頂空固相萃取-紙基表面增強(qiáng)拉曼光譜法快速測(cè)定水中痕量汞

張雪容 梁維新 楊玉敏 潘佳釧 郭鵬然

1（廣東省生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中心， 廣州 510220）

2（廣東省科學(xué)院測(cè)試分析研究所（中國(guó)廣州分析測(cè)試中心），廣東省化學(xué)測(cè)量與應(yīng)急檢測(cè)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 廣州 510070）

我國(guó)是汞的生產(chǎn)、使用和排放大國(guó)，平均每年通過(guò)各種人為源向大氣排放汞約為500～600 t，約占全球汞排放量的1/3[1]。我國(guó)大氣中汞含量明顯高于世界平均水平[2]，排放到大氣中的汞可通過(guò)沉降作用進(jìn)入陸地和水生生態(tài)系統(tǒng)，嚴(yán)重威脅我國(guó)生態(tài)環(huán)境安全與民眾健康。

水中汞的有效檢測(cè)是環(huán)境汞污染精準(zhǔn)防治的重要前提之一。目前，水中汞的檢測(cè)方法主要包括冷原子吸收光譜法（CAAS）、原子熒光光譜法（AFS）和電感耦合等離子質(zhì)譜法（ICP-MS）等[3-4]。上述方法屬于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法，具有準(zhǔn)確性好和靈敏度高的優(yōu)勢(shì)，但存在分析時(shí)間較長(zhǎng)、便攜性差和檢測(cè)環(huán)境要求高等缺點(diǎn)[5]，限制了該類方法在汞的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)中的應(yīng)用，無(wú)法實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地反映水體中汞的污染狀況。因此，發(fā)展快速、簡(jiǎn)便、靈敏[6]的汞現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)技術(shù)，縮短樣品采集和檢測(cè)的時(shí)間，對(duì)于汞污染的及時(shí)快速監(jiān)測(cè)和應(yīng)急處置至關(guān)重要。

現(xiàn)有的汞污染快速檢測(cè)方法主要有電化學(xué)法[7-8]、比色法[9]、熒光法[10]和表面增強(qiáng)拉曼光譜法（SERS）[5]等，其中，SERS 通過(guò)激發(fā)金屬表面局部電場(chǎng)顯著增強(qiáng)樣品的拉曼信號(hào)，具有靈敏度高、儀器便攜、操作簡(jiǎn)單、檢測(cè)速度快等優(yōu)勢(shì)[11-13]。由于汞元素自身不產(chǎn)生拉曼信號(hào)，因此采用表面增強(qiáng)拉曼光譜法實(shí)現(xiàn)汞的快速檢測(cè)的主要策略是通過(guò)提高或降低拉曼探針?lè)肿拥睦庾V信號(hào)[14]，利用探針?lè)肿永盘?hào)強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)定量分析。如采用鄰苯二胺[15]、羅丹明B[16]和N，N-亞甲基雙丙烯酰胺[17]等作為探針?lè)肿游皆诩{米金/銀（AuNPs/AgNPs）表面，利用汞對(duì)探針?lè)肿拥母?jìng)爭(zhēng)吸附降低拉曼信號(hào)；或者通過(guò)汞離子連接探針?lè)肿优cSERS 基底，增強(qiáng)探針?lè)肿拥睦盘?hào)[18-19]。然而，由于上述方法中汞與探針?lè)肿?、SERS 基底之間的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程發(fā)生在水介質(zhì)中，因此在實(shí)際水樣測(cè)定過(guò)程中容易產(chǎn)生基質(zhì)干擾，需嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，這限制了該類方法在實(shí)際水樣檢測(cè)中的應(yīng)用。通過(guò)頂空萃取法萃取水中汞可顯著降低來(lái)自樣品基質(zhì)的干擾，目前已有頂空萃取法聯(lián)用冷原子吸收光譜法[20]、比色法[21]等快速檢測(cè)方法的研究報(bào)道，但尚未見(jiàn)頂空固相萃取與SERS 聯(lián)用實(shí)現(xiàn)水中汞現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的研究報(bào)道。

本研究通過(guò)NaBH4還原水中的汞，采用紙基SERS 基底頂空富集汞蒸氣，利用汞蒸氣與紙基表面的納米銀形成銀汞齊，通過(guò)測(cè)定反應(yīng)前后探針?lè)肿拥睦盘?hào)強(qiáng)度的變化實(shí)現(xiàn)水中汞的快速、高靈敏測(cè)定，避免了樣品基質(zhì)干擾。本方法準(zhǔn)確、靈敏、快速、特異性強(qiáng)、檢測(cè)成本低，為水體中痕量汞的現(xiàn)場(chǎng)快速、準(zhǔn)確檢測(cè)提供了一種新穎、可靠和低成本的分析方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 儀器與試劑

Portman 型拉曼光譜儀（上海如海光電科技有限公司）；Agilent ICP-MS/MS 8800 三重四極桿電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜儀（美國(guó)Agilent 公司）；BSA224S-CW 型電子分析天平（賽多利斯科學(xué)儀器（北京）有限公司）。

羅丹明6G（R6G，純度≥95%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；NaBH4（≥99%，上海阿拉丁生化科技股份有限公司）；AgNO3（優(yōu)級(jí)純，Acros 公司）；玻璃纖維濾紙（CAT No.1825-047，英國(guó)Whatman公司）；實(shí)驗(yàn)用水為超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）。

1.2 R6G-AgNPs紙基SERS基底的制備

按照文獻(xiàn)[22]的方法制備AgNPs 溶膠（AgNPs 濃度為114.3 mg/L）， 向離心管中加入0.875 mL 制備的AgNPs 溶膠，以甲醇定容至50 mL。使用石英載玻片將玻璃纖維濾紙按壓平整后，將玻璃纖維濾紙裁剪成直徑為8 mm 的圓片，置于塑料底座上，并使用塑料墊片壓平紙基圓片，向?yàn)V紙上滴加50 μL AgNPs溶液，風(fēng)干后，得到AgNPs 紙基SERS 基底。

R6G-AgNPs 紙基SERS 基底的制備方法與上述方法基本一致，但滴加到濾紙的溶液為2 mg/L 納米銀與0.2 mmol/L 羅丹明6G 混合的甲醇溶液。

1.3 水中汞的快速檢測(cè)

向頂空瓶中加入10 mL 水樣、0.2 mL 1%（m/V）NaBH4溶液后，采用帶有R6G-AgNPs 紙基SERS 基底的塑料底座快速蓋緊頂空瓶，將頂空瓶置于搖床上150 r/min 振蕩5 min， 取下塑料底座，并使用拉曼光譜儀于785 nm 激光下進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)R6G 的拉曼信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算汞的濃度。

1.4 ICP-MS檢測(cè)方法比對(duì)

ICP-MS 成功點(diǎn)燃等離子體并穩(wěn)定20 min 后，采用含有1 μg/L 的Ce、Co、Li、Tl 和Y 的調(diào)諧液對(duì)儀器進(jìn)行調(diào)諧，待ICP-MS 靈敏度達(dá)到最佳狀態(tài)后進(jìn)行樣品測(cè)試，相關(guān)儀器操作條件見(jiàn)表1。

表1 電感耦合等離子體串聯(lián)質(zhì)譜儀（ICP-MS）工作條件Table 1 Operating conditions of inductively coupled plasmon-mass spectrometry (ICP-MS)

2 結(jié)果與討論

2.1 方法原理

本方法的原理示意圖見(jiàn)圖1，采用具有良好拉曼信號(hào)的R6G 作為探針?lè)肿覽18]，在水樣中加入NaBH4后，水中的Hg 經(jīng)還原、揮發(fā)形成汞蒸氣。在振蕩條件下，汞蒸氣與R6G-AgNPs 紙基SERS 基底上的AgNPs 接觸，在AgNPs 的表面形成銀汞齊，抑制了AgNPs 的SERS 效果，從而降低了R6G 的SERS 信號(hào)強(qiáng)度，因此，水中汞的濃度與R6G 的SERS 信號(hào)強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)。通過(guò)對(duì)比水樣與空白對(duì)照拉曼峰的強(qiáng)度，計(jì)算抑制率，即可實(shí)現(xiàn)水樣中汞的定量分析。抑制率IR 按公式（1）計(jì)算。

圖1 頂空固相萃取-紙基表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）法快速測(cè)定水中痕量汞的原理簡(jiǎn)圖Fig.1 Schematic of principle of determination of trace mercury in water by headspace solid phase extraction combining paper-based surface enhanced Raman spectroscopy (SERS)

其中，Is為在一定Hg 濃度條件下的拉曼光譜峰強(qiáng)度；I0為空白樣品的拉曼光譜峰強(qiáng)度。

2.2 基底增強(qiáng)效果

分別配制10 mg/L AgNPs 的甲醇溶液、0.02 mmol/L R6G 的甲醇溶液、0.02 mmol/L R6G 和10 mg/L AgNPs 的混合甲醇溶液，將上述溶液滴加到玻璃纖維濾紙上，干燥后，測(cè)定拉曼光譜。如圖2 所示，使用制備的AgNPs 紙基SERS 基底可以顯著增強(qiáng)R6G 的拉曼信號(hào)，并且可以獲得峰形良好、背景簡(jiǎn)單的拉曼圖譜，可觀察到607、765、1178、1305、1357 和1505 cm-1處的特征拉曼峰，與文獻(xiàn)[5]的結(jié)果一致，說(shuō)明制備的AgNPs 紙基SERS 基底具有良好的SERS 效果。其中，1357 cm-1處的芳香環(huán)的彎曲振動(dòng)形成的拉曼峰具有較好的峰形和強(qiáng)度，因此選擇此特征峰的強(qiáng)度作為定量分析依據(jù)。

圖2 羅丹明6G（R6G）的拉曼光譜：（a）R6G-AgNPs 紙基SERS 基底；（b）R6G；（c）AgNPs 紙基SERS基底Fig.2 Raman spectra of Rhodamine 6G(R6G):(a) R6G-silver nanoparticles (AgNPs) paper-based SERS substrate; (b) R6G; (c) AgNPs paper-based SERS substrate

2.3 SERS基底制備條件優(yōu)化

按照1.2 節(jié)所述的方法，通過(guò)調(diào)節(jié)R6G 與AgNPs 濃度制備不同基底，包括A（0.02 mmol/L R6G+10 mg/L AgNPs）、B（0.02 mmol/L R6G + 2 mg/L AgNPs）和C（0.2 mmol/L R6G + 2 mg/L AgNPs），考察不同的制備條件對(duì)基底的穩(wěn)定性與檢測(cè)靈敏度的影響。平行制備的3 種基底（各12 個(gè)）的拉曼峰強(qiáng)度分別如圖3A-3C 所示。其中，基底A 和C 穩(wěn)定性較好，拉曼峰強(qiáng)度的RSD 約為5%，而采用較低濃度的AgNPs 和R6G 制備的基底B 穩(wěn)定性一般，這可能是由于R6G 拉曼峰強(qiáng)度較低，背景干擾較高所致。圖3D 為3 種基底對(duì)水中1 μg/L Hg 的響應(yīng)強(qiáng)度（以抑制率表示），其中，基底B 和C 對(duì)水中汞的響應(yīng)較強(qiáng)，而基底A 的響應(yīng)較弱，這可能是由于本方法主要通過(guò)在AgNPs 表面形成銀汞齊降低AgNPs 的SERS 效果，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汞的定量分析，因此基底上較低濃度的AgNPs 更有利于提高方法的靈敏度。綜合考慮檢測(cè)靈敏度及基底穩(wěn)定性，基底制備時(shí)采用0.2 mmol/L R6G 和2 mg/L AgNPs。

圖3 不同條件下制備的SERS 基底的穩(wěn)定性與檢測(cè)靈敏度評(píng)價(jià)：（A）基底A 在1357 cm-1 處拉曼峰強(qiáng)；（B）基底B 在1365 cm-1 處拉曼峰強(qiáng)；（C）基底C 在1357 cm-1 處拉曼峰強(qiáng)；（D）3 種基底對(duì)水中1 μg/L Hg 的響應(yīng)強(qiáng)度Fig.3 Evaluation of stability and detection sensitivity of SERS substrate prepared in different conditions: (A)SERS intensity of substrate A at 1357 cm-1;(B)SERS intensity of substrate B at 1365 cm-1;(C)SERS intensity of substrates C at 1357 cm-1; (D) Response intensity of three SERS substrates to 1 μg/L mercury in water

2.4 方法特異性評(píng)價(jià)

分別配制2 μg/L Hg2+和100 μg/L 的K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Al3+、Fe3+、Cu2+和Mn2+溶液，以及上述離子的混合溶液，按照1.3 節(jié)所述的方法進(jìn)行檢測(cè)，考察不同離子對(duì)抑制率的影響。如圖4 所示，添加了2 μg/L Hg2+對(duì)基底增強(qiáng)的抑制效果明顯高于其它離子，這是由于相比于汞，其它金屬離子難揮發(fā)，無(wú)法與基底中的AgNPs 結(jié)合。因此，本方法對(duì)水中的汞具有良好的檢測(cè)特異性。

圖4 不同離子對(duì)抑制率（IR）的影響Fig.4 Effect of different ions on inhibition rate (IR)

2.5 方法線性范圍和檢出限

配制不同濃度的Hg2+標(biāo)準(zhǔn)溶液，采用本方法進(jìn)行檢測(cè)。如圖5A 和5B 所示，隨著水中Hg2+濃度增加，R6G 的拉曼信號(hào)逐漸降低，這是由于水中Hg2+經(jīng)NaBH4還原后形成的汞蒸氣與紙基SERS 基底上的AgNP 表面形成銀汞齊，降低了AgNPs 的增強(qiáng)效果，也降低了R6G 的拉曼信號(hào)。Hg2+濃度與抑制率之間的關(guān)系如圖5C 所示，隨著水中Hg2+濃度增加，拉曼信號(hào)下降的速度減緩，這可能是由于隨著汞蒸氣在AgNPs 表面形成銀汞合金后，AgNPs 可與汞蒸氣形成銀汞合金的表面位點(diǎn)減少，因此拉曼信號(hào)下降的速度減緩。汞濃度的對(duì)數(shù)值與抑制率在0.5～40 μg/L 的濃度范圍內(nèi)呈良好的線性關(guān)系（R2=0.996），檢出限（3σ）為0.51 μg/L（2.5×10-9mol/L）。

圖5 不同濃度汞離子對(duì)（A）R6G 拉曼信號(hào)的影響和（B）1357 cm-1 處拉曼峰強(qiáng)度的影響；（C）擬合曲線Fig.5 Effect of different concentrations of mercury ions on (A) Raman signal intensity and (B) Raman peak intensity at 1357 cm-1 ; (C) Fitting curve

2.6 實(shí)際水樣測(cè)試

采用本方法檢測(cè)了實(shí)際水樣中的汞的濃度。向?qū)嶋H水樣中加入一定量的Hg2+、MeHg 和EtHg，使總汞的加標(biāo)濃度分別為1、2 和5 μg/L， 分別采用本方法以及ICP-MS 法測(cè)定，測(cè)試結(jié)果如表2 所示，本方法的測(cè)定值與ICP-MS 測(cè)定值接近，4 組樣品的平均加標(biāo)回收率在87.3%～110.3%之間，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）在6.2%～8.9%之間，表明本方法準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性良好。

表2 實(shí)際水樣測(cè)試結(jié)果Table 2 Analysis results of real water samples (n=3)

2.7 方法對(duì)比

本方法通過(guò)頂空固相萃取水中汞，在AgNPs 表面形成銀汞齊抑制基底的SERS 增強(qiáng)效果，與同類方法相比（表3），具有靈敏度高、方法簡(jiǎn)單、成本低和適用范圍廣等特點(diǎn)。

表3 SERS測(cè)定水中汞的方法對(duì)比Table 3 Comparison of SERS methods for determination of mercury in water

3 結(jié)論

建立了一種頂空固相萃取-紙基表面增強(qiáng)拉曼光譜快速測(cè)定水中汞的方法，通過(guò)在AgNPs 表面形成銀汞齊降低基底的增強(qiáng)作用，根據(jù)基底增強(qiáng)作用的降低程度計(jì)算水中汞的濃度。本方法的檢出限為0.51 μg/L（2.5×10-9mol/L），實(shí)際水樣的加標(biāo)回收率在87.3%～110.3%之間，具有良好的靈敏度和準(zhǔn)確性，可應(yīng)用于各類水體中汞的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)。