纳米材料基比色传感器的构建及其在食品和环境分析中的应用

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纳米材料是指三维尺寸中至少有一维尺寸在1–100 nm范围内,介于宏观物质和原子之间的一种材料。其中,以金纳米和银纳米材料为代表的金属纳米材料由于其独特的物理、化学和生物学性质成为近年来的研究热点。研究表明,金属纳米材料的物理化学性质取决于其形貌和尺寸,不同形貌和尺寸的纳米材料具有不同的局域表面等离子体共振效应(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)、表面催化活性和生物相容性等。因此,金/银纳米材料比色传感器的构建和应用备受关注。本论文基于纳米金颗粒(AuNPs)团聚-反团聚原理、三角形纳米金片(AuNPLs)刻蚀-反刻蚀原理以及纳米银颗粒(AgNPs)催化活性抑制原理构建了三种新型的比色传感器,并将它们分别应用于食品和环境水体中超痕量碘离子(I-)、铜离子(Cu2+)和汞离子(Hg2+)以及四环素类抗生素(TCs)的定量分析,方法简便、快速、灵敏度高、选择性好。主要内容包括以下三个部分:1、基于目标离子与离子交联剂之间的氧化还原反应调控AuNPs的反团聚,建立I-的比色传感方法。利用柠檬酸钠还原法制备13 nm的AuNPs,利用透射电子显微镜、紫外可见分光光度计和纳米粒度电位仪对合成的AuNPs进行了表征。考察精氨酸和Cu2+的浓度、反应时间和溶液pH值对AuNPs聚集状态的影响,阐述了AuNPs溶液团聚-反团聚过程原理。在最优实验条件下,通过肉眼或紫外可见光谱分别对AuNPs溶液的颜色和光谱性质进行监测。本章所建立的比色传感方法最低检测浓度可达0.01μmol L-1,应用于饮用水和食盐中碘离子浓度的定量分析取得了满意的结果。2、基于对AuNPLs蚀刻进行有效调控的原理构建了用于Cu2+和Hg2+连续测定的超灵敏比色传感方法。利用晶种生长法制备边长为70 nm的AuNPLs。使用透射电子显微镜、紫外可见光谱等表征手段对所制备的AuNPLs的尺寸、形貌及光学性质进行研究。进一步结合质谱信号对蚀刻过程中生成物的分子结构进行鉴定,阐述了AuNPLs的蚀刻原理。实验结果表明,基于蚀刻AuNPLs的传感方法用于Cu2+和Hg2+的检测选择性好、线性范围宽、灵敏度高。其中Cu2+在0.05–1.5μmol L-1浓度范围内、Hg2+在0.02–3μmol L-1浓度范围内呈现良好的线性。在水样中Cu2+和Hg2+的检测限分别低至19 nmol L-1和9 nmol L-1。3、利用AgNPs对硼氢化钠-对硝基苯酚还原体系的催化作用建立了多模式的TCs检测方法。通过硼氢化钠还原法合成了粒径为10 nm的AgNPs。分别使用秒表和紫外可见光谱仪对不同浓度TCs修饰的AgNPs的催化活性进行监控。本文提出的传感方法无需复杂的设备,灵敏度高。在最优实验条件下,计时法和比色法可检测的最低浓度分别为6 nmol L-1和34 nmol L-1,本文建立的检测方法成功地应用于环境水样中TCs的监测。
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