酚酸类化合物的SERS高效检测和理论研究

来源 :中国石油大学(北京) | 被引量 : 0次 | 上传用户:sxhainan
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由于酚酸类化合物具有抗氧化、抗癌、抗炎以及心血管保护等多重作用,因此对该类化合物的高效识别与检测变得尤为重要。然而,传统的检测技术存在不足,无法实现快速、低浓度、便携检测等要求。与传统检测方法相比,表面增强拉曼散射(SERS)技术具有无损检测、指纹特性好以及高效检测的优点,在痕量活性分子的检测中具有独特优势。值得注意的是,在使用传统贵金属SERS基底检测酚酸类化合物时,发现该类化合物拉曼截面值低并且与传统SERS基底材料之间的相互作用较弱,导致拉曼信号强度较弱,所以传统贵金属基底材料难以实现酚酸类化合物的高效和选择性SERS检测。针对上述的问题,本文设计和制备了高性能的SERS复合材料,以酚酸类化合物对香豆酸(p-CA)为检测对象,探究了p-CA的高效和选择性SERS检测。同时,采用密度泛函理论(DFT)从化学增强和电磁增强的角度分析p-CA吸附在Au团簇和Ag团簇上的SERS增强机理。通过理论计算和实验相结合对p-CA的SERS检测进行系统的分析和讨论,主要工作如下:(1)本论文利用密度泛函理论优化了p-CA分子和p-CA-Au团簇复合物的结构。在此基础上计算了p-CA分子以及p-CA-Au20复合物的拉曼光谱,筛选并分析了谱图中的特征峰。当p-CA分子吸附到Au20团簇时,由极化率变化引起的静态化学增强的最大增强可达到30倍。然后以p-CA-Au10复合物为模型,利用含时密度泛函理论(TDDFT)研究了p-CA分子吸附到Au团簇上的SERS增强机理。研究发现,在不同入射光的激发下,由电磁增强引起的最大增强可以达到1×10~5倍,由化学增强引起的最大增强可以达到5×10~3倍。因此,金团簇可以通过电磁增强和化学增强的共同作用,显著增强p-CA分子的拉曼散射信号。(2)本论文利用密度泛函理论优化了p-CA分子和p-CA-Ag团簇复合物的结构,在此基础上计算和分析了p-CA-Ag20复合物的拉曼光谱。当p-CA分子吸附到Ag20团簇时,由极化率变化引起的静态化学增强的最大增强可达到25倍。然后以p-CA-Ag10复合物为模型,利用含时密度泛函理论(TDDFT)研究了p-CA分子吸附到Ag团簇上的SERS增强机理。研究发现,在不同入射光的激发下,由电磁增强引起的最大增强可以达到1×10~4倍,由化学增强引起的最大增强可以达到1×10~2倍。因此,银团簇同样可以通过电磁增强和化学增强的共同作用显著增强p-CA分子的拉曼散射信号。但是比较Au团簇和Ag团簇对p-CA的SERS增强效果,可以发现p-CA分子吸附到Au团簇上的SERS增强效果更好。(3)本论文设计和制备了DTT修饰的多孔ZIF-8包裹的Au NPs的核壳结构,并进一步优化复合材料的结构,使其具有更好的SERS检测性能。其中,ZIF-8用于p-CA的选择性吸附和富集,DTT用于p-CA的选择性捕获。结果表明,相同浓度下Au@ZIF-8/DTT作为基底检测p-CA的拉曼信号明显好于Au和Au@ZIF-8材料。使用Au@ZIF-8/DTT作基底对p-CA的检测限能够达到3×10-8mol/L,并且特征峰强度和浓度在一定浓度范围内(3×10-8-3×10-5mol/L)呈现出良好的线性关系。此外,Au@ZIF-8/DTT复合材料还表现出良好的选择性和稳定性。
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