可形变凝胶表面增强拉曼光谱基底及其在表面污染物分析中的应用

Surface contamination analysis, such as the detection of explosives and illicit drugs in homeland security, and pesticides screening on agricultural products in food quality assurance, requires analytical methods that are fast, cheap, and can be implemented onsite. Surface enhanced Raman scattering (SERS) technique can not only detect but also identify minute amount of analyte. Furthermore, Raman instrument can be miniaturized with almost no sacrifice on performance. However, many researchers in the field focus on developing SERS substrate with high sensitivity and reproducibility. The sampling part of onsite SERS analysis, unfortunately, is mostly overlooked. There is still lacking of SERS substrate that can not only recover surface bound analyte with high efficiency, but also provide high Raman enhancement, a key factor that could streamline the onsite analysis process. As result, reports on deploying SERS for onsite surface contamination analysis are limited.. In this proposal, we plan to further elaborate our previous work about PVA hydrogel SERS substrate. We will examine how the materials, size, shape, concentration, and aggregation of coinage NPs, as well as the rheology property of gels made of various polymers, will affect the SERS performance. In addition, we plan to explore the factors that could have impact on the recovery efficiency of the gels for analytes on surfaces, such as the polymers used and degree of cross-linking, their viscoelasticity, and the solvents. In combination, we propose to develop SERS gel substrate for high efficiency surface contamination analysis. Finally, we will develop effective SERS methods for the detection of explosives and pesticides residues on various surfaces based on the substrates fabricated in this project.

公共和食品安全领域亟需对爆炸物、毒品、农药等的现场快速表面分析方法。表面增强拉曼光谱（SERS）技术具有高灵敏度、高选择性和可实现便携的优点。但以往研究忽略了采样环节，缺乏集高效表面采样和拉曼增强于一体的双功能SERS基底，严重制约了SERS在上述领域的广泛应用。本课题拟研究双功能凝胶SERS基底及其在表面污染物分析中的应用。项目一方面从纳米材料和凝胶流变学着手优化SERS性能；另一方面对成胶材料和交联度等因素进行调制优化凝胶粘弹性，结合固相微萃取原理，提高表面污染物采样回收率，从而提高凝胶SERS基底表面分析灵敏度。项目主要特色是充分利用凝胶高度可形变，可反复粘取和富集污染物的优点，突破现有表面污染现场分析方法回收率低、不适合粗糙表面等局限。在此过程中，探索和揭示制约凝胶SERS基底表面污染分析灵敏度的规律性因素。最后，针对表面污染的一些热点化合物建立快速现场凝胶SERS分析方法。

表面增强拉曼散射（SERS）是在20世纪70年代发展起来的一种高灵敏度定性定量分析方法，具有对痕量和超痕量物质进行定性和定量分析的能力。迄今，各种高灵敏度的SERS基底在文献中已有广泛报道，但是依然没有在食品安全和公共安全检测等领域得到广泛应用，这与其灵敏度高，设备可小型化的优点不符。我们认为，这与当前依然缺乏各种兼具采样和拉曼增强性能、适合现场分析的SERS基底有极大关系。.基于此，我们提出了利用各种凝胶和柔性材料制备三维柔性SERS基底，使其兼具直接采样和SERS增强功能，以应用于食品安全和公共安全领域的现场快速筛查分析。我们首先讨论了PDMS作为三维凝胶柔性材料衬底构建SERS基底的可行性。我们发现，利用PDMS凝胶制备的三维SERS基底，不仅可以用于高灵敏检测水果表面的农残，还可以用于富集检测溶液类样品中的污染物。在此基础上我们还探讨了低成本大规模生产PDMS柔性SERS基底的可行性。我们还研制了基于壳聚糖三维凝胶、橡胶（口香糖）和透明胶带等的柔性SERS基底，并应用于包括抗生素在内的农残和爆炸物的检测。在此基础上，我们还探索了可撒播式适用于野外现场检测的反光玻璃微珠SERS基底以及可以定量的液态SERS基底。.在基金资助下，我们也考察了在柔性SERS基底研制过程中制备的材料在其它领域的应用。我们发现，三维凝胶材料特别是壳聚糖材料在上载有银纳米粒子后具有极好的杀菌功能，我们据此研制了多种杀菌净水材料。我们还考察了这类材料在环境修复中的作用。此外，我们也利用上述材料在表面采样中的高富集效率，将其应用于荧光表面分析。.迄今，在基金资助下，我们已经发表了20篇SCI论文，其中包括6篇1区论文和1篇高被引论文。申请并获得4项中国发明专利授权，参加和被邀请参加国际国内会议多次，培养硕博士研究生7人。