新型核壳SERS探针的制备及其痕量含氧重金属离子检测研究

A prerequisite for improving the safety of drinking water is to develop an effective and reliable method for the detection of trace toxic heavy metal ions. How to increase the adsorption of ions on Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) active substrate is one of the key issues to reduce the SERS detection limit. Fe3O4 nanoparticles show excellent performance in the ion absorption, which can also be activated and regenerated through desorption. In this project, we plan to design and prepare noble metal@Fe3O4 core-shell nanoparticles, which can effectively integrate the adsorption of ions on Fe3O4 nanoshells with high SERS activity of noble metal nanoparticles, and use them for detection of trace oxygen-containing heavy metal ions in water. We will systematically investigate the effects of parameters of core-shell nanoparticles, including component, size and shape of noble metal nanoparticles, and thickness and porosity of Fe3O4 shells on the SERS detection limit of ions, and focus on the analysis of their synergistic effects on the ion adsorption and SERS signal. Furthermore, we will study on the detection of different oxygen-containing heavy metal ions by the use of core-shell SERS probes, including their qualitative and semi quantitative detection, recycle performance, as well as the effects of background electrolytes, concentration and pH value on the SERS detection limit. The aim is to get recyclable multifunctional SERS probes, which show excellent performance for enrichment and detection of the oxygen-containing heavy metal ions, and thus realize the detection of trace oxygen-containing heavy metal ions.

开发快速有效且可信赖的痕量有毒重金属离子检测技术是提高饮用水安全的前提。如何使待测离子在表面增强拉曼散射（SERS）基底表面富集是降低SERS检测限的关键问题之一。Fe3O4纳米粒子具有优异的重金属离子吸附特性，还可通过解吸附活化再生。本项目拟设计制备贵金属@Fe3O4核壳纳米粒子，将Fe3O4纳米壳对离子的吸附作用及贵金属核高的SERS活性有效集成，并将其用于痕量含氧重金属离子检测。系统研究核壳纳米粒子各组分尺寸参数，包括贵金属核的组分、尺寸及形状，Fe3O4壳层的厚度及孔隙度等对离子检测限的影响，分析其对离子吸附和SERS强度的协同作用。并研究核壳SERS探针对不同含氧重金属离子的定性检测、半定量检测和循环检测性能，以及背景电解质种类、浓度、pH值等对SERS检测限的影响。获得对含氧重金属离子具有高效富集、检测性能，并可循环使用的多功能集成的SERS探针，实现含氧重金属离子的痕量检测。

开发快速有效且可信赖的痕量有毒重金属离子检测技术是提高饮用水安全的前提。如何使待测离子在表面增强拉曼散射（SERS）基底表面富集是降低SERS检测限的关键问题之一。本项目设计制备了贵金属@Fe3O4核壳纳米粒子，将Fe3O4纳米壳对离子的吸附作用及贵金属核高的SERS活性有效集成，并将其用于痕量含氧重金属离子检测。制备了多种不同尺寸、形状的Au、Ag纳米粒子，进一步原位水解制备Fe3O4壳层，获得了贵金属@Fe3O4核壳纳米粒子。实现了贵金属@Fe3O4核壳纳米粒子中贵金属核以及壳层的尺寸参数可控，并考察了其对SERS增强效果的影响，分析其对离子吸附和SERS强度的协同作用。贵金属@Fe3O4核壳纳米粒子对多种含氧重金属离子都展现了有效的痕量检测。利用核壳纳米粒子对As(V)的检测限可以低至10 μg/L，达到了世卫组织对饮用水中As（V）含量的检测要求。利用制备的贵金属@Fe3O4核壳纳米粒子含氧重金属离子浓度与其SERS信号强度成现性关系，实现了对未知水体中含氧重金属离子浓度的半定量检测。研究了核壳纳米粒子基底的尺寸参数以及组装方法对SERS强度的影响，并计算了SERS增强因子。通过在碱液中脱附，实现了核壳纳米粒子的活化再生，并可用于循环检测。研究了背景电解质种类、浓度、pH值等对SERS检测限的影响。因而，我们获得了对含氧重金属离子具有高效富集、检测性能，并可循环使用的多功能集成的SERS探针，实现含氧重金属离子的痕量检测。项目资助在权威刊物上发表SCI收录研究论文成果18篇（均已标注），其中影响因子大于8.0的3篇；申请发明专利7项，其中已授权5项；培养硕士研究生4名，其中已取得硕士学位2名; 全面完成了项目的预期研究工作。