表面增強拉曼光譜技術在環境污染物檢測中的應用

白 敏

（山東環林檢測技術服務有限公司，山東 濰坊 261000）

當前，我國環境污染問題依然嚴重，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方法檢測出來。表面增強拉曼光譜技術的靈敏度很高，穩定性好，所以在環境污染物檢測方面具有明顯的優勢。

1 表面增強拉曼光譜技術簡介

拉曼光譜是一種分子振動光譜，能夠反映分子的特征結構，但是拉曼散射效應較弱，散射光的強度約為入射光強度的10-8。試驗研究發現，吸附在粗糙金屬表面的tt旋分子的拉曼信號強度大幅提升，這種效應被稱為表面增強拉曼散射效應，英文縮寫為SERS，對應的光譜就是表面增強拉曼光譜。在過去很長一段時間內，人們習慣使用原子吸收光譜法對元素進行分析，這種方法需要對特征譜線的特征性和譜線被減弱的程度進行定性和定量的分析。與原子吸收光譜法相比，表面增強拉曼光譜技術能夠同時對多種元素進行分析，并且曲線范圍較大，操作比較簡單。

2 表面增強拉曼光譜技術在環境污染物檢測中的應用

2.1 重金屬

眾所周知，工業生產排放的污水中含有大量的重金屬離子，如果未經處理或者是沒有達到排放標準而直接排放到外界環境中，會造成極大的環境污染，導致人們患上各種疾病，例如，汞會破壞視力和大腦神經、鎘會引起腎衰竭等。傳統的重金屬檢測方法有電化學法、原子吸收光譜法等，但是都需要對試驗樣品進行預處理，這樣不僅增加了檢測的時間，也提高了檢測的成本。在使用SERS時，需要注意重金屬離子是否已經形成了穩定的氧化物或者是穩定的含氧酸根，如CrO42+、TcO4-、Nb2O5等[1]。因為一些重金屬離子的SERS光譜不是十分明顯，無法有效檢測陽離子狀態下的重金屬，所以人們可以使用納米探針，對重金屬進行間接檢測。例如，利用Hg-S共價鍵的性質，通過乙磺酸鈉和汞納米顆粒的結合，檢測乙磺酸鈉的拉曼光譜。這種方法的效果較好，檢測極限能夠達到0.002 6 μmol/L。另外，還可以將SERS技術與PCA技術相結合，對重金屬進行定量檢測，但是一次只能檢測一種重金屬離子，實用性較差。例如，對Pb2+進行檢測，使用原子吸收光譜法的檢測結果如圖1所示，而使用表面增強拉曼光譜技術的檢測結果如圖2所示，對圖中橫坐標和縱坐標進行觀察（橫坐標代表，單位是cm-1，而縱坐標代表），可以發現表面增強拉曼光譜技術的檢測范圍更廣，具體的表面增強拉曼散射情況如圖3所示。

圖1 原子吸收光譜法檢測結果

圖2 使用表面增強拉曼光譜技術檢測結果

2.2 微生物

在實際生活中，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，會出現一系列的不良反應，所以必須重視微生物檢測問題。對于常見的病毒和細菌，SERS技術的應用重點有所不同，如檢測病毒，主要是對病毒的DNA進行檢測，可以將檢測寡核苷酸納米顆粒作為檢測探針，然后與捕獲寡核苷酸進行連接，發揮檢測和捕獲的雙重功能，實現核酸堿基的有效互補。在準備工作完成后，需要使用激光照射儀對納米顆粒進行照射，找到SERS光譜。至于細菌的檢測，主要是觀察細菌細胞結構的變化，例如，將納米顆粒放入細菌細胞內部，然后對細胞結構進行分析，以大腸桿菌和葡萄球菌為例，因為細菌與納米顆粒的大小比較接近，所以可以使用顯微鏡對細胞形態進行觀察。另外，還可以利用細菌標記物的特點，進行SERS檢測，常見的細菌標記物是吡啶二羧酸，在對芽孢進行檢測時，可以對吡啶二羧酸進行檢測，而且可以發現SERS強度和吡啶二羧酸呈明顯的正相關性，能夠形成一定的模型。與直接檢測細菌相比，檢測細菌標記物，不需要萃取劑，提高了檢測結果的準確性，目前已經研發出便攜式檢測細菌系統，檢測極限達到10-9。

圖3 表面增強拉曼散射示意圖

2.3 農藥

目前，我國農業生產使用了大量農藥，尤其是一些蔬菜水果，需要定期噴灑農藥，保證質量和產量。但是，農藥會殘留在農作物表面，危害人們的健康，典型的農藥有敵敵畏、氟磺胺草醚、吡蟲啉、氯氰菊酯、赤霉酸等。人們可以利用β環糊精包合技術，以金屬納米顆粒為基底，通過最小二乘法，對農藥進行定量檢測，例如，檢測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藥，則需要使用主成分分析法，進行定性分析[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，然后對農藥進行檢測，取得了很好的效果。需要注意的是，雖然SERS技術能夠很好地檢測果蔬上的農藥，但是在實際生活中的應用較少，加上果蔬產量較大，無法進行有效的檢測，目前SERS在檢測農藥方面并沒有發揮太大的作用，所以在未來的發展過程中，還要加大應用和檢測的力度。

2.4 碳氫化合物

目前，造成環境污染的碳氫化合物主要是多環芳烴，它們是化石燃料燃燒不充分產生的物質，具有很強的揮發性。大氣中的多環芳烴含量較低，在檢測需要對SERS基底進行修飾。例如，使用烷烴修飾的SERS基底，檢測極限能夠達到6×10-9，因為碳氫化合物與基底的反應時間很短，大概在10 min左右，所以基底可以重復使用，但是要保證基底的活性和穩定性。另外，也可以使用腐殖酸還原硝酸根，這是因為腐殖酸在納米顆粒周圍可以形成緊密的結構，防止納米顆粒擴散，并且降低了環境中其他雜質的影響[3]。另外，在對一些物體表面顏料進行鑒定時，也可以使用表面增強拉曼光譜技術，如圖4所示，可以發現在507 cm-1附近的拉曼位移強峰是由于Al-O伸縮振動所致，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，所以確定顏料為鈷藍。

圖4 表面增強拉曼光譜技術檢測物體表面顏料

3 提高表面增強拉曼光譜技術應用效果的措施

3.1 增強SERS效應

為了增強SERS效應，需要保證基底材料的規則和均勻，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生大面積的熱點。對于形狀比較特殊的基底材料，如三維結構或者是塔狀，其表面積相對更大，所以適合爆炸物的檢測，如果在基底材料中加入碳納米管，就可以明顯提高檢測精度，檢測出濃度為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分子發生疏水作用，提高檢測的靈敏度。另外，聚苯乙烯分子也可以與污染物發生堆疊作用，提高基底對污染物的選擇性。例如，聚苯乙烯分子與PAH分子產生π-π堆疊作用，最低檢測濃度可以達到10-10mol/L。也可以在基底表面修飾能夠與污染物發生化學反應的分子，例如，半胱氨酸會與納米粒子結合，然后與TNT分子發生反應，擴大了接觸面積，提高了檢測效率。

3.3 保證基底的實用性

如果在基底中加入磁性較強的物質，就可以對溶液樣品和土壤樣品進行快速檢測。例如，將四氧化三鐵加入銀納米粒子的基底中，可以與樣品基質快速分離，還可以繼續進行修飾，如加入木質素，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生反應，可以使用惰性材料，對SERS基底進行保護。

4 結論

SERS技術操作簡單、靈敏度高，已經在環境污染物檢測方面取得了很好的效果。隨著科技的不斷發展，相信不久的將來，SERS技術會更加成熟，應用更加廣泛，同時與其他技術的結合也會更加靈活，發揮出更積極的作用，不斷提高檢測結果的可靠性，為相關工作提供更準確的依據。