環(huán)境污染物快速分析的表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)

引言

隨著社會(huì)與經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境污染越來越成為困繞著人類健康和制約社會(huì)繼續(xù)發(fā)展的嚴(yán)峻問題，多環(huán)芳烴類污染物，在環(huán)境中具有長期穩(wěn)定性、可遷徙性以及生物富集性，能干擾生物內(nèi)分泌系統(tǒng)，損壞生物的神經(jīng)系統(tǒng)，潛在的致癌作用^[1-3]。表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)作為一種強(qiáng)有力的原位分析技術(shù)，不僅可以像拉曼光譜一樣能夠提供分子結(jié)構(gòu)的特征光譜，而且還可以大地增強(qiáng)被測分子的拉曼信號(hào)，通?？梢栽鰪?qiáng)6個(gè)數(shù)量級(jí)以上，有時(shí)甚至可以達(dá)到14個(gè)數(shù)量級(jí)，從而達(dá)到單分子檢測。文獻(xiàn)研究表明表面增強(qiáng)拉曼光譜*可以實(shí)現(xiàn)對(duì)特定環(huán)境污染物的高靈敏度定性和定量檢測。過去受限于拉曼光譜儀的發(fā)展，表面增強(qiáng)拉曼光譜基本上只能作為一種實(shí)驗(yàn)室技術(shù)。隨著激光器技術(shù)、光纖技術(shù)以及CCD檢測技術(shù)的發(fā)展，拉曼光譜儀可以集成為一個(gè)小型、快速、簡便的檢測設(shè)備，進(jìn)而使拉曼光譜儀應(yīng)用于多環(huán)芳烴快速分析領(lǐng)域成為可能^[4-11]。

本論文采用拉曼光譜法檢測不同基底制備工藝對(duì)芴的增強(qiáng)效應(yīng)，為表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境污染物提供一定的理論與試驗(yàn)基礎(chǔ)。

SERS增強(qiáng)效應(yīng)機(jī)理

為弄清SERS的增強(qiáng)機(jī)理，人們進(jìn)行了大量的研究工作，在SERS機(jī)制的研究中提出了很多的機(jī)理，其中電磁場增強(qiáng)(Electromagnetic enhancement)和化學(xué)增強(qiáng)(Chemical enhancement)是目前普遍認(rèn)同的SERS增強(qiáng)機(jī)理^[4]。EM模型主要影響因子包括：表面等離子體共振(Surface Plasma Resonance，SPR)，避雷針效應(yīng)(Lightning Rod Efiect)和鏡像場效應(yīng)(Image Field Efiec)。表面等離子體共振(SPR)機(jī)理被認(rèn)為是電磁場增強(qiáng)的zui主要來源，對(duì)該機(jī)理的理論和實(shí)際研究比較多。該機(jī)理認(rèn)為，當(dāng)粗糙的貴金屬基底表面受到激光照射時(shí)，貴金屬表面的等離子體被激發(fā)到較高的能級(jí)并與光波的電場耦合，產(chǎn)生SPR，使金屬表面的局域光電場大的增強(qiáng)。由于拉曼散射信號(hào)的強(qiáng)度和分子所處光電場強(qiáng)度的平方成正比，因此拉曼散射效應(yīng)也大增強(qiáng)。

SERS拉曼光譜在環(huán)境領(lǐng)域研究現(xiàn)狀

列入美國EPA優(yōu)先控制污染物名單中的16中多環(huán)芳烴（PAHs）：萘（Nap）、苊系（AcPy）、苊（Acp）、芴（Flu）、菲（PA）、蒽（Ant）、熒蒽（Fl）、芘（Pyr）、苯并[a]蒽（BaA）、稠二萘（CHR）、苯并[b]熒蒽（BbF）、苯并[k]熒蒽（BbF）、苯并[a]芘（BaP）、二苯并[a， h]蒽（DahA）、二苯并[a, h]芘（BghiP）以及茚苯（1, 2, 3-cd）芘（IcdP）具有很強(qiáng)的生物累積性、持久性，已證實(shí)對(duì)人類有致癌性。美國、歐盟、日本、中國等國家和地區(qū)已將PAHs納入常規(guī)水體系環(huán)境監(jiān)測。

PAHs的常規(guī)定性分析方法有液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法和熒光光譜法，上述檢測方法都比較成熟，能達(dá)到ug/L-ng/L。由于自然環(huán)境中PAHs的含量低，達(dá)不到儀器的檢出限，因而需要提取、凈化、富集等前處理過程。致使常規(guī)定性分析方法檢測周期長、成本高，還可能產(chǎn)生二次污染，現(xiàn)場適用性差。拉曼分析通常是非破壞性的，不要求試樣做預(yù)處理，與試樣也無物理接觸，檢測對(duì)象不受限制，靈敏度高，達(dá)到ng/L。本節(jié)總結(jié)了近年來貴金屬納米粒子作為SERS基底對(duì)于PAHs檢測領(lǐng)域的進(jìn)展^[18]。

PAHs往往需要借助其他修飾手段對(duì)SERS基底進(jìn)行修飾，修飾基底方法大致分為5類：烷烴修飾的SERS基底；腐殖酸修飾的SERS基底；杯芳烴修飾的SERS基底；紫晶二陽子修飾的SERS基底以及硫基取代環(huán)糊精修飾的SERS基底。無論是那種SERS基底的修飾方法大體都采用一個(gè)思路，即利用PAHs分子與SERS基底表面修飾分子間的相互作用使其靠近修飾的SERS基底表面，進(jìn)而到達(dá)基地表面的增強(qiáng)區(qū)域，從而完成對(duì)其SERS檢測。

Aroca課題組采用腐植酸作為還原劑，原位制備了腐植酸穩(wěn)定的Au納米粒子，他們發(fā)現(xiàn)這些Au納米顆粒的SERS背景光譜具有很大的區(qū)段，可以實(shí)現(xiàn)10^-5mol濃度的苯硫酚、l-萘胺和吡啶的原位檢測。由于土壤和水域中的大部分有機(jī)芳香族化合物都集中在腐植酸部分，這種方法表明SERS技術(shù)可以直接用于這些環(huán)境中污染物的原位檢測。

謝云飛等將硫基取代的環(huán)糊精修飾在銀納米粒子上作為基底，通過SERS對(duì)蒽、芘進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)分子芘能夠充當(dāng)“分子橋”作用，連接兩個(gè)銀納米粒子，芘能取得更好的SERS信號(hào)。另外，將硫基取代的環(huán)糊精修飾在金納米粒子上作為基底，通過SERS對(duì)（蒽、芘、苯并菲等）進(jìn)行定量和定性檢測，應(yīng)用此種方法能檢測到分子zui低濃度的順序由大到?。很拧?、蒽、苯并菲、暈苯。

H.D. Kronfeldt等通過熱還原將25,27-二硫基乙酸-26,28二羥基-4-叔丁基杯芳烴（DMCX）組裝到銀溶膠上作為基底，利用DMCX修飾的銀納米粒子表面有聚集和濃縮PAHs的作用，對(duì)人工海水中芘和萘進(jìn)行SERS檢測，檢出限分別為3*10^-10和3*10^-9mol/L。

Harris研究組利用C18的取代物修飾了金屬基底，并研究了C18在金屬基地上的吸附取向，然后對(duì)幾種多環(huán)芳烴進(jìn)行了SERS檢測，其中分子芘的檢測限可達(dá)10^-8 mol/L，萘和菲的檢測限大10^-7 mol/L。由于葵硫醇自組裝膜對(duì)PAHs具有富集作用，Haynes研究組利用葵硫醇在銀膜表面自組裝SERS傳感器，并利用該傳感線對(duì)蒽和芘分子進(jìn)行檢測，檢測限分別達(dá)到3*10^-10和7*10^-10mol/L^[18]。

顯微共聚焦拉曼光譜儀系統(tǒng)在環(huán)境污染物快速分析上的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：北京卓立漢光儀器有限公司自主研發(fā)設(shè)計(jì)的“Finder Vista”顯微共聚焦拉曼光譜儀系統(tǒng)，配備高性能CCD背散射探測器；激光器波長為785nm，強(qiáng)度15mw；600g/mm光柵狹縫寬度為100um，積分時(shí)間為2。

樣品：環(huán)境污染物-芴，濃度50mMol/L。

顯微共聚焦拉曼光譜儀系統(tǒng)在環(huán)境污染物快速分析上的應(yīng)用實(shí)驗(yàn)分析

每一種振動(dòng)產(chǎn)生的拉曼峰不僅受原子間距離、空間配置、費(fèi)米共振、誘導(dǎo)效應(yīng)、內(nèi)消效應(yīng)、鄰近基團(tuán)場效應(yīng)，還受物質(zhì)的物理狀態(tài)、介質(zhì)性質(zhì)和氫鍵的影響。SERS檢測環(huán)境污染物-芴的拉曼光譜圖如圖1所示，采用不同工藝、穩(wěn)定劑有不同的增強(qiáng)效應(yīng)^[11-20]。

圖1  不同基底修飾方法的芴的拉曼光譜

芴的拉曼光譜全振動(dòng)形式主要?dú)w屬為苯環(huán)變形（ring def）、碳碳伸縮（CCStr）、碳?xì)鋼u擺（CHw）、碳?xì)渖炜s（CHStr）以及各種形式的耦合。在1000-1700cm^-1（基團(tuán)頻率區(qū)）的振動(dòng)歸屬為碳碳伸縮（CCStr）、碳?xì)鋼u擺（CHw）及其耦合振動(dòng)（CCStr-CHw）。碳碳伸縮主要集中在1600-1650cm^-1區(qū)域且強(qiáng)度較強(qiáng)。200-1000cm^-1頻區(qū)特征峰強(qiáng)度相對(duì)較弱，主要由環(huán)變形振動(dòng)產(chǎn)生；3000-3200cm^-1頻區(qū)的拉曼光譜較強(qiáng)，由碳?xì)渖炜s振動(dòng)產(chǎn)生。分布在這些品取得芴受化學(xué)環(huán)境影響較小，一般可根據(jù)改頻區(qū)確定特征基團(tuán)，并根據(jù)基團(tuán)頻率定性確定PAHs^[11-20]。

從圖中可以發(fā)現(xiàn)，742、1235、1610cm^-1等芴的拉曼特征峰均能準(zhǔn)確檢測到，不同的修飾劑有不同的修飾效果。沒有添加修飾劑的銀基底在1000-1700cm^-1的基團(tuán)頻區(qū)有顯著增強(qiáng)效果，在1600-1650cm^-1區(qū)域的碳碳伸縮增強(qiáng)效果zui為顯著。添加IP6修飾劑后，在1000-1700cm^-1的基團(tuán)頻區(qū)有顯著增強(qiáng)效果，200-1000cm^-1頻區(qū)的環(huán)變形振動(dòng)也產(chǎn)生增強(qiáng)效果，598cm^-1增強(qiáng)效果明顯。添加RL修飾劑后，芴的拉曼熒光背景譜得到抑制，光譜基底平緩，峰值清晰尖銳，但是，對(duì)于1000-1700cm^-1的基團(tuán)頻區(qū)的增強(qiáng)效果較差?？梢酝茢?，采用IP6修飾劑的SERS增強(qiáng)效應(yīng)。

顯微共聚焦拉曼光譜儀系統(tǒng)在環(huán)境污染物快速分析上的應(yīng)用結(jié)論

1.SERS拉曼可以用于環(huán)境污染物痕量分析，并實(shí)現(xiàn)微摩爾級(jí)別乃至納摩爾級(jí)別檢測。通過在樣品前處理、色譜與表面增強(qiáng)拉曼光譜多種技術(shù)聯(lián)用上有所進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)將拉曼分析技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際環(huán)境樣品檢測的目的．在一定程度上為解決快速靈敏分析持久性污染物的難題提供幫助。

2.表面增強(qiáng)拉曼光譜可以提供分子水平上的結(jié)構(gòu)信息，并且具有超靈敏、簡便和實(shí)時(shí)檢測的特點(diǎn)，因此，有望在PAHs這類環(huán)境污染物的分析檢測領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。今后SERS在環(huán)境污染物的研究可望集中從兩方面發(fā)展，一方面，進(jìn)一步提高SERS基底的重現(xiàn)性，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法，使SERS光譜的定性、定量分析更加完善；另一方面，可以與其他分析技術(shù)，特別是分離技術(shù)聯(lián)用，如與分子印跡技術(shù)結(jié)合，對(duì)PAHs技術(shù)進(jìn)行特異性識(shí)別、分離，然后進(jìn)行SERS檢測。

參考文獻(xiàn)

[1] 來永超. 面向環(huán)境有機(jī)污染物快速分析的表面增強(qiáng)拉曼光譜方法[D]. 2013, 山東大學(xué).

[2] 龔繼來, 呂璞, 曾光明. 表面增強(qiáng)拉曼光譜在環(huán)境分析中的研究進(jìn)展[J]. 化學(xué)傳感器, 2009, 29(3): 8-12.

[3] 付翠翠, 梁麗佳, 齊國華等. SERS生物傳感技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J]. 高等化學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36: 2134-2147.

[3] 付翠翠, 梁麗佳, 齊國華等. SERS生物傳感技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)展[J]. 高等化學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 36: 2134-2147.

[4] 姜小紅. 表面修飾的銀納米材料表面增強(qiáng)拉曼光譜基底用于環(huán)境有機(jī)污染物檢測的研究[D]. 2014, 山東大學(xué).

[5] 劉文婧, 杜晶晶, 景傳勇. 表面增強(qiáng)拉曼光譜用于環(huán)境污染物檢測的研究進(jìn)展[J]. 環(huán)境化學(xué), 2014, 33(2): 217-228.

[7] 劉琨, 吳世法, 陳茂篤等. 以新型銀膠為襯底小鼠血清的表面增強(qiáng)拉曼光譜分析[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2008, 28(2): 339-342.

[8] 馮艾, 段晉明, 杜晶晶等. 環(huán)境水樣中五種多環(huán)芳烴的表面增強(qiáng)拉曼光譜定量分析[J]. 環(huán)境化學(xué), 2017, 33(1): 46-52.

[9] 劉鵬. 若干環(huán)境污染物富集、檢測和轉(zhuǎn)化的理論研究[D]. 2011, 山東大學(xué).

[10] 李萍. 新型SERS基底在食品安全檢測中的應(yīng)用研究[D]. 2016, 湖南大學(xué).

[11] 王瑋. 銀基復(fù)合納米膜的合成及其在表面增強(qiáng)拉曼散射基底方面應(yīng)用[D]. 2013, 山東大學(xué).

[12] Xiaohong Jiang, Yongchao Lai, Min Yang etc. Silver nanoparticle aggregates on copper foil for reliable quantitative SERS analysis of polycyclic aromatic hydrocarbons with a portable Raman spectrometer[J]. Analyst, 2012, 137: 3995-4000.

[13] Jingjing Du, Chuanyong Jing. Preparation of thiol Modified Fe₃O₄@Ag Magnetic SERS Probe for PAHs Detection and Identification[J]. The Journal of Physical Chemistry C, 2011: 17829-17835.

[14] Min Zhang, Xiaodi Zhang, Yu-e Shi etc. Surface enchanced Raman spectroscopy hyphenated with surface microextraction for in-situ detection of polycyclic aromatic hydrocarbons on food contact materials[J]. Talanta, 2016, 158: 322-329.

[15] 曾婭玲, 姜龍, 蔡嘯宇等. 拉曼光譜的16種多環(huán)芳烴（PAHs）特征光譜辨識(shí)[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2014, 34(11): 2009-3004.

[16] 趙曉輝, 曾婭玲, 邱尤麗. 基于群論的PAHs分子偏振拉曼去噪[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2007, 37(7): 2067-2072.

[17] 李錫東, 丁華, 殷麗娜等. 多環(huán)芳烴檢測方法研究進(jìn)展[J]. 橡膠工業(yè), 2017, 64, 123-127.

[18] 謝云飛, 王旭, 阮偉東. 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在多環(huán)芳烴檢測中的應(yīng)用[J]. 光譜學(xué)與光譜分析, 2011, 31(9): 2319-2323.

[19] 楊盼, 丁卯軍, 陳凡圣等. 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在環(huán)境污染物檢測中的應(yīng)用[J]. 激光與光電子學(xué)進(jìn)展, 2014, 51: 1-7.

[20] 馮艾, 段晉明, 杜晶晶. 環(huán)境水樣中五種多環(huán)芳烴的表面增強(qiáng)拉曼光譜定量分析[J]. 環(huán)境化學(xué), 2014, 33(1): 46-52.