拉曼光譜技術在水質智能傳感中的應用

張溢凡，于江濤，魯乾榮

(中國人民解放軍93575部隊，河北 承德 067000)

0 引言

當前，全球環境污染事件時有發生，恐怖襲擊沒有根除，全球飲用水安全總體形勢不容樂觀，我國飲水安全問題突出，全球各國都面臨維護水源及飲用水安全的復雜艱巨任務，災害環境中飲用水安全監測問題突出。

據報道，我國75%以上的水源被污染[1-3]，水污染物種類繁多，有生物性污染物(微生物)、無機化學污染物、有機化學污染物和放射性污染物等；僅促癌及致突變污染物就有百余種[4-6]，這些污染物會對人體健康造成嚴重危害。近年來，在水污染中發現了多種有強致癌性質的新型含氮和含碘消毒副產物[7-9]。當災害發生后，溝塘、河溪等地表水會有嚴重無機污染，而救災中又常用超氯化物消毒，各種有害副產物含量會更高。生物污染物是一類特殊的水污染物，例如一種經水傳播的腹瀉疾病隱孢子蟲病，會嚴重威脅污染區域人群健康。美國一些地區生物性水污染調查顯示，在地表水中檢出隱孢子蟲卵的概率高達65%～97%，國內一些地區地表水中也檢測出隱孢子蟲卵[10-11]。此外，放射性污染也在威脅著人類的生存和健康。日本福島2011年發生里氏9.0級地震，嚴重損壞坐落在福島縣的兩座核電站反應堆，使其發生爆炸，爆炸導致核物質泄漏，產生嚴重放射性污染。輻射性物質通過風傳播到了中國大陸、中國臺灣、俄羅斯等地區。戰爭環境下，交戰雙方會將水源和飲水設施作為戰略目標，水源和供水設施可能會遭到直接破壞，甚至遭受核、生、化污染，造成嚴重水安全危機。飲用水安全，不論是和平時期，還是戰爭時期，都是保障國民在各種突發災害事件中生命支持系統正常運轉的基礎。高效準確的飲水安全監測能力，不論是在和平時期，還是在戰爭時期，都是維護國家安全的重要保障。

1 我國缺乏先進智能飲水安全監測裝備

經歷過多次恐怖襲擊后，美國對飲水安全智能監測十分重視，大力研制新型信息化、自動化和智能化飲水安全監測裝備，并已經開始實際應用。在飲水安全監測系統建設方面，美國已經建成了一套完善的三級水質監測系統[12]，能夠有效監控惡意投毒和事故性飲用水污染等情況。

美國在飲水安全監測系統信息化、智能化方面也非常重視，完成了非常完備的相關專業數據庫建設，整合了與水污染相關的化學、生物、環境科學、能源、工業和社會等領域的信息庫，可以通過交叉學科大數據分析，快速預警和評估污染事故，為水源和供水設施及時采取保護措施提供準確情報[l3]。

在飲水安全現場快速監測智能裝備領域，美國陸軍環境衛生研究中心成功開發了手提式有毒化學物質智能檢測裝置。該智能設備可在30 min內完成有毒物質檢測，檢測靈敏度可達ppm級別；該中心還開發出用于野戰環境條件下的水中化學和微生物污染快速檢測便攜式設備，該設備能在4 h內檢測水中各種化學污染物和微生物污染物[l4]。

中國現有的飲水安全現場快速檢測技術和裝備尚不能達到國際先進水平，迫切需要開放研制快速監測智能裝備，提高水質監測設備智能化、集成化、信息化水平，適應各種特殊、惡劣或未知環境災害條件下的應急救援要求，提升現有的飲水安全現場快速檢測技術和裝備水平。

2 拉曼光譜技術的發展現狀

1928年，印度物理學家CV Raman發現了拉曼散射效應，拉曼光譜作為一種鑒定物質結構的分析測試手段被廣泛應用。拉曼光譜是用激光照射樣品，樣品物質分子受激后發出散射光，通過光譜測量探測到與入射光頻率不同的拉曼散射光頻率和強度，對拉曼光譜信號進行分析識別，判斷被檢測物質的分子振動、轉動方面的分子結構信息。拉曼光譜是分子振動結構的表征，稱為“分子指紋”。拉曼光譜具有無需制備樣品，原位無損快速檢測，可直接檢測水溶液等優勢，在化學化工、生命科學、醫藥學、環境污染和公安技偵查等領域得到了廣泛應用，但在水質分析中的應用研究還在探索中[15]。

拉曼散射效應如圖1所示，假設激光照射物的分子原來處于電子基態，用頻率為V0的激光照射物質樣品，當外來光子入射到分子時，分子吸收一個光子能量hV0后躍遷到一個實際上不存在的虛能級發生虛的吸收，虛能級上的電子立即躍遷到下能級，并立即回到原來所處的基態而重新發射光子hV0，這是瑞利散射。如果分子躍遷到虛能級不回到原來所處基態，而落到另一較高能級發射光子，其能量為h(V0-ΔV)，這個發射的新光子能量h(V0-ΔV)，顯然小于入射光子能量hV0，這種情況是拉曼散射的斯托克斯線(Stokes)，入射光子和發射光子能量差為hΔV，拉曼散射光譜的頻率位移為ΔV。反之，如果分子躍遷到虛能級回到另一較低能級發射光子，其能量h(V0+ΔV)，為反斯托克斯線(Anti-Stokes)，入射光子和發射光子能量差-hΔV，拉曼散射光譜的頻率位移為-ΔV，其中，h為普朗克常數。拉曼散射波長的偏移±ΔV與物質分子的化學結構有關。

圖1 拉曼效應

拉曼光譜是分子結構的表征，不同物質的拉曼光譜不同，且是唯一的。物質的濃度與拉曼光譜的強度息息相關，拉曼光譜可以對物質進行定性定量分析。拉曼光譜是一種對物質光譜直接量的分析方法，具有無需樣品制備、靈敏度高和重復性好等優勢[16]。

由于拉曼光譜的強度非常弱，拉曼效應被發現后很長時間才得到實際應用。20世紀60年代激光技術的出現，特別是高功率光譜穩定激光器出現，極大提高了拉曼效應的強度和拉曼頻移的測量精度，促進了拉曼光譜分析技術的推廣應用。近代，新型拉曼光譜技術不斷涌現，出現了以受激拉曼效應為基礎的激光光譜技術，為拉曼光譜學經典理論帶來了創新。這些快速發展的創新拉曼光譜技術包括表面增強拉曼光譜和共振拉曼光譜技術等。

近年來，拉曼光譜工程技術得到了重大發展。諸如大功率半導體激光光源、高靈敏的單光子接收器、高靈敏度光譜儀、計算機及AI等主要代表技術大量應用于各種拉曼光譜儀器系統中。促進了拉曼光譜分析技術的數字化、信息化和智能化，促使拉曼光譜分析技術在分析化學、物質結構分析、制藥、生物醫療、食品安全和安監刑偵等領域的應用有了飛躍發展。

2.1 表面增強拉曼光譜技術

常規拉曼散射效應非常弱，其散射光強度約為入射光強度的10-6～10-9，限制了拉曼光譜技術在低濃度物質探測領域的應用和發展。

表面增強拉曼光譜(Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS)技術使用經特殊處理的表面粗糙金屬(如金、銀和銅等)作為活性基底。活性基底對吸附在表面分子的拉曼效應產生物理增強和化學增強，使拉曼效應提高106～1015倍。SERS技術具有比常規拉曼光譜更強大的物質檢測能力，能夠檢測出更豐富的化學分子結構信息，精確度更高，是非常強有力的痕量檢測工具。例如田中群院士團隊研發的核-殼結構納米粒子增強拉曼光譜，在食品安全檢測、生物分析、材料科學和戰爭毒化氣的檢測中，實現了痕量檢測。

近年來，隨著激光光刻、納米材料和數字信號處理及模式識別等技術在拉曼光譜分析中的大量應用，SERS技術設備已經智能化，廣泛應用于材料分析、生物、醫學、食品安全、環境監測和國家安全等領域[17-18]。

2.2 共振拉曼技術

共振拉曼效應(Resonance Raman Scattering，RRS)是指激光光源頻率與分子的一個電子吸收峰接近或重合時，拉曼效應中的一個或幾個特定的拉曼帶強度會急劇增加，可達到正常拉曼帶強度的106倍，并出現強度可與基頻相比擬的泛音及組合振動現象[19]。共振拉曼光譜的對激發光源頻率這種選擇性和增強效應拉曼帶與可見光、紫外線的電子吸收帶相關。RRS提升了拉曼效應的強度，使拉曼定性定量檢測更易實現。從RRS選擇性增強以及拉曼帶固有的較窄譜帶中，可得到比紅外光譜更豐富的物質結構信息。由于共振拉曼光譜的選擇規律與單光子吸收和發射光譜不同，通過對共振拉曼光譜進行分析，相比從電子吸收與發光光譜，可獲得的物質結構信息更多。

共振拉曼能有效檢測低濃度及微量樣品。通過分析不同的共振拉曼譜帶的激發輪廓，得到物質分子振動和電子運動相互作用的信息。通過對共振拉曼偏振測量信息的分析，可以得到常規拉曼效應中不容易得到的關于分子對稱性的信息。利用標記發色團的共振拉曼特征可以研究大分子聚集體的部分結構。目前，共振拉曼光譜技術已在研究和檢測有機和無機分子、離子、生物大分子，甚至活體組成等方面得到有效應用[19-20]。

3 拉曼光譜技術在水質檢測領域中應用進展

目前常規拉曼光譜、遠程拉曼技術、RRS和SERS等技術，用于水環境中污染物檢測主要包括以下4類。

3.1 無機污染物檢測中的應用

無機污染的檢測是給水安全檢測的重要工作，可采用拉曼光譜技術檢測氰化物、氟化物、氯化物、硝酸鹽和亞硝酸鹽、石棉和硫酸鹽等。

用拉曼光譜直接判斷飲用水中微量礦物質的相對濃度是可行的。楊昌虎等通過對5種水樣檢測實驗數據分析，發現了對稱伸縮振動拉曼峰處的半峰全寬及其退偏振度和實際水樣化驗結果的相關性，拉曼光譜的半峰全寬與水樣品中含有的微量礦物質濃度呈負相關關系，伸縮振動拉曼峰處退偏振度與水樣品中含有的微量礦物質濃度呈正相關關系[21-22]。

3.2 有機污染物檢測中的應用

有機污染物，如各種殺蟲劑，即使含量較低也會對人體造成巨大的傷害。喬俊蓮等利用SERS技術，研究檢測水中殘留的綠麥隆，發現增強基地為銀電極表面時，可以檢測到濃度非常低的綠麥隆，并且能夠得到明確的光譜信息，且吸附飽和時間僅為2 h[24]，最低檢測濃度低至10-10mol/L。郭淑霞等基于SERS技術的特點，建立了真實體系下孔雀石綠定性檢測方法，該方法用于養殖海水中孔雀石綠的現場檢測，最低檢出濃度0.1 μg/L[25]。孔德地等基于SERS技術進行了水中抗生素污染的檢測研究，最低探測濃度為對氯霉素5 ppm，對環丙沙星5 ppm，對恩諾沙星2 ppm[26]。

拉曼技術已經應用于各類有機污染物的定性研究，如食物中農藥殘留及非法添加劑，食品制假(包括篡改原產地)等。

3.3 放射性污染物檢測中的應用

環境放射性污染是對突發事件給水保障的致命威脅，檢測水體中放射性污染物需要得到樣品中放射性物質的濃度及存在形態，對低放射性樣品濃度水體污染檢測非常關鍵，而傳統的分析手段很難對低濃度放射水污染進行有效檢測，SERS技術可極大提高水中放射性污染物的拉曼散射強度，實現有效檢測[27]。

Ruan C等人利用表面增強技術檢測放射性物質鈾，采用金粒作為表面增強基底，研究了鈾的拉曼光譜以及含量與拉曼光譜強度之間的關系，研究的最低檢測濃度低于 10-5mol /L，為危化品檢測提供了可靠技術[28]。Chad L等人使用SERS技術對環境樣品中的鈾進行了檢測實驗，實驗效果良好，當鈾含量為0.87 pg時仍然可以有效檢出[29]。這些研究都標明了SERS技術在放射性物質檢測中是非常有效和有應用前景的。

3.4 生物污染檢測中的應用

生物污染也是給水安全的重大威脅，近來水源和供水給水系統生物污染事件在全球范圍內時有發生，特別是在災害環境中導致腸道傳染病或其他疾病的爆發流行，全世界各國都高度重視突發事件給水生物安全，發達國家都在努力建立水源生物污染監測系統，及時監控出水源生物污染特點，實現水源和給水系統生物污染的快速監測和處置。

通過建立完備的生物樣本拉曼光譜數據庫，也稱為“生物指紋圖譜庫”，可實現基于拉曼光譜特異性的生化組分自動識別，快速區分不同的生物樣品，例如核糖核酸、葡萄糖和蛋白質等。此外，拉曼光譜技術應用可實現對活細胞的非標記檢測，具有無需培養、非接觸性、快速、高效、實時監測和可重復性高等優點。拉曼光譜技術在微生物學領域正在快速發展。

通過拉曼光譜技術可檢測到飲用水和再生加工用水中的病原微生物，也可以檢測到水中的微生物，包括各種病菌和病毒等。SERS技術的高靈敏特性，在檢測生物分子時，效果非常顯著。未來的研究將會在蛋白質分子檢測、核糖核酸檢測和DNA分子的檢測中，為生命科學的發展拓展新的交叉研究領域[30]。

4 拉曼光譜數據處理與分析

對拉曼光譜原始光譜數據的處理與分析包括：噪聲去除、低頻變化的背景去除、與標準拉曼圖譜庫數據對比分析等數據工作。拉曼光譜數據處理與分析流程如圖2所示。

圖2 拉曼光譜數據處理與分析流程

拉曼數據處理分析流程主要包括：

(1) 尖峰噪聲消除

當在拉曼光譜測量中積分時間很短、激光功率較低或者樣品拉曼散射截面較小時，獲取的拉曼光譜信噪比較低，容易受到尖峰噪聲的影響，對真實譜峰的識別造成干擾，通過對原光譜中尖峰噪聲的位置估計，利用相鄰無尖峰位置的光譜強度近似代替尖峰值，實現去除尖峰噪聲。

(2) 白噪聲消除

白噪聲是拉曼光譜儀獲取的拉曼光譜中另外一類嚴重噪聲，可采用基于小波變換法的圖像多尺度分析技術，消除拉曼光譜的高頻白噪聲。

(3) “基線”影響去除

對樣品進行拉曼光譜測量時，如果存在背景光干擾，復原光譜中通常會存在低頻變化的背景，稱為“基線”，“基線”會干擾真實譜峰強度的估計，可采用多項函數多項式擬合法的方法估計復原光譜中通常會存在低頻變化的背景，消除基線對拉曼光譜強度測量的影響。

(4) 圖譜庫大數據比對

拉曼譜圖精細復雜，通過基于標準圖譜庫的復雜成分物質拉曼光譜圖分析、模式識別，自動化智能化計算出所測譜圖與標準譜圖的相似度，快速估計和判斷所測拉曼光譜中包含哪些物質的拉曼光譜。

5 結束語

我國現有的飲水安全現場快速檢測技術和裝備尚不能達到國際先進水平，與未來復雜災害環境條件下給水安全保障需求差距較大，急需建立復雜災害環境條件下的飲用水安全快速監測系統。

在水質分析領域，拉曼光譜有其他傳統分析方法無法比擬的優勢。拉曼光譜可以作為災害救援給水安全實時監測的有效手段，可大幅度提高復雜災害環境水質監測的效率和準確性。

拉曼光譜因此被稱為物質的“指紋”，是物質識別的有力工具。基于拉曼光譜分析技術，綜合應用信息科學、模式識別，大數據和AI技術可研制智能化水安全快速監測設備和系統，提升水質安全監測的技術水平。

為此，將常規拉曼光譜、RRS、SERS及其聯用技術應用于災害環境水質定性及定量分析。建立完備的復雜災害環境水污染物拉曼光譜數據庫，為復雜災害環境水污染監測準備新技術手段，針對特殊環境下飲水安全和新型污染物，開展高靈敏度、智能化、便攜式檢測設備的研制，為保障復雜災害環境給水安全做好技術準備。