基于表面增强拉曼光谱技术的茶叶中农药残留高灵敏快速检测研究

发布时间：2020-07-30 04:33

【摘要】：茶(Camellia sinensis L.)是世界上饮用最为广泛的非酒精饮料之一,具有多种保健功能。作为我国主要的木本经济作物,茶有助于增加农业效益及茶农收入。但茶在生产过程中会产生一定的农药残留,不仅威胁到消费者健康,也对我国茶及茶制品出口贸易造成严重影响。但现有的检测技术存在着检测效率低、检测成本高等局限性。因此,茶叶中农药残留快速检测技术的研究和开发引发了越来越多的关注。本课题开展了基于表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)技术的茶叶中农药残留快速检测研究,主要研究内容如下:1.基于表面增强拉曼光谱技术的茶叶中吡虫啉残留快速检测研究。本研究提出了一种利用银纳米花(silver nano flower,AgNF)对茶中的吡虫啉进行SERS快速检测的方法,首先,制备了表面高度粗糙的银纳米花作为免标记SERS基底,通过扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)等手段对该基底进行表征并优化合成参数;而后将该基底与样品混合后收集SERS光谱,光谱经预处理后结合偏最小二乘法(PLS)、联合区间偏最小二乘法(Si-PLS)、反向区间偏最小二乘法(Bi-PLS)、遗传偏最小二乘法(GA-PLS)分别建立样品中吡虫啉含量的预测模型,参数优选后将预测能力最强的模型应用于茶中吡虫啉的定量预测中。实验结果表明,所合成的AgNF形貌均一,平均粒径约为780 nm;以剩余预测偏差(RPD)作为评价预测能力的指标,所建立的模型其预测能力按照PLSBi-PLSSi-PLSGA-PLS的顺序逐渐增加,最优的GA-PLS模型的测试集Rp=0.9702、RPD=4.95%;所提出的检测方法对吡虫啉的最低检测限(LOD)可达4.55×10~(-5)μg/g且相对标准偏差(RSD)小于4.50%。该研究最终证实所提出的AgNF结合GA-PLS的SERS技术对茶中吡虫啉残留检测的思路切实可行。2.基于表面增强拉曼光谱技术的茶叶中2,4-二氯苯氧基乙酸(2,4-dichlorophenoxyacetic acid,2,4-D)残留快速检测研究。本研究首先合成了银纳米颗粒(AgNPs)作为SERS基底使2,4-D分子在其表面吸附,之后分别尝试了PLS、GA-PLS、蚁群偏最小二乘法(ACO-PLS)、竞争性自适应重加权偏最小二乘法(CARS-PLS)等化学计量学模型以实现2,4-D浓度的预测,并对所建立模型的参数进行了对比以筛选最优预测模型。实验结果表明,2,4-D与AgNPs混合后在391cm~(-1)处产生了强SERS信号,说明2,4-D通过Cl原子与银纳米的作用成功吸附在AgNPs表面;选取RPD作为模型预测能力指标进行对比,所建立模型的预测能力按照PLSACO-PLSGA-PLSCARS-PLS的顺序递增且最优CARS-PLS的Rc=0.9939、Rp=0.9931、RPD=6.62;在此条件下对2,4-D的LOD可达2.88×10~(-5)μg/g且RSD5%;将该检测方法与标准规定的高效液相色谱法(HPLC)结果进行对比,统计学差异不显著。该研究结果证实SERS技术结合化学计量学模型可以成功应用于茶叶中2,4-D的快速检测。3.基于表面增强拉曼光谱技术的茶中啶虫脒快速检测研究。本研究制备了一种新型氧化石墨烯搭载金纳米星(rGO-NS)的复合SERS基底并结合化学计量学模型以实现茶中啶虫脒的SERS快速检测。利用湿化学手段使星形金纳米颗粒原位生长在氧化石墨烯表面,通多多种表征手段证实该基底材料合成成功;之后利用石墨烯结构中π-π键与芳香基团的亲和作用,将rGO-NS应用于茶叶中啶虫脒的检测;最后结合GA-PLS对样品SERS光谱进行模型建立以实现茶中啶虫脒的快速定量检测。研究结果显示,金纳米星被成功负载在氧化石墨烯上;之后将rGO-NS应用于啶虫脒的SERS检测中,所收集的SERS光谱强度与啶虫脒浓度在1.0×10~(-4)至1.0×10~3μg/g具有线性关系;利用GA-PLS对光谱进行预测模型建立,训练集和预测集的均方根误差分别为0.9772和0.9757,在该条件下LOD可达2.13×10~(-5)μg/g;实际茶叶样品加标回收结果显示回收率范围为97.06%至115.88%,RSD5.98%。该研究表明,基于rGO-NS的SERS基底结合GA-PLS模型可以对茶叶中啶虫脒进行快速检测。4.表面增强拉曼光谱技术对茶叶中两种农药残留的同时快速检测研究。为同时检测茶叶中两种农药残留,本研究首先合成了金银核壳纳米颗粒(Au@Ag)作为SERS基底,之后利用SPE技术对实际茶叶样品进行了净化,将净化后的流出液作为检测样品并收集SERS光谱,最终结合化学计量学构建了预测模型。研究结果显示,Au@Ag颗粒大小均一粒径约为20 nm,金壳厚度约为2 nm;样品经SPE净化后,在1.0×10~(-4)-1.0×10~3μg/g浓度范围内啶虫脒和2,4-D在单一及混合条件下均可以产生强SERS信号;多种模型优化后确定GA-PLS作为预测模型,对啶虫脒和2,4-D的Rp分别为0.9943和0.9923,RPD分别为6.53和6.23,说明所建立的模型具有较好的鲁棒性和稳定性;该方法对啶虫脒的检测限为2.63×10~(-5)μg/g,对2,4-D的检测限为4.15×10~(-5)μg/g。结果表明所建立的SERS检测手段可以实现茶叶样品中2,4-D及啶虫脒的同时检测,检测结果稳定性好灵敏度高,为复杂食品基质的多指标同时检测提供了新方法。5.基于特异性表面增强拉曼光谱技术的茶叶中啶虫脒高灵敏检测研究。研究提出了一种新型银金核壳纳米粒(Ag@Au CSNPs)的合成手段并将其应用于啶虫脒的高灵敏SERS检测中。首先,采用原位水热种子生长法成功制备了Ag@Au CSNPs,并对其表面修饰SERS信号分子4,4'-二吡啶(4,4'-dipyridyl,DP)和硫醇化的啶虫脒核酸适配体,构建了对啶虫脒具有特异性的信号探针;并且制备硫醇化的啶虫脒适配体修饰的Fe_3O_4@Au核壳纳米粒子(Fe_3O_4@Au CSNPs)作为啶虫脒捕获探针;当体系中存在啶虫脒时由于核酸适配体的特异性亲和作用,可将信号探针、捕获探针连接成三明治结构并分离富集;所得三明治结构在1290 cm~(-1)处有较强的SERS信号并且与啶虫脒的浓度呈良好线性关系。多种表征手段证实,Ag@Au CSNPs合成成功,粒径约为48 nm且金壳厚度约7 nm;透射电镜显示核酸适配体成功的修饰在Ag@Au CSNPs及Fe_3O_4@Au CSNPs表面;1290 cm~(-1)处的SERS信号进行啶虫脒定量检测,LOD为5.894×10~(-6)μg/g,实际样品的加标回收率在96.14%到118.33%范围内,RSD值≤4.93%;与HPLC的对比结果无显著统计学差异。研究结果表明,所合成的生物传感器可以实现对啶脒的高灵敏SERS检测,为农药残留的特异性SERS检测提供了可行的方法。
【学位授予单位】：江苏大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：O657.37;TS272.7


本文编号：2775023