頂空固相萃取-紙基表面增強拉曼光譜法快速測定水中痕量汞

張雪容 梁維新 楊玉敏 潘佳釧 郭鵬然

1（廣東省生態環境監測中心， 廣州 510220）

2（廣東省科學院測試分析研究所（中國廣州分析測試中心），廣東省化學測量與應急檢測技術重點實驗室， 廣州 510070）

我國是汞的生產、使用和排放大國，平均每年通過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沉降作用進入陸地和水生生態系統，嚴重威脅我國生態環境安全與民眾健康。

水中汞的有效檢測是環境汞污染精準防治的重要前提之一。目前，水中汞的檢測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譜法（ICP-MS）等[3-4]。上述方法屬于實驗室檢測方法，具有準確性好和靈敏度高的優勢，但存在分析時間較長、便攜性差和檢測環境要求高等缺點[5]，限制了該類方法在汞的現場檢測中的應用，無法實時準確地反映水體中汞的污染狀況。因此，發展快速、簡便、靈敏[6]的汞現場快速檢測技術，縮短樣品采集和檢測的時間，對于汞污染的及時快速監測和應急處置至關重要。

現有的汞污染快速檢測方法主要有電化學法[7-8]、比色法[9]、熒光法[10]和表面增強拉曼光譜法（SERS）[5]等，其中，SERS 通過激發金屬表面局部電場顯著增強樣品的拉曼信號，具有靈敏度高、儀器便攜、操作簡單、檢測速度快等優勢[11-13]。由于汞元素自身不產生拉曼信號，因此采用表面增強拉曼光譜法實現汞的快速檢測的主要策略是通過提高或降低拉曼探針分子的拉曼光譜信號[14]，利用探針分子拉曼信號強度的變化實現定量分析。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]等作為探針分子吸附在納米金/銀（AuNPs/AgNPs）表面，利用汞對探針分子的競爭吸附降低拉曼信號；或者通過汞離子連接探針分子與SERS 基底，增強探針分子的拉曼信號[18-19]。然而，由于上述方法中汞與探針分子、SERS 基底之間的化學反應過程發生在水介質中，因此在實際水樣測定過程中容易產生基質干擾，需嚴格控制反應條件，這限制了該類方法在實際水樣檢測中的應用。通過頂空萃取法萃取水中汞可顯著降低來自樣品基質的干擾，目前已有頂空萃取法聯用冷原子吸收光譜法[20]、比色法[21]等快速檢測方法的研究報道，但尚未見頂空固相萃取與SERS 聯用實現水中汞現場快速檢測的研究報道。

本研究通過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，通過測定反應前后探針分子的拉曼信號強度的變化實現水中汞的快速、高靈敏測定，避免了樣品基質干擾。本方法準確、靈敏、快速、特異性強、檢測成本低，為水體中痕量汞的現場快速、準確檢測提供了一種新穎、可靠和低成本的分析方法。

1 實驗部分

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質譜儀（美國Agilent 公司）；BSA224S-CW 型電子分析天平（賽多利斯科學儀器（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（優級純，Acros 公司）；玻璃纖維濾紙（CAT No.1825-047，英國Whatman公司）；實驗用水為超純水（電阻率≥18.2 MΩ·cm）。

1.2 R6G-AgNPs紙基SERS基底的制備

按照文獻[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，向濾紙上滴加50 μL AgNPs溶液，風干后，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

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 激光下進行檢測，通過R6G 的拉曼信號強度計算汞的濃度。

1.4 ICP-MS檢測方法比對

ICP-MS 成功點燃等離子體并穩定20 min 后，采用含有1 μg/L 的Ce、Co、Li、Tl 和Y 的調諧液對儀器進行調諧，待ICP-MS 靈敏度達到最佳狀態后進行樣品測試，相關儀器操作條件見表1。

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

2 結果與討論

2.1 方法原理

本方法的原理示意圖見圖1，采用具有良好拉曼信號的R6G 作為探針分子[18]，在水樣中加入NaBH4后，水中的Hg 經還原、揮發形成汞蒸氣。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 信號強度，因此，水中汞的濃度與R6G 的SERS 信號強度呈負相關。通過對比水樣與空白對照拉曼峰的強度，計算抑制率，即可實現水樣中汞的定量分析。抑制率IR 按公式（1）計算。

圖1 頂空固相萃取-紙基表面增強拉曼光譜（SERS）法快速測定水中痕量汞的原理簡圖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度；I0為空白樣品的拉曼光譜峰強度。

2.2 基底增強效果

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R6G 的拉曼信號，并且可以獲得峰形良好、背景簡單的拉曼圖譜，可觀察到607、765、1178、1305、1357 和1505 cm-1處的特征拉曼峰，與文獻[5]的結果一致，說明制備的AgNPs 紙基SERS 基底具有良好的SERS 效果。其中，1357 cm-1處的芳香環的彎曲振動形成的拉曼峰具有較好的峰形和強度，因此選擇此特征峰的強度作為定量分析依據。

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基底制備條件優化

按照1.2 節所述的方法，通過調節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基底的穩定性與檢測靈敏度的影響。平行制備的3 種基底（各12 個）的拉曼峰強度分別如圖3A-3C 所示。其中，基底A 和C 穩定性較好，拉曼峰強度的RSD 約為5%，而采用較低濃度的AgNPs 和R6G 制備的基底B 穩定性一般，這可能是由于R6G 拉曼峰強度較低，背景干擾較高所致。圖3D 為3 種基底對水中1 μg/L Hg 的響應強度（以抑制率表示），其中，基底B 和C 對水中汞的響應較強，而基底A 的響應較弱，這可能是由于本方法主要通過在AgNPs 表面形成銀汞齊降低AgNPs 的SERS 效果，進而實現汞的定量分析，因此基底上較低濃度的AgNPs 更有利于提高方法的靈敏度。綜合考慮檢測靈敏度及基底穩定性，基底制備時采用0.2 mmol/L R6G 和2 mg/L AgNPs。

圖3 不同條件下制備的SERS 基底的穩定性與檢測靈敏度評價：（A）基底A 在1357 cm-1 處拉曼峰強；（B）基底B 在1365 cm-1 處拉曼峰強；（C）基底C 在1357 cm-1 處拉曼峰強；（D）3 種基底對水中1 μg/L Hg 的響應強度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 方法特異性評價

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 節所述的方法進行檢測，考察不同離子對抑制率的影響。如圖4 所示，添加了2 μg/L Hg2+對基底增強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，無法與基底中的AgNPs 結合。因此，本方法對水中的汞具有良好的檢測特異性。

圖4 不同離子對抑制率（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+標準溶液，采用本方法進行檢測。如圖5A 和5B 所示，隨著水中Hg2+濃度增加，R6G 的拉曼信號逐漸降低，這是由于水中Hg2+經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 的增強效果，也降低了R6G 的拉曼信號。Hg2+濃度與抑制率之間的關系如圖5C 所示，隨著水中Hg2+濃度增加，拉曼信號下降的速度減緩，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減少，因此拉曼信號下降的速度減緩。汞濃度的對數值與抑制率在0.5～40 μg/L 的濃度范圍內呈良好的線性關系（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（A）R6G 拉曼信號的影響和（B）1357 cm-1 處拉曼峰強度的影響；（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 實際水樣測試

采用本方法檢測了實際水樣中的汞的濃度。向實際水樣中加入一定量的Hg2+、MeHg 和EtHg，使總汞的加標濃度分別為1、2 和5 μg/L， 分別采用本方法以及ICP-MS 法測定，測試結果如表2 所示，本方法的測定值與ICP-MS 測定值接近，4 組樣品的平均加標回收率在87.3%～110.3%之間，相對標準偏差（RSD）在6.2%～8.9%之間，表明本方法準確性和穩定性良好。

表2 實際水樣測試結果Table 2 Analysis results of real water samples (n=3)

2.7 方法對比

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

表3 SERS測定水中汞的方法對比Table 3 Comparison of SERS methods for determination of mercury in water

3 結論

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