纳米材料红外吸收增强效应在海洋营养盐红外检测应用中的基础研究

传统的海洋营养盐检测是利用化学显色结合光度法进行的，检测要求严格、过程繁琐，更适合于实验室检测。本项目利用纳米材料的红外吸收增强效应，探索基于红外吸收的新型海洋营养盐物理检测方法。利用理论计算模拟和实验研究，深入研究营养盐在纳米材料的表面等离子体共振、吸附等现象，研究纳米材料的选择性红外吸收增强机理；在此基础上，进一步研究开发适用于海洋环境、可对海洋营养盐选择性红外吸收增强的纳米材料，为开发基于红外吸收的、可快速检测多种营养盐的新型仪器奠定基础。目前尚未检索到国内外有关利用纳米材料的红外吸收增强效应进行海洋营养盐红外检测的报道。

海洋营养盐检测是海洋环境监测的主要内容之一，开发新型海洋营养盐实时检测技术无疑具有重要意义。本项目利用纳米材料的红外吸收增强效应，提高传统的红外吸收光谱技术的检测极限，为开发基于红外吸收光谱的新型海洋营养盐检测技术奠定基础。本项目首先利用第一原理计算，模拟了水合作用对硝酸根离子红外吸收的影响，发现水合作用引起硝酸根离子反对称伸缩振动模式的劈裂，而且一个水分子与硝酸根离子的结合可能是水合作用的主要形式。其次以银/二氧化硅纳米核壳材料为重点，研究了纳米材料对硝酸根离子的红外吸收增强效应，发现金属/介电复合材料对硝酸根离子普遍具有红外吸收增强作用，而对磷酸根离子没有红外吸收增强效应。纳米材料对硝酸根离子的红外吸收增强效应依赖于海水的盐度，纳米核壳结构材料更适合于海洋营养盐的红外检测，其中银/金刚石复合材料是比较合适于海洋营养盐红外检测的材料。同时在本项目的支持下，研究了碳纳米管对海水中主要金属元素及其氯化物的吸附特性研究，发现碳纳米管对碱金属、碱土金属的吸附依赖于碳纳米管的手性和金属原子特性，同时金属原子的吸附可以调节碳纳米管的功函数；碳纳米管对氯化物的吸附主要来自静电作用。本项目通过研究纳米材料对营养盐光学特性的影响以及吸附特性，对纳米材料应用于海洋科学进行了有益的探索，为纳米材料应用于海洋科学具有一定的科学意义。