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环境污染物快速分析的表面增强拉曼光谱技术

导读: 表面增强拉曼光谱(Surfaceenhanced Raman spectroscopy,SERS)作为一种强有力的原位分析技术,不仅可以像拉曼光谱一样能够提供分子结构的特征光谱,而且还可以极大地增强被测分子的拉曼信号,通常可以增强6个数量级以上,有时甚至可以达到14个数量级,从而达到单分子检测。

引言

随着社会与经济的发展,环境污染越来越成为困绕着人类健康和制约社会继续发展的严峻问题,多环芳烃类污染物,在环境中具有长期稳定性、可迁徙性以及生物富集性,能干扰生物内分泌系统,损坏生物的神经系统,潜在的致癌作用[1-3]。表面增强拉曼光谱(Surfaceenhanced Raman spectroscopy,SERS)作为一种强有力的原位分析技术,不仅可以像拉曼光谱一样能够提供分子结构的特征光谱,而且还可以极大地增强被测分子的拉曼信号,通常可以增强6个数量级以上,有时甚至可以达到14个数量级,从而达到单分子检测。文献研究表明表面增强拉曼光谱完全可以实现对特定环境污染物的高灵敏度定性和定量检测。过去受限于拉曼光谱仪的发展,表面增强拉曼光谱基本上只能作为一种实验室技术。随着激光器技术、光纤技术以及CCD检测技术的发展,拉曼光谱仪可以集成为一个小型、快速、简便的检测设备,进而使拉曼光谱仪应用于多环芳烃快速分析领域成为可能[4-11]。

本论文采用拉曼光谱法检测不同基底制备工艺对芴的增强效应,为表面增强拉曼光谱技术应用于环境污染物提供一定的理论与试验基础。

SERS增强效应机理

为弄清SERS的增强机理,人们进行了大量的研究工作,在SERS机制的研究中提出了很多的机理,其中电磁场增强(Electromagnetic enhancement)和化学增强(Chemical enhancement)是目前普遍认同的SERS增强机理[4]。EM模型主要影响因子包括:表面等离子体共振(Surface Plasma Resonance,SPR),避雷针效应(Lightning Rod Efiect)和镜像场效应(Image Field Efiec)。表面等离子体共振(SPR)机理被认为是电磁场增强的最主要来源,对该机理的理论和实际研究比较多。该机理认为,当粗糙的贵金属基底表面受到激光照射时,贵金属表面的等离子体被激发到较高的能级并与光波的电场耦合,产生SPR,使金属表面的局域光电场极大的增强。由于拉曼散射信号的强度和分子所处光电场强度的平方成正比,因此拉曼散射效应也极大增强。

SERS拉曼光谱在环境领域研究现状

列入美国EPA优先控制污染物名单中的16中多环芳烃(PAHs):萘(Nap)、苊系(AcPy)、苊(Acp)、芴(Flu)、菲(PA)、蒽(Ant)、荧蒽(Fl)、芘(Pyr)、苯并[a]蒽(BaA)、稠二萘(CHR)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[k]荧蒽(BbF)、苯并[a]芘(BaP)、二苯并[a, h]蒽(DahA)、二苯并[a, h]芘(BghiP)以及茚苯(1, 2, 3-cd)芘(IcdP)具有很强的生物累积性、持久性,已证实对人类有致癌性。美国、欧盟、日本、中国等国家和地区已将PAHs纳入常规水体系环境监测。

PAHs的常规定性分析方法有高效液相色谱法、气相色谱-质谱法和荧光光谱法,上述检测方法都比较成熟,能达到ug/L-ng/L。由于自然环境中PAHs的含量低,达不到仪器的检出限,因而需要提取、净化、富集等前处理过程。致使常规定性分析方法检测周期长、成本高,还可能产生二次污染,现场适用性差。拉曼分析通常是非破坏性的,不要求试样做预处理,与试样也无物理接触,检测对象不受限制,灵敏度高,达到ng/L。本节总结了近年来贵金属纳米粒子作为SERS基底对于PAHs检测领域的最新进展[18]。

PAHs往往需要借助其他修饰手段对SERS基底进行修饰,修饰基底方法大致分为5类:烷烃修饰的SERS基底;腐殖酸修饰的SERS基底;杯芳烃修饰的SERS基底;紫晶二阳子修饰的SERS基底以及硫基取代环糊精修饰的SERS基底。无论是那种SERS基底的修饰方法大体都采用一个思路,即利用PAHs分子与SERS基底表面修饰分子间的相互作用使其靠近修饰的SERS基底表面,进而到达基地表面的增强区域,从而完成对其SERS检测。

Aroca课题组采用腐植酸作为还原剂,原位制备了腐植酸稳定的Au纳米粒子,他们发现这些Au纳米颗粒的SERS背景光谱具有很大的空白区段,可以实现10-5mol浓度的苯硫酚、l-萘胺和吡啶的原位检测。由于土壤和水域中的大部分有机芳香族化合物都集中在腐植酸部分,这种方法表明SERS技术可以直接用于这些环境中污染物的原位检测。

谢云飞等将硫基取代的环糊精修饰在银纳米粒子上作为基底,通过SERS对蒽、芘进行检测,发现分子芘能够充当“分子桥”作用,连接两个银纳米粒子,芘能取得更好的SERS信号。另外,将硫基取代的环糊精修饰在金纳米粒子上作为基底,通过SERS对(蒽、芘、苯并菲等)进行定量和定性检测,应用此种方法能检测到分子最低浓度的顺序由大到小:芘、蒽、苯并菲、晕苯。

H.D. Kronfeldt等通过热还原将25,27-二硫基乙酸-26,28二羟基-4-叔丁基杯芳烃(DMCX)组装到银溶胶上作为基底,利用DMCX修饰的银纳米粒子表面有聚集和浓缩PAHs的作用,对人工海水中芘和萘进行SERS检测,检出限分别为3*10-10和3*10-9mol/L。

Harris研究组利用C18的取代物修饰了金属基底,并研究了C18在金属基地上的吸附取向,然后对几种多环芳烃进行了SERS检测,其中分子芘的检测限可达10-8mol/L,萘和菲的检测限大10-7mol/L。由于葵硫醇自组装膜对PAHs具有富集作用,Haynes研究组利用葵硫醇在银膜表面自组装SERS传感器,并利用该传感线对蒽和芘分子进行检测,检测限分别达到3*10-10和7*10-10mol/L[18]。

实验设备

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Finder vista显微共焦拉曼光谱仪系统

实验设备:北京卓立汉光仪器有限公司自主研发设计的“Finder Vista”显微共聚焦拉曼光谱仪系统,配备高性能CCD背散射探测器;激光器波长为785nm,强度15mw;600g/mm光栅狭缝宽度为100um,积分时间为2。

样品:环境污染物-芴,浓度50mMol/L。

实验分析

每一种振动产生的拉曼峰不仅受原子间距离、空间配置、费米共振、诱导效应、内消效应、邻近基团场效应,还受物质的物理状态、介质性质和氢键的影响。SERS检测环境污染物-芴的拉曼光谱图如图1所示,采用不同工艺、稳定剂有不同的增强效应[11-20]。

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图1 不同基底修饰方法的芴的拉曼光谱

芴的拉曼光谱全振动形式主要归属为苯环变形(ringdef)、碳碳伸缩(CCStr)、碳氢摇摆(CHw)、碳氢伸缩(CHStr)以及各种形式的耦合。在1000-1700cm-1(基团频率区)的振动归属为碳碳伸缩(CCStr)、碳氢摇摆(CHw)及其耦合振动(CCStr-CHw)。碳碳伸缩主要集中在1600-1650cm-1区域且强度较强。200-1000cm-1频区特征峰强度相对较弱,主要由环变形振动产生;3000-3200cm-1频区的拉曼光谱较强,由碳氢伸缩振动产生。分布在这些品取得芴受化学环境影响较小,一般可根据改频区确定特征基团,并根据基团频率定性确定PAHs[11-20]。

从图中可以发现,742、1235、1610cm-1等芴的拉曼特征峰均能准确检测到,不同的修饰剂有不同的修饰效果。没有添加修饰剂的银基底在1000-1700cm-1的基团频区有显著增强效果,在1600-1650cm-1区域的碳碳伸缩增强效果最为显著。添加IP6修饰剂后,在1000-1700cm-1的基团频区有显著增强效果,200-1000cm-1频区的环变形振动也产生增强效果,598cm-1增强效果明显。添加RL修饰剂后,芴的拉曼荧光背景谱得到抑制,光谱基底平缓,峰值清晰尖锐,但是,对于1000-1700cm-1的基团频区的增强效果较差。可以推断,采用IP6修饰剂的SERS增强效应最好。

结论

1.SERS拉曼可以用于环境污染物痕量分析,并实现微摩尔级别乃至纳摩尔级别检测。通过在样品前处理、色谱与表面增强拉曼光谱多种技术联用上有所进展,实现将拉曼分析技术应用于实际环境样品检测的目的.在一定程度上为解决快速灵敏分析持久性污染物的难题提供帮助。

2.表面增强拉曼光谱可以提供分子水平上的结构信息,并且具有超灵敏、简便和实时检测的特点,因此,有望在PAHs这类环境污染物的分析检测领域得到广泛应用。今后SERS在环境污染物的研究可望集中从两方面发展,一方面,进一步提高SERS基底的重现性,并结合化学计量学的方法,使SERS光谱的定性、定量分析更加完善;另一方面,可以与其他分析技术,特别是分离技术联用,如与分子印迹技术结合,对PAHs技术进行特异性识别、分离,然后进行SERS检测。

参考文献

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