表面等離子體共振技術在環境污染物監測中的應用研究

劉小桃（郴州市環境監測站，湖南 郴州 423000）

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表面等離子體共振技術在環境污染物監測中的應用研究

劉小桃（郴州市環境監測站，湖南 郴州 423000）

表面等離子體共振（SPR）技術是一項新型的、具有高靈敏度的生物傳感技術，該技術對于酚類、農藥、毒素、重金屬以及多種有機、無機物等環境污染物的監測，具有重要的應用價值。本文結合SPR技術的基本原理，探討了該技術在環境污染物分析監測中的實際應用，以供參考。

表面等離子體；共振技術；環境污染

1　引言

表面等離子體共振（SPR）傳感技術以其具有的高靈敏度、所需待測樣品少、響應速度快等優勢，廣泛應用于多個領域。傳統SPR技術主要利用的是光振幅、共振角度以及共振波長等信息檢測，從而實現折射率的傳感。而隨著SPR技術的發展，在環境污染物生物的檢測工作中，發揮了巨大的作用。

2　表面等離子體共振技術概述

2.1表面等離子體共振

表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）是一種發生在金屬與電介質界而的物理光學現象，對附著在金屬表面的電介質折射率非常敏感，可以實時確定介質的折射率變化，從而檢測出現不同折射率的相應物質（見圖1）。SPR技術根據其檢測方式的不同，可分成波長調制、相位調制、強度調制和角度調制等多種類型：①相位調制，是通過建立共振相位與折射率關系的方式，分析共振相位變化，進而得到被測物質的折射率，其檢測裝置較為復雜，分析結果困難，技術并不成熟；②強度調制，是通過改變入射光強，分析光強度變化，從而獲得折射率變化狀況實現監測，該技術系統的抗干擾性較差，檢測靈敏度偏低；③波長調制，是當光的入射角度一定時，通過改變入射光的波長，分析SPR反射率和波長之間的關系，從而得出折射率；④角度調制是指固定的入射波長，分析SPR角度與反射率之間的關系，從而獲得待測樣品折射率值。波長和角度調制都能獲得較高的精度，技術成熟，應用較多。

圖1　SPR傳感原理示意圖

2.2表面等離子體共振原理

存在于金屬表面的自由電子，處于入射光的激勵下，會發生集體的振蕩，從而產生了表面等離子體激元（SPPs），在金屬介質的表面進行傳播的常量可用以下公式表示：

式中：ω為角頻率；εm為金屬介電常數；εd為介質的介電常數；c為真空中光的傳播速度；λ為真空中光的波長。

表面等離子激元將沿金屬的表面傳播，最終形成表面等離子波（SPW），以棱鏡耦合角度的調制型SPR傳感器為例（見圖2），其表面金屬膜的厚度約為數10nm，當一束光照射到棱鏡的表面上，然后發生反射，生成倏逝波，該波將與金屬介質表面存在的等離子體激元，發生相互作用，調整光的入射角，從而使倏逝波傳播常數與SPW傳播常數相同，公式如下：

式中：θ為入射角；np為棱鏡折射率；βSP為表面等離子體激元傳播常數。

光波導同樣能夠激發SPR現象，當光在波導中進行傳播，通過表面覆蓋的金屬層區域，倏逝波會穿透金屬薄層，若其表面的SPW相位和光波導模式相位一致，則激發出的SPR現象中，常量計算如下式：

式中：βmode是波導模式傳播常量。

除了棱鏡禍合和波導禍合外，光柵禍合同樣可以激發SPR現象，條件是某一階衍射光的波矢在金屬價質表面方向的分量與SPW的波矢相等，即：

式中：m是一個整數，表示衍射級次；∧表示光柵周期。

圖2　SPR棱鏡傳感技術原理示意圖

3　SPR技術在環境監測中的應用

3.1有機污染物監測

3.1.1多環芳烴類監測

有機污染物中的多環芳烴監測，可采用SPR測定方法，其重點在于研究測定水中的苯并芘（BaP）。其監測原理是將BaP和牛血清白蛋白（BSA）共聚物（BaP-BSA）利用物理吸附原理，固定其芯片金膜的表面，將BaP-BSA抗體和BaP-BSA相結合，從而抑制溶液中存在的BaP。憑借免疫競爭學，可迅速對樣品中濃度達到0.01～1000μg/L的BaP實施測定，芯片表面會通過胃蛋白酶溶液實現再生，重復使用20次，且不會出現明顯影響。運用SPR技術監測苯并芘BaP和2-輕基聯苯，其監測限能夠達到0.01～300μg/L和0.01～1000μg/L。

3.1.2烷烴、芳香族化合物監測

SPR技術還可用于測定環境中存在的烷烴和芳香族化合物，通常情況下采用的是一種選擇性的低級烷烴測定方法，在金屬表面涂覆異戊二烯橡膠薄膜，并將其暴露于低級烷烴氣體中，從而觀察到共振信號的變化，達到定量測定烷烴濃度的目的。

在芳香烴的檢測方面，最近也有人采用聚合物作敏感膜材料。采用的是旋涂方法，來制備聚甲基丙烯酸脂（PMMA）敏感膜。該敏感膜的特點在于對苯的響應很快，靈敏度較高，且具有良好的可逆性，對于苯類污染物有良好的選擇性，因而適用于苯類物質的檢測。此外，還可以運用聚［3-C6一甲氧基己基）曝吩］CP60ME）的衍生物當做敏感膜，適用的檢測對象包括苯、甲苯、環己烷和二甲苯等。該薄膜對于上述氣體的響應時問均在5s以內，其靈敏度以無極化苯靈敏度為最高。

3.1.3酚類監測

酚類化合物是一種對人體具有較大危害的污染物，具有較高的毒性，而應用SPR技術同樣可以對酚類化合物進行監測。監測通過合成一系列酚類化合物受體分子，作為SPR的分析配體，這些配體可用于廢水中的酚類化合物檢測。可以選用合適的SPR傳感器，對4-壬基酚方法進行快速分析，并運用單克隆抗體，獲取其檢測限是2μg/L，相較于多克隆抗體，其靈敏度高出一個數量級，該方法適用于貝類樣品中的壬基酚含量監測。

3.1.4農藥和殺蟲劑監測

SPR傳感芯片上的固定識別分子要求具備高度的專一性，即在結構上存在特異結合位點，只能與特定的生物分子產生相互作用。因此，只要能與農藥的特異性相結合的物質，均可以采用SPR技術進行農藥殘留監測。應用于農藥檢測的SPR傳感芯片的識別分子有多種，下面以抗體為例。

抗體作為傳感芯片的識別分子，通常以農藥、及其衍生物當做抗原物質。早在1993年，便出現該監測方法，是將衍生物固定于傳感器的表面，將抗體與含有除草劑的樣品進行混合，當抗體與固定在傳感器表面的抗體衍生物反應時，SPR響應信號的強度隨著樣品濃度的不同而發生改變。最低檢測限為0.05ng/mL，分析時間是15min。

3.2無機污染物監測

3.2.1重金屬離子監測

重金屬免疫檢測技術，主要是通過制備抗不同重金屬鰲合物的單克隆抗體，從而建立起相應的SPR免疫檢測技術。例如一種選擇性測定水體二價汞離子的SPR方法，是將1，6-二硫醇用于在金的表面，構成自組裝膜芯片，如果該芯片暴露于含汞離子的水樣中，汞離子將與芯片作用，在0.001～1.0mmol/L范圍內出現有線性。存在于聚毗咯膜鍵合溶液中的汞離子，當相應芯片單獨用于測定汞離子時，其線性范圍在0.1～10g/L之間；而如果在汞離子和芯片結合之后，再在載流中添入2-merca-ptobenzothiazole，檢測下限將會降低至10μg/L。

3.2.2大氣污染物的檢測

測定大氣污染物的SPR檢測方法也逐漸發展起來，例如對NO2的測定，根據SPR技術的基本原理，常用的敏感膜材料包括：酞著及其衍生物、葉琳及其衍生物、Au和Ag等。此外儀器結構的設計和制膜方法等也會對檢測結果有顯著影響。

首先使用Kretschmann型棱鏡禍合式SPR裝置 （光源為He/Ne激光器，λ=632.8nm）分別研究了以酞著硅（SiPc）和酞著銅（CuPc）的LB膜，來監測NO2氣體響應狀況。前期可采用SiPc作為敏感膜材料，可用于監測 NO2氣體，由于 NO2和Ag基底會相互作用，因而會導致共振角不可逆偏移。在后期階段，可采用CuPc作為敏感膜材料，對前期工作進行改善，在Ag表面覆蓋Ni保護層，以阻斷Ag與NO2之間的接觸，從而消除因為NO2與Ag的相互作用，導致共振角出現不可逆的偏移。

3.3微生物及病原體監測

當前的大多數微生物檢測，仍然采用的是生物學、生物化學手段，但研究表明，SPR技術在這一領域的應用已經有研究進展。將蛋白質G固定在11-硫醇修飾的金表面，然后在蛋白質G上固定大腸桿菌、沙門氏菌、軍團菌和革蘭氏陰性細菌等四類微生物的單克隆抗體，成功的將SPR技術應用于上述四類細菌的檢測，檢測限約為105CFU/mL。將樣品溶液與革蘭氏陽性細菌的多克隆抗體一起孵化一段時間，階梯式的離心分離未結合抗體，使其能夠通過鍵合有抗-Fab配體的芯片表面，其檢測限是1×105cells/mL。而對于沙門氏菌屬B、D和E 的SPR測定方法，其檢測限通?？蛇_到107CFU/mL。

4　結語

SPR技術以其突出的優越性，為環境中的污染物監測提供了一種嶄新的手段。由于SPR技術具有高靈敏度，使大量痕量氣體成分、小微粒的監測難題得到了解決。SPR技術不斷發展，逐漸具備了安全、可靠和靈敏度高的重要優勢，在有毒氣體的報警、環境有害氣體監測方面，開始發揮越來越重要的作用，為常規的工業生產、人們日常生活智能化以及綠色化，做出了積極的貢獻。

［1］蔣永翔，劉炳紅，朱曉松，等.鍍銀空芯光纖表面等離子體共振傳感器的研究［J］.光學學報，2014（2）：235～241.

［2］關春穎，苑立波，史金輝.微孔光纖表面等離子體共振傳感特性分析［J］.光學學報，2011（02）：34～37.

［3］陳萌夢，熊興良，李 廣，等.基于表面等離子體共振傳感器的尿微量白蛋白檢測［J］.傳感器與微系統，2014，33（6）：120～121.

劉小桃（1983-），女，工程師，碩士研究生，主要從事環境監測及質量管理工作。

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