環境污染物快速分析的表面增強拉曼光譜技術

引言

隨著社會與經濟的發展，環境污染越來越成為困繞著人類健康和制約社會繼續發展的嚴峻問題，多環芳烴類污染物，在環境中具有長期穩定性、可遷徙性以及生物富集性，能干擾生物內分泌系統，損壞生物的神經系統，潛在的致癌作用^[1-3]。表面增強拉曼光譜(Surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)作為一種強有力的原位分析技術，不僅可以像拉曼光譜一樣能夠提供分子結構的特征光譜，而且還可以大地增強被測分子的拉曼信號，通常可以增強6個數量級以上，有時甚至可以達到14個數量級，從而達到單分子檢測。文獻研究表明表面增強拉曼光譜*可以實現對特定環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展，表面增強拉曼光譜基本上只能作為一種實驗室技術。隨著激光器技術、光纖技術以及CCD檢測技術的發展，拉曼光譜儀可以集成為一個小型、快速、簡便的檢測設備，進而使拉曼光譜儀應用于多環芳烴快速分析領域成為可能^[4-11]。

本論文采用拉曼光譜法檢測不同基底制備工藝對芴的增強效應，為表面增強拉曼光譜技術應用于環境污染物提供一定的理論與試驗基礎。

SERS增強效應機理

為弄清SERS的增強機理，人們進行了大量的研究工作，在SERS機制的研究中提出了很多的機理，其中電磁場增強(Electromagnetic enhancement)和化學增強(Chemical enhancement)是目前普遍認同的SERS增強機理^[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(Lightning Rod Efiect)和鏡像場效應(Image Field Efiec)。表面等離子體共振(SPR)機理被認為是電磁場增強的zui主要來源，對該機理的理論和實際研究比較多。該機理認為，當粗糙的貴金屬基底表面受到激光照射時，貴金屬表面的等離子體被激發到較高的能級并與光波的電場耦合，產生SPR，使金屬表面的局域光電場大的增強。由于拉曼散射信號的強度和分子所處光電場強度的平方成正比，因此拉曼散射效應也大增強。

SERS拉曼光譜在環境領域研究現狀

列入美國EPA優先控制污染物名單中的16中多環芳烴（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）具有很強的生物累積性、持久性，已證實對人類有致癌性。美國、歐盟、日本、中國等國家和地區已將PAHs納入常規水體系環境監測。

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

PAHs往往需要借助其他修飾手段對SERS基底進行修飾，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，進而到達基地表面的增強區域，從而完成對其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定的Au納米粒子，他們發現這些Au納米顆粒的SERS背景光譜具有很大的區段，可以實現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芳香族化合物都集中在腐植酸部分，這種方法表明SERS技術可以直接用于這些環境中污染物的原位檢測。

謝云飛等將硫基取代的環糊精修飾在銀納米粒子上作為基底，通過SERS對蒽、芘進行檢測，發現分子芘能夠充當“分子橋”作用，連接兩個銀納米粒子，芘能取得更好的SERS信號。另外，將硫基取代的環糊精修飾在金納米粒子上作為基底，通過SERS對（蒽、芘、苯并菲等）進行定量和定性檢測，應用此種方法能檢測到分子zui低濃度的順序由大到小：芘、?、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，對人工海水中芘和萘進行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，然后對幾種多環芳烴進行了SERS檢測，其中分子芘的檢測限可達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，并利用該傳感線對蒽和芘分子進行檢測，檢測限分別達到3*10^-10和7*10^-10mol/L^[18]。

顯微共聚焦拉曼光譜儀系統在環境污染物快速分析上的應用實驗設備

實驗設備：北京卓立漢光儀器有限公司自主研發設計的“Finder Vista”顯微共聚焦拉曼光譜儀系統，配備高性能CCD背散射探測器；激光器波長為785nm，強度15mw；600g/mm光柵狹縫寬度為100um，積分時間為2。

樣品：環境污染物-芴，濃度50mMol/L。

顯微共聚焦拉曼光譜儀系統在環境污染物快速分析上的應用實驗分析

每一種振動產生的拉曼峰不僅受原子間距離、空間配置、費米共振、誘導效應、內消效應、鄰近基團場效應，還受物質的物理狀態、介質性質和氫鍵的影響。SERS檢測環境污染物-芴的拉曼光譜圖如圖1所示，采用不同工藝、穩定劑有不同的增強效應^[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形式主要歸屬為苯環變形（ring def）、碳碳伸縮（CCStr）、碳氫搖擺（CHw）、碳氫伸縮（CHStr）以及各種形式的耦合。在1000-1700cm^-1（基團頻率區）的振動歸屬為碳碳伸縮（CCStr）、碳氫搖擺（CHw）及其耦合振動（CCStr-CHw）。碳碳伸縮主要集中在1600-1650cm^-1區域且強度較強。200-1000cm^-1頻區特征峰強度相對較弱，主要由環變形振動產生；3000-3200cm^-1頻區的拉曼光譜較強，由碳氫伸縮振動產生。分布在這些品取得芴受化學環境影響較小，一般可根據改頻區確定特征基團，并根據基團頻率定性確定PAHs^[11-20]。

從圖中可以發現，742、1235、1610cm^-1等芴的拉曼特征峰均能準確檢測到，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的基團頻區有顯著增強效果，在1600-1650cm^-1區域的碳碳伸縮增強效果zui為顯著。添加IP6修飾劑后，在1000-1700cm^-1的基團頻區有顯著增強效果，200-1000cm^-1頻區的環變形振動也產生增強效果，598cm^-1增強效果明顯。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，對于1000-1700cm^-1的基團頻區的增強效果較差。可以推斷，采用IP6修飾劑的SERS增強效應。

顯微共聚焦拉曼光譜儀系統在環境污染物快速分析上的應用結論

1.SERS拉曼可以用于環境污染物痕量分析，并實現微摩爾級別乃至納摩爾級別檢測。通過在樣品前處理、色譜與表面增強拉曼光譜多種技術聯用上有所進展，實現將拉曼分析技術應用于實際環境樣品檢測的目的．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.表面增強拉曼光譜可以提供分子水平上的結構信息，并且具有超靈敏、簡便和實時檢測的特點，因此，有望在PAHs這類環境污染物的分析檢測領域得到廣泛應用。今后SERS在環境污染物的研究可望集中從兩方面發展，一方面，進一步提高SERS基底的重現性，并結合化學計量學的方法，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，特別是分離技術聯用，如與分子印跡技術結合，對PAHs技術進行特異性識別、分離，然后進行SERS檢測。

參考文獻

[1] 來永超. 面向環境有機污染物快速分析的表面增強拉曼光譜方法[D]. 2013, 山東大學.

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

[3] 付翠翠, 梁麗佳, 齊國華等. SERS生物傳感技術及其應用進展[J]. 高等化學學報, 2015, 36: 2134-2147.

[3] 付翠翠, 梁麗佳, 齊國華等. SERS生物傳感技術及其應用進展[J]. 高等化學學報, 2015, 36: 2134-2147.

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

[5] 劉文婧, 杜晶晶, 景傳勇. 表面增強拉曼光譜用于環境污染物檢測的研究進展[J]. 環境化學, 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拉曼光譜分析[J]. 光譜學與光譜分析, 2008, 28(2): 339-342.

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

[9] 劉鵬. 若干環境污染物富集、檢測和轉化的理論研究[D]. 2011, 山東大學.

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

[11] 王瑋. 銀基復合納米膜的合成及其在表面增強拉曼散射基底方面應用[D]. 2013, 山東大學.

[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種多環芳烴（PAHs）特征光譜辨識[J]. 光譜學與光譜分析, 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]. 光譜學與光譜分析, 2007, 37(7): 2067-2072.

[17] 李錫東, 丁華, 殷麗娜等. 多環芳烴檢測方法研究進展[J]. 橡膠工業, 2017, 64, 123-127.

[18] 謝云飛, 王旭, 阮偉東. 表面增強拉曼光譜技術在多環芳烴檢測中的應用[J]. 光譜學與光譜分析, 2011, 31(9): 2319-2323.

[19] 楊盼, 丁卯軍, 陳凡圣等. 表面增強拉曼光譜技術在環境污染物檢測中的應用[J]. 激光與光電子學進展, 2014, 51: 1-7.

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