基于核壳纳米晶自组装的纸流控SERS基底的制备及对土壤中农药残留的快速检测研究

To develop a low cost, convenient and high precision surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) substrate for the fast quantitative detection of pesticide residues in soil, a novel paper-fluidic SERS substrate with both sample separation and detection capabilities is proposed and fabricated through patterning self-assembled interfacial arrays of core-shell nanocrystals with embedded internal probe on paper. The roles of the preparation conditions in controlling the structure of core-shell nanocrystals are extensively investigated, and the controllable synthesis method of core-shell nanocrystals is explored. Optical characterization and finite-difference time-domain method are utilized to investigate the effect of the structure of the core-shell nanocrystal on the surface plasmon coupling of the nanocrystal array, and the SERS intensity of the core-shell nanocrystal array are optimized. The core-shell nanocrystal arrays are assembled on the filter paper to construct a paper-fluidic SERS substrate for rapid quantitative detection of pesticide residues in soil. This project would develop the preparation method of the noble metal core-shell nanocrystals, reveal the structural correlation between the core-shell nanocrystal arrays and the SERS enhancement, and provide a new technical method for the rapid and quantitative detection of targets in the complex matrix.

针对土壤中农药残留的快速定量检测的实际问题，围绕低成本、便捷、高精度表面增强拉曼光谱（SERS）基底的开发这一研究目标，本项目拟利用液/液界面自组装技术将具有内标分子的核壳纳米晶组装在滤纸上构建一种同时具备样品分离和检测功能的纸流控SERS基底。通过研究金银核壳纳米晶的制备条件对核壳结构的影响规律，探索核壳纳米晶的可控制备方法；利用光学表征与时域有限差分理论模拟方法，研究核壳纳米晶的结构参数对其阵列表面等离基元耦合效应的调控和影响，优化核壳纳米晶阵列的SERS强度；将核壳纳米晶阵列组装在滤纸上构建纸流控SERS基底，用于土壤中农药残留的快速定量检测。本项目的实施能够发展核壳纳米晶的制备方法，揭示核壳纳米晶阵列与SERS增强的结构关联性，为复杂基质中待测样品的快速定量检测提供新的技术方法。

本项目针对复杂基质样品（例如土壤、果汁等）中农药残留分析检测时遇到的取样难，检测效率低等实际问题，利用液/液界面自组装技术将具有内标分子的核壳纳米晶组装在滤纸上构建一种同时具备样品分离和检测功能的纸流控SERS基底，实现了对土壤中农药残留的快速原位检测。首先我们研究了金银核壳纳米晶的制备条件对核壳结构的影响规律，探索出金银核壳纳米晶的可控制备方法，成功制备出金银核壳纳米立方体、金银核壳纳米球、金银核壳纳米棒等多种不同形貌的双金属核壳纳米结构。其次，我们开发了一种新颖的三相液液界面自组装体系，实现了金银核壳纳米颗粒单层膜的高重复性组装。利用光学表征与时域有限差分理论模拟方法，研究了核壳纳米晶的结构参数对其阵列表面等离激元耦合效应的调控和影响。然后，将内置标记分子的核壳纳米晶单层膜转移到滤纸上构建了集样品预处理和检测于一体的纸流控SERS基底，实现了土壤及饮料等复杂基质中福美双等农药的快速定量检测。此外，我们还探索了其他功能化SERS基底的设计和构建并用于多种污染物的快速提取和检测。本项目的研究发展了贵金属核壳纳米晶的制备工艺，揭示了核壳纳米晶结构与SERS增强的关联性，为复杂基质中污染物的现场快速定量检测提供新的技术方法。在本项目的支持下，项目组在相关领域学术期刊发表论文15篇，获授权发明专利3项，参加国内学术会议3次，指导毕业博士研究生1名，硕士研究生4名。