基于SERS的海洋污染物PAHs探測傳感器＊

易媛媛

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七一〇研究所 宜昌 443003）

1 引言

隨著國民經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，人們對生存環(huán)境的要求逐年提高，但由于水土流失、污水排放、水源污染等因素的影響，地表水成分逐漸趨于復(fù)雜，常規(guī)的給水處理工藝，難以完全去除水中的痕量有機(jī)污染物，其中大部分會對人體健康產(chǎn)生危害，這些有機(jī)污染物通過食物鏈進(jìn)入人體，引起慢性中毒。其中，多環(huán)芳烴（polycyclic aromatic hydrocarboas，PAHs）是一種普遍存在的高危有機(jī)污染物，煤、石油、木材、煙草、高分子化合物等有機(jī)物在不完全燃燒時都可能產(chǎn)生多環(huán)芳烴，對空氣、水、土壤等自然環(huán)境造成污染。由于其物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、難降解，易在人體及生物體內(nèi)富集，具有“三致”即致癌、致畸、致突變的特點（目前已發(fā)現(xiàn)的致癌性多環(huán)芳烴及其衍生物超過400種）。美國環(huán)保局已將16種多環(huán)芳烴列為“優(yōu)先污染物”黑名單中，我國也將7種多環(huán)芳烴列入“中國環(huán)境優(yōu)先控制污染物”黑名單。多環(huán)芳烴廣泛分布于大氣層、水層、土壤層，不易分解，并且能夠在動植物體和人體內(nèi)富集。據(jù)統(tǒng)計，全球每年向大氣中排放的多環(huán)芳烴達(dá)幾十萬噸，以氣相或吸附在大氣顆粒物上的形式存在。地表水體中多環(huán)芳烴來源于大氣沉降、雨水沖刷以及污水排放等途徑。多環(huán)芳烴在水體中的存在形式主要有三種：溶解于水；呈乳化狀態(tài)和吸附在懸浮性同體顆粒物（或沉積物）上。表l為世界上一些國家和城市主要地表水體中多環(huán)芳烴的分布［1］。對比可見，我國水體中多環(huán)芳烴污染非常嚴(yán)重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它發(fā)達(dá)和發(fā)展中國家污染水平。

多環(huán)芳烴在環(huán)境中雖然是微量的，但分布廣泛，通過多種途徑進(jìn)入海洋，對海洋生態(tài)環(huán)境造成極大的破壞。同時，直接或通過食物鏈被人體攝入后，對人體造成致癌效應(yīng)。由于多環(huán)芳烴具有脂溶性特點，幾乎無法自然降解，極低含量的污染物也可以積聚到有害濃度，因此，對PAHs的早期檢測及預(yù)警具有十分重要的意義。

2 現(xiàn)有檢測方法

由于PAHs在海水中的溶解度很低，加之海洋環(huán)境的復(fù)雜性，因此很難在原位實現(xiàn)痕量探測，必須通過適當(dāng)?shù)姆椒▽⑵渲械亩喹h(huán)芳烴進(jìn)行富集。目前普遍采用從海水中取樣，在實驗室經(jīng)過樣品前處理以滿足測定要求。

在痕量多環(huán)芳烴測定技術(shù)方面，目前主要的分析測定方法有氣相色譜法（GC）、高效液相色譜法（HPLC）和氣相色譜－質(zhì)譜法（GC／MS）［2］等，盡管這些分析方法都具有靈敏度高、分辨能力強(qiáng)、選擇性好等優(yōu)點，但是需在實驗室經(jīng)過煩瑣的預(yù)處理以滿足測定設(shè)備檢出限要求后再測定，如高效液相色譜法需要經(jīng)過液液萃?。▋艋┗蚬滔噍腿。ɑ罨?、進(jìn)樣、洗脫）、濃縮等預(yù)處理過程。因此，這些分析測定方法普遍存在設(shè)備笨重、方法復(fù)雜、耗時長等問題，不便于小型化，很難在現(xiàn)場使用。因此，迫切需要發(fā)展一類兼具高靈敏度、高特異性、高選擇性且耗時短、操作簡便的檢測方法。

表1 地表水中多環(huán)芳烴的濃度分布

3 應(yīng)用SERS技術(shù)檢測PAHs

表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）是人們將激光拉曼光譜應(yīng)用于表面科學(xué)研究的探索中所發(fā)現(xiàn)的一種異常表面光學(xué)現(xiàn)象。當(dāng)一些分子被吸附到某些粗糙的金屬，如金、銀或銅的表面時，它們的拉曼譜線強(qiáng)度會得到極大地增強(qiáng)，這種不尋常的拉曼散射增強(qiáng)現(xiàn)象被稱為表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)。與表面增強(qiáng)拉曼散射相比，通常的拉曼散射光強(qiáng)僅為入射光強(qiáng)的10－8倍，散射效率很低，信號太弱，很難應(yīng)用于痕量樣品的分析研究。SERS的發(fā)現(xiàn)極大地提高了拉曼光譜靈敏度，拓寬了其應(yīng)用范圍，有效避免了溶液相中相同物種的信號干擾，可獲得高質(zhì)量的表面分子信息。這種具有表面選擇性的增強(qiáng)光學(xué)效應(yīng)，可將表面分子的拉曼信號放大約百萬倍，甚至對于某些納米粒子體系可放大至百萬億倍。拉曼散射光子中攜帶有散射物質(zhì)分子的振動和轉(zhuǎn)動信息，能夠檢測到吸附在金屬表面的單分子層和亞單分子層的分子，還能給出表面分子豐富的振動結(jié)構(gòu)信息。因此拉曼光譜被譽為分子的指紋譜。

國外近年在SERS應(yīng)用于海水中PAHs監(jiān)測領(lǐng)域進(jìn)行了大量的研究工作，具體如表2所示［3，5～7］。

表2 SERS應(yīng)用于海水中PAHs中的監(jiān)測

與國外研究情況相比，國內(nèi)在相關(guān)領(lǐng)域的研究仍有較大差距，具體體現(xiàn)在：

1）與國外相比，國內(nèi)應(yīng)用SERS探測海水中PAHs的物質(zhì)種類和探測靈敏度仍有很大差距；

2）蒽、芘、屈、苯并菲的探測限分別為100nmol／L，10nmol／L，100nmol／L和1000nmol／L；

圖1所示為2009年Olivier團(tuán)隊在監(jiān)測海水中PAHs時，采用CD－SH修飾的SERS傳感元。

圖1 CD－SH修飾的SERS傳感元

圖2 對于五種不同濃度的PAHs的探測結(jié)果

由于拉曼光譜的高特異性，無需樣品準(zhǔn)備等特點，能夠?qū)ξ镔|(zhì)進(jìn)行快速、可重復(fù)、無損傷的定性分析，特別適合在單分子水平上研究和探測液相生物，在海洋環(huán)境監(jiān)測、水下反恐、公共安全、考古等多個領(lǐng)域，在快速高效檢測水源中的污染物、重要海域水下危險物以及戰(zhàn)場水雷和爆炸物探測方面具有廣闊的應(yīng)用前景［8～9］。因此，在國內(nèi)外的相關(guān)研究基礎(chǔ)上，我們提出的基于SERS的海洋污染物PAHs探測傳感技術(shù)，進(jìn)行海洋痕量物質(zhì)的探測是可行的。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4.1 系統(tǒng)組成

海洋污染物PAHs探測傳感器由電源系統(tǒng)、海水取樣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、光譜分析儀、SERS基底供給系統(tǒng)、廢物回收系統(tǒng)等幾部分組成。系統(tǒng)基本組成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)組成

其中，海水取樣系統(tǒng)由海水取樣裝置、海水凈化裝置和微量取樣裝置三部分組成。海水取樣系統(tǒng)的主要功用是應(yīng)用取樣裝置采集待測水域的海水樣品。經(jīng)過凈化裝置的初步凈化，將樣品中的大顆粒雜質(zhì)和海草等干擾物去除，留下的就是待檢測海水樣品。微量取樣裝置是用于對海水樣品進(jìn)行精確取樣，再滴注于SERS基底上面。

電源系統(tǒng)是對傳感器進(jìn)行供電的裝置，在主干網(wǎng)斷電的情況下可以自動轉(zhuǎn)由電池供電，以確保系統(tǒng)仍可繼續(xù)工作。

SERS基底供給系統(tǒng)由SERS基底立體倉庫、帶式傳送機(jī)構(gòu)、除膜機(jī)構(gòu)和基底脫落機(jī)構(gòu)四部分組成。所有基底都以芯片的形式存儲在立體倉庫內(nèi)。為防止芯片表面氧化，芯片表層還覆蓋有一層保護(hù)膜。當(dāng)傳感器開始進(jìn)行樣品檢測時，傳送機(jī)構(gòu)從倉庫中取出一片基底，除膜機(jī)構(gòu)把芯片表面的膜除去，然后傳送機(jī)構(gòu)把芯片放置到流動池中。微量取樣裝置將精確取樣的海水樣品滴注在流動池中的芯片上。光譜分析儀的光纖探針放置于樣品流動池上方。

光譜分析儀通過光纖探針將激光信號聚焦在芯片表面，并接收拉曼散射信號并進(jìn)行分析，獲得樣品溶液的物質(zhì)特性譜線。

控制系統(tǒng)是傳感器的控制中樞，對整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳動、通信等進(jìn)行控制。

廢物回收系統(tǒng)是對樣品余液、SERS基底外層覆膜和使用后報廢的SERS基底進(jìn)行回收的裝置。

光譜分析儀的檢測結(jié)果，即海水樣品溶液的特征譜圖通過通信主干網(wǎng)絡(luò)傳回到岸基管理監(jiān)測中心，對被測污染物進(jìn)行定性分析，最終對該海域水質(zhì)情況進(jìn)行判斷。

4.2 光學(xué)探測流程

系統(tǒng)的光學(xué)探測流程如圖4所示。流動池里是含有PAHs的海水樣本，SERS基底放置在樣品流動池中間。如圖4所示，系統(tǒng)采用的激光光源，激光光束經(jīng)過帶通濾波器濾波，然后光纖探針將激光束聚焦到滴注有樣品溶液的SERS基底上。經(jīng)由光纖探針采取180°背散射方式收集的拉曼散射光，通過全息陷波濾光片濾除瑞利散射光，最后經(jīng)光譜儀的單色儀光柵色散分光、CCD光電轉(zhuǎn)換后獲得該樣品溶液的拉曼光譜，最后光譜圖顯示在與光譜儀相連的計算機(jī)上。

圖4 光學(xué)探測流程

4.3 SERS基底制備

SERS基底的制備大致分為三個方面。

首先，需對基底芯片進(jìn)行設(shè)計，采用FDTD、DDA等方法仿真計算SERS的增強(qiáng)能力，優(yōu)化芯片結(jié)構(gòu)。應(yīng)用上述軟件，輸入芯片的結(jié)構(gòu)參數(shù)，計算芯片的消光、吸收和散射等光學(xué)特性，獲得LSPR特性參數(shù)，然后進(jìn)行判斷，當(dāng)接近激光光源波長時，計算出電場分布，獲得SERS增強(qiáng)因子。否則，重新輸入芯片結(jié)構(gòu)參數(shù)，再次計算直到滿足要求為止［4，10］。圖5所示為SERS芯片設(shè)計。

圖5 SERS芯片設(shè)計

其次，采用光刻、自組裝、激光加工等方式制備芯片。如圖6所示。

圖6 SERS芯片加工

最后，對SERS芯片進(jìn)行功能化處理，根據(jù)待測對象PAHs進(jìn)行增吸附、保持芯片性能穩(wěn)定等表面功能處理。

5 結(jié)語

表面增強(qiáng)拉曼光譜散射光子中攜帶有散射物質(zhì)分子的振動和轉(zhuǎn)動信息，能給出表面分子豐富的振動結(jié)構(gòu)信息，具有高靈敏度、高特異性和高選擇性等特點，因此被譽為分子的指紋譜。另外，由于具有可實時原位監(jiān)測、耗時短、操作簡便等優(yōu)點，因此在長時間大范圍進(jìn)行環(huán)境監(jiān)測的區(qū)域具有較強(qiáng)的實用價值。本文提出將SERS應(yīng)用于監(jiān)測PAHs環(huán)境污染物的痕量原位監(jiān)測傳感裝置是可行的，且應(yīng)用前景會非常廣闊。目前，該方法在實驗室可以取得較好的檢測效果，但是對于實際應(yīng)用還存在一定問題。未來的研究還需解決以下幾方面問題。一方面是進(jìn)一步提高SERS基底的穩(wěn)定性，使得SERS光譜的定性、定量分析更加完善；另一方面，結(jié)合實際使用環(huán)境的水質(zhì)特點，對傳感器系統(tǒng)的采樣控制及微量取樣技術(shù)進(jìn)行完善。

除此之外，該系統(tǒng)還可延伸到海洋環(huán)境監(jiān)測、水下反恐、考古等多個領(lǐng)域，在快速高效檢測水源中的污染物、重要海域水下危險物以及戰(zhàn)場水雷和爆炸物探測方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

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