環境汙染物快速分析的表麵增強拉曼葫芦娃污APP技術

引言

隨著社會與經濟的發展，環境汙染越來越成為困繞著人類健康和製約社會繼續發展的嚴峻問題，多環芳烴類汙染物，在環境中具有長期穩定性、可遷徙性以及生物富集性，能幹擾生物內分泌係統，損壞生物的神經係統，潛在的致癌作用^[1-3]。表麵增強拉曼葫芦娃污APP(Surface enhanced Raman spectroscopy, SERS)作為一種強有力的原位分析技術，不僅可以像拉曼葫芦娃污APP一樣能夠提供分子結構的特征葫芦娃污APP，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。文獻研究表明表麵增強拉曼葫芦娃污APP*可以實現對特定環境汙染物的高靈敏度定性和定量檢測。過去受限於拉曼葫芦娃污APP儀的發展，表麵增強拉曼葫芦娃污APP基本上隻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，拉曼葫芦娃污APP儀可以集成為一個小型、快速、簡便的檢測設備，進而使拉曼葫芦娃污APP儀應用於多環芳烴快速分析領域成為可能^[4-11]。

本論文采用拉曼葫芦娃污APP法檢測不同基底製備工藝對芴的增強效應，為表麵增強拉曼葫芦娃污APP技術應用於環境汙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機製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：表麵等離子體共振(Surface Plasma Resonance，SPR)，避雷針效應(Lightning Rod Efiect)和鏡像場效應(Image Field Efiec)。表麵等離子體共振(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麵受到激光照射時，貴金屬表麵的等離子體被激發到較高的能級並與光波的電場耦合，產生SPR，使金屬表麵的局域光電場大的增強。由於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拉曼葫芦娃污APP在環境領域研究現狀

列入美國EPA優先控製汙染物名單中的16中多環芳烴（PAHs）：萘（Nap）、苊係（AcPy）、苊（Acp）、芴（Flu）、菲（PA）、蒽（Ant）、熒蒽（Fl）、芘（Pyr）、苯並[a]蒽（BaA）、稠二萘（CHR）、苯並[b]熒蒽（BbF）、苯並[k]熒蒽（BbF）、苯並[a]芘（BaP）、二苯並[a， h]蒽（DahA）、二苯並[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納入常規水體係環境監測。

PAHs的常規定性分析方法有液相色譜法、氣相色譜-質譜法和熒光葫芦娃污APP法，上述檢測方法都比較成熟，能達到ug/L-ng/L。由於自然環境中PAHs的含量低，達不到儀器的檢出限，因而需要提取、淨化、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，還可能產生二次汙染，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，檢測對象不受限製，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基底對於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基底表麵修飾分子間的相互作用使其靠近修飾的SERS基底表麵，進而到達基地表麵的增強區域，從而完成對其SERS檢測。

Aroca課題組采用腐植酸作為還原劑，原位製備了腐植酸穩定的Au納米粒子，他們發現這些Au納米顆粒的SERS背景葫芦娃污APP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。由於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技術可以直接用於這些環境中汙染物的原位檢測。

謝雲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、苯並菲等）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、䓛、蒽、苯並菲、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麵有聚集和濃縮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，並研究了C18在金屬基地上的吸附取向，然後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。由於葵硫醇自組裝膜對PAHs具有富集作用，Haynes研究組利用葵硫醇在銀膜表麵自組裝SERS傳感器，並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]。

顯微共聚焦拉曼葫芦娃污APP儀係統在環境汙染物快速分析上的應用實驗設備

實驗設備：北京葫芦娃黄色网站儀器有限公司自主研發設計的“Finder Vista”顯微共聚焦拉曼葫芦娃污APP儀係統，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：環境汙染物-芴，濃度50mMol/L。

顯微共聚焦拉曼葫芦娃污APP儀係統在環境汙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檢測環境汙染物-芴的拉曼葫芦娃污APP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葫芦娃污APP

芴的拉曼葫芦娃污APP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頻區的拉曼葫芦娃污APP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，並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修飾劑後，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修飾劑後，芴的拉曼熒光背景譜得到抑製，葫芦娃污APP基底平緩，峰值清晰尖銳，但是，對於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。

顯微共聚焦拉曼葫芦娃污APP儀係統在環境汙染物快速分析上的應用結論

1.SERS拉曼可以用於環境汙染物痕量分析，並實現微摩爾級別乃至納摩爾級別檢測。通過在樣品前處理、色譜與表麵增強拉曼葫芦娃污APP多種技術聯用上有所進展，實現將拉曼分析技術應用於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汙染物的難題提供幫助。

2.表麵增強拉曼葫芦娃污APP可以提供分子水平上的結構信息，並且具有超靈敏、簡便和實時檢測的特點，因此，有望在PAHs這類環境汙染物的分析檢測領域得到廣泛應用。今後SERS在環境汙染物的研究可望集中從兩方麵發展，一方麵，進一步提高SERS基底的重現性，並結合化學計量學的方法，使SERS葫芦娃污APP的定性、定量分析更加完善；另一方麵，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，然後進行SERS檢測。

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