的SERS性能。当它用于y-HCH分子检测时,SERS检测限可低至10 ppb。此结构为痕量HCH农药的识别与检测提供了高效的SERS基底。(3)设计并制备了一种多孔的ZIF-8壳层包裹海胆状Au-Ag合金纳米颗粒(UAAN)的核-壳构型。这种结构用作SERS基底检测痕量的y-HCH和α-HCH分子时,研究发现适当厚度的ZIF-8壳层可以显著提高对痕量HCH分子检测的SERS性能。尤其是在低浓度的溶液中,表现出对HCH分子幂指数增加的富集效应,检测限为1.5 ppb。这项工作成功实现了对痕量HCH分子的高效富集和SERS检测。(4)寻找到一种主动捕获HCH农药分子的新途径。通过在Au纳米片构建的空心亚微米管(ANHCs)表面修饰4-巯基苯硼酸(4-MPBA),利用HCH与4-MPBA之间发生Suzuki交叉偶联反应来主动捕获HCH分子。SERS研究结果表明可以实现对HCH的超灵敏检测,检测限低至0.3 ppb。另外,4-MPBA修饰的基底与未修饰的基底相比,呈现出更高的重现性和灵敏度。该策略可用于混合样品中HCH异构体的检测和区分。


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