表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在環(huán)境污染物檢測(cè)中的應(yīng)用

白 敏

（山東環(huán)林檢測(cè)技術(shù)服務(wù)有限公司，山東 濰坊 261000）

當(dāng)前，我國環(huán)境污染問題依然嚴(yán)重，給人們的身心健康造成不小的威脅，而一些污染物無法通過常規(guī)方法檢測(cè)出來。表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的靈敏度很高，穩(wěn)定性好，所以在環(huán)境污染物檢測(cè)方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

1 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)簡(jiǎn)介

拉曼光譜是一種分子振動(dòng)光譜，能夠反映分子的特征結(jié)構(gòu)，但是拉曼散射效應(yīng)較弱，散射光的強(qiáng)度約為入射光強(qiáng)度的10-8。試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，吸附在粗糙金屬表面的tt旋分子的拉曼信號(hào)強(qiáng)度大幅提升，這種效應(yīng)被稱為表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)，英文縮寫為SERS，對(duì)應(yīng)的光譜就是表面增強(qiáng)拉曼光譜。在過去很長一段時(shí)間內(nèi)，人們習(xí)慣使用原子吸收光譜法對(duì)元素進(jìn)行分析，這種方法需要對(duì)特征譜線的特征性和譜線被減弱的程度進(jìn)行定性和定量的分析。與原子吸收光譜法相比，表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)能夠同時(shí)對(duì)多種元素進(jìn)行分析，并且曲線范圍較大，操作比較簡(jiǎn)單。

2 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在環(huán)境污染物檢測(cè)中的應(yīng)用

2.1 重金屬

眾所周知，工業(yè)生產(chǎn)排放的污水中含有大量的重金屬離子，如果未經(jīng)處理或者是沒有達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)而直接排放到外界環(huán)境中，會(huì)造成極大的環(huán)境污染，導(dǎo)致人們患上各種疾病，例如，汞會(huì)破壞視力和大腦神經(jīng)、鎘會(huì)引起腎衰竭等。傳統(tǒng)的重金屬檢測(cè)方法有電化學(xué)法、原子吸收光譜法等，但是都需要對(duì)試驗(yàn)樣品進(jìn)行預(yù)處理，這樣不僅增加了檢測(cè)的時(shí)間，也提高了檢測(cè)的成本。在使用SERS時(shí)，需要注意重金屬離子是否已經(jīng)形成了穩(wěn)定的氧化物或者是穩(wěn)定的含氧酸根，如CrO42+、TcO4-、Nb2O5等[1]。因?yàn)橐恍┲亟饘匐x子的SERS光譜不是十分明顯，無法有效檢測(cè)陽離子狀態(tài)下的重金屬，所以人們可以使用納米探針，對(duì)重金屬進(jìn)行間接檢測(cè)。例如，利用Hg-S共價(jià)鍵的性質(zhì)，通過乙磺酸鈉和汞納米顆粒的結(jié)合，檢測(cè)乙磺酸鈉的拉曼光譜。這種方法的效果較好，檢測(cè)極限能夠達(dá)到0.002 6 μmol/L。另外，還可以將SERS技術(shù)與PCA技術(shù)相結(jié)合，對(duì)重金屬進(jìn)行定量檢測(cè)，但是一次只能檢測(cè)一種重金屬離子，實(shí)用性較差。例如，對(duì)Pb2+進(jìn)行檢測(cè)，使用原子吸收光譜法的檢測(cè)結(jié)果如圖1所示，而使用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的檢測(cè)結(jié)果如圖2所示，對(duì)圖中橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)進(jìn)行觀察（橫坐標(biāo)代表，單位是cm-1，而縱坐標(biāo)代表），可以發(fā)現(xiàn)表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的檢測(cè)范圍更廣，具體的表面增強(qiáng)拉曼散射情況如圖3所示。

圖1 原子吸收光譜法檢測(cè)結(jié)果

圖2 使用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)結(jié)果

2.2 微生物

在實(shí)際生活中，水和食物特別容易受到微生物的污染，人們飲用含有微生物的水或者使用含有微生物的食物后，會(huì)出現(xiàn)一系列的不良反應(yīng)，所以必須重視微生物檢測(cè)問題。對(duì)于常見的病毒和細(xì)菌，SERS技術(shù)的應(yīng)用重點(diǎn)有所不同，如檢測(cè)病毒，主要是對(duì)病毒的DNA進(jìn)行檢測(cè)，可以將檢測(cè)寡核苷酸納米顆粒作為檢測(cè)探針，然后與捕獲寡核苷酸進(jìn)行連接，發(fā)揮檢測(cè)和捕獲的雙重功能，實(shí)現(xiàn)核酸堿基的有效互補(bǔ)。在準(zhǔn)備工作完成后，需要使用激光照射儀對(duì)納米顆粒進(jìn)行照射，找到SERS光譜。至于細(xì)菌的檢測(cè)，主要是觀察細(xì)菌細(xì)胞結(jié)構(gòu)的變化，例如，將納米顆粒放入細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部，然后對(duì)細(xì)胞結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，以大腸桿菌和葡萄球菌為例，因?yàn)榧?xì)菌與納米顆粒的大小比較接近，所以可以使用顯微鏡對(duì)細(xì)胞形態(tài)進(jìn)行觀察。另外，還可以利用細(xì)菌標(biāo)記物的特點(diǎn)，進(jìn)行SERS檢測(cè)，常見的細(xì)菌標(biāo)記物是吡啶二羧酸，在對(duì)芽孢進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，可以對(duì)吡啶二羧酸進(jìn)行檢測(cè)，而且可以發(fā)現(xiàn)SERS強(qiáng)度和吡啶二羧酸呈明顯的正相關(guān)性，能夠形成一定的模型。與直接檢測(cè)細(xì)菌相比，檢測(cè)細(xì)菌標(biāo)記物，不需要萃取劑，提高了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性，目前已經(jīng)研發(fā)出便攜式檢測(cè)細(xì)菌系統(tǒng)，檢測(cè)極限達(dá)到10-9。

圖3 表面增強(qiáng)拉曼散射示意圖

2.3 農(nóng)藥

目前，我國農(nóng)業(yè)生產(chǎn)使用了大量農(nóng)藥，尤其是一些蔬菜水果，需要定期噴灑農(nóng)藥，保證質(zhì)量和產(chǎn)量。但是，農(nóng)藥會(huì)殘留在農(nóng)作物表面，危害人們的健康，典型的農(nóng)藥有敵敵畏、氟磺胺草醚、吡蟲啉、氯氰菊酯、赤霉酸等。人們可以利用β環(huán)糊精包合技術(shù)，以金屬納米顆粒為基底，通過最小二乘法，對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行定量檢測(cè)，例如，檢測(cè)蘋果表面的亞胺硫磷殘留情況，就可以使用銀納米顆粒，如果還有其他類型的農(nóng)藥，則需要使用主成分分析法，進(jìn)行定性分析[2]。目前，一些專家將乙二醇和磷酸混合在一起，并且在金屬表面形成了一層密集的薄膜，然后對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行檢測(cè)，取得了很好的效果。需要注意的是，雖然SERS技術(shù)能夠很好地檢測(cè)果蔬上的農(nóng)藥，但是在實(shí)際生活中的應(yīng)用較少，加上果蔬產(chǎn)量較大，無法進(jìn)行有效的檢測(cè)，目前SERS在檢測(cè)農(nóng)藥方面并沒有發(fā)揮太大的作用，所以在未來的發(fā)展過程中，還要加大應(yīng)用和檢測(cè)的力度。

2.4 碳?xì)浠衔?/h3>

目前，造成環(huán)境污染的碳?xì)浠衔镏饕嵌喹h(huán)芳烴，它們是化石燃料燃燒不充分產(chǎn)生的物質(zhì)，具有很強(qiáng)的揮發(fā)性。大氣中的多環(huán)芳烴含量較低，在檢測(cè)需要對(duì)SERS基底進(jìn)行修飾。例如，使用烷烴修飾的SERS基底，檢測(cè)極限能夠達(dá)到6×10-9，因?yàn)樘細(xì)浠衔锱c基底的反應(yīng)時(shí)間很短，大概在10 min左右，所以基底可以重復(fù)使用，但是要保證基底的活性和穩(wěn)定性。另外，也可以使用腐殖酸還原硝酸根，這是因?yàn)楦乘嵩诩{米顆粒周圍可以形成緊密的結(jié)構(gòu)，防止納米顆粒擴(kuò)散，并且降低了環(huán)境中其他雜質(zhì)的影響[3]。另外，在對(duì)一些物體表面顏料進(jìn)行鑒定時(shí)，也可以使用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，如圖4所示，可以發(fā)現(xiàn)在507 cm-1附近的拉曼位移強(qiáng)峰是由于Al-O伸縮振動(dòng)所致，而201 cm-1附近的T2g譜帶則來源于Co-O的四面體位彎曲振動(dòng)，所以確定顏料為鈷藍(lán)。

圖4 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)檢測(cè)物體表面顏料

3 提高表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用效果的措施

3.1 增強(qiáng)SERS效應(yīng)

為了增強(qiáng)SERS效應(yīng)，需要保證基底材料的規(guī)則和均勻，可以使用模板法，形成具有固定間隙的納米基底材料，也可以使用傾斜生長法，讓貴金屬納米粒子均勻分散，保證基底表面可以產(chǎn)生大面積的熱點(diǎn)。對(duì)于形狀比較特殊的基底材料，如三維結(jié)構(gòu)或者是塔狀，其表面積相對(duì)更大，所以適合爆炸物的檢測(cè)，如果在基底材料中加入碳納米管，就可以明顯提高檢測(cè)精度，檢測(cè)出濃度為10-12mol/L的污染物[4]。

3.2 提高污染物的選擇性

想要提高基底材料對(duì)污染物的選擇性，可以利用修飾物和污染物之間的疏水作用。例如，烷烴硫醇修飾在銀膜表面后，就可以與PCB分子發(fā)生疏水作用，提高檢測(cè)的靈敏度。另外，聚苯乙烯分子也可以與污染物發(fā)生堆疊作用，提高基底對(duì)污染物的選擇性。例如，聚苯乙烯分子與PAH分子產(chǎn)生π-π堆疊作用，最低檢測(cè)濃度可以達(dá)到10-10mol/L。也可以在基底表面修飾能夠與污染物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的分子，例如，半胱氨酸會(huì)與納米粒子結(jié)合，然后與TNT分子發(fā)生反應(yīng)，擴(kuò)大了接觸面積，提高了檢測(cè)效率。

3.3 保證基底的實(shí)用性

如果在基底中加入磁性較強(qiáng)的物質(zhì)，就可以對(duì)溶液樣品和土壤樣品進(jìn)行快速檢測(cè)。例如，將四氧化三鐵加入銀納米粒子的基底中，可以與樣品基質(zhì)快速分離，還可以繼續(xù)進(jìn)行修飾，如加入木質(zhì)素，這樣可以讓污染物分子在磁性基底表面聚集。為了保證基底的材料不被破壞，或者防止貴金屬直接與污染物發(fā)生反應(yīng)，可以使用惰性材料，對(duì)SERS基底進(jìn)行保護(hù)。

4 結(jié)論

SERS技術(shù)操作簡(jiǎn)單、靈敏度高，已經(jīng)在環(huán)境污染物檢測(cè)方面取得了很好的效果。隨著科技的不斷發(fā)展，相信不久的將來，SERS技術(shù)會(huì)更加成熟，應(yīng)用更加廣泛，同時(shí)與其他技術(shù)的結(jié)合也會(huì)更加靈活，發(fā)揮出更積極的作用，不斷提高檢測(cè)結(jié)果的可靠性，為相關(guān)工作提供更準(zhǔn)確的依據(jù)。