表面增强拉曼光谱技术在环境污染物检测中的应用

白 敏

（山东环林检测技术服务有限公司，山东 潍坊 261000）

当前，我国环境污染问题依然严重，给人们的身心健康造成不小的威胁，而一些污染物无法通过常规方法检测出来。表面增强拉曼光谱技术的灵敏度很高，稳定性好，所以在环境污染物检测方面具有明显的优势。

1 表面增强拉曼光谱技术简介

拉曼光谱是一种分子振动光谱，能够反映分子的特征结构，但是拉曼散射效应较弱，散射光的强度约为入射光强度的10-8。试验研究发现，吸附在粗糙金属表面的tt旋分子的拉曼信号强度大幅提升，这种效应被称为表面增强拉曼散射效应，英文缩写为SERS，对应的光谱就是表面增强拉曼光谱。在过去很长一段时间内，人们习惯使用原子吸收光谱法对元素进行分析，这种方法需要对特征谱线的特征性和谱线被减弱的程度进行定性和定量的分析。与原子吸收光谱法相比，表面增强拉曼光谱技术能够同时对多种元素进行分析，并且曲线范围较大，操作比较简单。

2 表面增强拉曼光谱技术在环境污染物检测中的应用

2.1 重金属

众所周知，工业生产排放的污水中含有大量的重金属离子，如果未经处理或者是没有达到排放标准而直接排放到外界环境中，会造成极大的环境污染，导致人们患上各种疾病，例如，汞会破坏视力和大脑神经、镉会引起肾衰竭等。传统的重金属检测方法有电化学法、原子吸收光谱法等，但是都需要对试验样品进行预处理，这样不仅增加了检测的时间，也提高了检测的成本。在使用SERS时，需要注意重金属离子是否已经形成了稳定的氧化物或者是稳定的含氧酸根，如CrO42+、TcO4-、Nb2O5等[1]。因为一些重金属离子的SERS光谱不是十分明显，无法有效检测阳离子状态下的重金属，所以人们可以使用纳米探针，对重金属进行间接检测。例如，利用Hg-S共价键的性质，通过乙磺酸钠和汞纳米颗粒的结合，检测乙磺酸钠的拉曼光谱。这种方法的效果较好，检测极限能够达到0.002 6 μmol/L。另外，还可以将SERS技术与PCA技术相结合，对重金属进行定量检测，但是一次只能检测一种重金属离子，实用性较差。例如，对Pb2+进行检测，使用原子吸收光谱法的检测结果如图1所示，而使用表面增强拉曼光谱技术的检测结果如图2所示，对图中横坐标和纵坐标进行观察（横坐标代表，单位是cm-1，而纵坐标代表），可以发现表面增强拉曼光谱技术的检测范围更广，具体的表面增强拉曼散射情况如图3所示。

图1 原子吸收光谱法检测结果

图2 使用表面增强拉曼光谱技术检测结果

2.2 微生物

在实际生活中，水和食物特别容易受到微生物的污染，人们饮用含有微生物的水或者使用含有微生物的食物后，会出现一系列的不良反应，所以必须重视微生物检测问题。对于常见的病毒和细菌，SERS技术的应用重点有所不同，如检测病毒，主要是对病毒的DNA进行检测，可以将检测寡核苷酸纳米颗粒作为检测探针，然后与捕获寡核苷酸进行连接，发挥检测和捕获的双重功能，实现核酸碱基的有效互补。在准备工作完成后，需要使用激光照射仪对纳米颗粒进行照射，找到SERS光谱。至于细菌的检测，主要是观察细菌细胞结构的变化，例如，将纳米颗粒放入细菌细胞内部，然后对细胞结构进行分析，以大肠杆菌和葡萄球菌为例，因为细菌与纳米颗粒的大小比较接近，所以可以使用显微镜对细胞形态进行观察。另外，还可以利用细菌标记物的特点，进行SERS检测，常见的细菌标记物是吡啶二羧酸，在对芽孢进行检测时，可以对吡啶二羧酸进行检测，而且可以发现SERS强度和吡啶二羧酸呈明显的正相关性，能够形成一定的模型。与直接检测细菌相比，检测细菌标记物，不需要萃取剂，提高了检测结果的准确性，目前已经研发出便携式检测细菌系统，检测极限达到10-9。

图3 表面增强拉曼散射示意图

2.3 农药

目前，我国农业生产使用了大量农药，尤其是一些蔬菜水果，需要定期喷洒农药，保证质量和产量。但是，农药会残留在农作物表面，危害人们的健康，典型的农药有敌敌畏、氟磺胺草醚、吡虫啉、氯氰菊酯、赤霉酸等。人们可以利用β环糊精包合技术，以金属纳米颗粒为基底，通过最小二乘法，对农药进行定量检测，例如，检测苹果表面的亚胺硫磷残留情况，就可以使用银纳米颗粒，如果还有其他类型的农药，则需要使用主成分分析法，进行定性分析[2]。目前，一些专家将乙二醇和磷酸混合在一起，并且在金属表面形成了一层密集的薄膜，然后对农药进行检测，取得了很好的效果。需要注意的是，虽然SERS技术能够很好地检测果蔬上的农药，但是在实际生活中的应用较少，加上果蔬产量较大，无法进行有效的检测，目前SERS在检测农药方面并没有发挥太大的作用，所以在未来的发展过程中，还要加大应用和检测的力度。

2.4 碳氢化合物

目前，造成环境污染的碳氢化合物主要是多环芳烃，它们是化石燃料燃烧不充分产生的物质，具有很强的挥发性。大气中的多环芳烃含量较低，在检测需要对SERS基底进行修饰。例如，使用烷烃修饰的SERS基底，检测极限能够达到6×10-9，因为碳氢化合物与基底的反应时间很短，大概在10 min左右，所以基底可以重复使用，但是要保证基底的活性和稳定性。另外，也可以使用腐殖酸还原硝酸根，这是因为腐殖酸在纳米颗粒周围可以形成紧密的结构，防止纳米颗粒扩散，并且降低了环境中其他杂质的影响[3]。另外，在对一些物体表面颜料进行鉴定时，也可以使用表面增强拉曼光谱技术，如图4所示，可以发现在507 cm-1附近的拉曼位移强峰是由于Al-O伸缩振动所致，而201 cm-1附近的T2g谱带则来源于Co-O的四面体位弯曲振动，所以确定颜料为钴蓝。

图4 表面增强拉曼光谱技术检测物体表面颜料

3 提高表面增强拉曼光谱技术应用效果的措施

3.1 增强SERS效应

为了增强SERS效应，需要保证基底材料的规则和均匀，可以使用模板法，形成具有固定间隙的纳米基底材料，也可以使用倾斜生长法，让贵金属纳米粒子均匀分散，保证基底表面可以产生大面积的热点。对于形状比较特殊的基底材料，如三维结构或者是塔状，其表面积相对更大，所以适合爆炸物的检测，如果在基底材料中加入碳纳米管，就可以明显提高检测精度，检测出浓度为10-12mol/L的污染物[4]。

3.2 提高污染物的选择性

想要提高基底材料对污染物的选择性，可以利用修饰物和污染物之间的疏水作用。例如，烷烃硫醇修饰在银膜表面后，就可以与PCB分子发生疏水作用，提高检测的灵敏度。另外，聚苯乙烯分子也可以与污染物发生堆叠作用，提高基底对污染物的选择性。例如，聚苯乙烯分子与PAH分子产生π-π堆叠作用，最低检测浓度可以达到10-10mol/L。也可以在基底表面修饰能够与污染物发生化学反应的分子，例如，半胱氨酸会与纳米粒子结合，然后与TNT分子发生反应，扩大了接触面积，提高了检测效率。

3.3 保证基底的实用性

如果在基底中加入磁性较强的物质，就可以对溶液样品和土壤样品进行快速检测。例如，将四氧化三铁加入银纳米粒子的基底中，可以与样品基质快速分离，还可以继续进行修饰，如加入木质素，这样可以让污染物分子在磁性基底表面聚集。为了保证基底的材料不被破坏，或者防止贵金属直接与污染物发生反应，可以使用惰性材料，对SERS基底进行保护。

4 结论

SERS技术操作简单、灵敏度高，已经在环境污染物检测方面取得了很好的效果。随着科技的不断发展，相信不久的将来，SERS技术会更加成熟，应用更加广泛，同时与其他技术的结合也会更加灵活，发挥出更积极的作用，不断提高检测结果的可靠性，为相关工作提供更准确的依据。