1 引言

随着人类生产活动的日益丰富以及生活水平的不断提高,大量有机污染物被排放到环境中。多环芳烃(PAHs)是一类广泛存在于环境中的具有两个及以上苯环的持久性有机污染物。动物实验表明,PAHs具有多种毒害性^[1]。因此,实现PAHs的现场实时检测意义重大。目前,对于PAHs的检测手段多集中在色谱法、气相色谱-质谱联用法以及荧光光谱法等^[2]。这些检测方法虽然具有高灵敏度^[3],但色谱法和气相色谱-质谱联用法存在样品前处理繁琐、分析时间长;对于荧光光谱法,复杂组分的PAHs光谱重叠严重,存在数据处理费时费力等问题,这制约了荧光光谱法在PAHs现场检测中的应用^[4]。

表面增强拉曼散射(SERS)技术具有灵敏度高、信息含量丰富以及操作简单、无需样品前处理等优势,是PAHs现场检测的重要手段之一^[5]。由于SERS效应是发生在粗糙金属表面间隙中的局域性物理现象,SERS基底成为能够获得理想SERS增强效果的决定性因素。金、银纳米材料因其制备方法简单、粒径大小可控、增强效果较好,已成为应用最为广泛的SERS活性基底。Kwon等^[6]利用杯芳烃修饰以溶胶-凝胶的方法制作的银SERS基底,以人工海水作为背景环境,可以探测到5×10^-8 mol·L^-1萘、7.5×10^-10 mol·L^-1蒽、1×10^-9 mol·L^-1荧蒽(FL)、5×10^-10 mol·L^-1芘(Pyr)的SERS信号;Shi等^[7-9]应用SERS技术检测水中PAHs,制备了多种SERS活性基底,目前已实现低至1×10^-8 mol·L^-1萘、5×10^-10 mol·L^-1芘、4×10^-9 mol·L^-1菲(Phe)等PAHs的检测。

在实际环境中,PAHs通常浓度较低,制备具有高探测灵敏度的SERS活性基底成为痕量PAHs检测的重中之重。研究发现,聚甲基丙烯酸酯类多孔材料具有物理化学性能稳定、三维(3D)孔结构丰富以及pH适用范围广等特点,可以与金属纳米颗粒在空间位置上发生耦合作用,形成高灵敏度的三维纳米SERS活性基底^[10]。Lee等^[11]在合成甲基丙烯酸缩水甘油酯-二甲基丙烯酸乙二醇酯(GMA-EDMA)多孔材料的过程中掺入金纳米棒,制备了SERS增强基底,用此增强基底实现了1×10^-5 mol·L^-1苯硫酚的SERS检测;Wand等^[12]将金、银纳米颗粒分别修饰在柱状和粉末状GMA-EDMA多孔材料上,实现了多种物质的痕量检测,其中对菲和芘的检测限分别为4.5×10^-7 mol·L^-1和 1.1×10^-7 mol·L^-1。

研究表明,三维SERS基底的灵敏度明显优于传统SERS基底的^[10-12]。本文选用GMA-EDMA多孔材料作为三维载体,结合可紧密络合大量PAHs分子的酸碱值pH=13的金纳米颗粒,形成了高灵敏度的三维纳米SERS基底,以便携式拉曼光谱仪作为探测系统,实现了对水中三环的菲、四环的芘、五环的苯并(k)荧蒽三种PAHs溶液的痕量检测,并对它们进行了定量分析,确定了使用该方法探测时的检测限。

2 实验部分

2.1 试剂与仪器

2.1.1 试剂与材料

氯金酸(HAuCl₄•4H₂O)、柠檬酸三钠、甲醇、无水乙醇、环己醇、十二醇均购于国药集团化学试剂有限公司;偶氮二异丁腈(AIBN)购于天津市大茂化学试剂厂;甲基丙烯酸缩水甘油酯(GMA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA)购于上海阿拉丁生化科技股份有限公司;PAHs[菲、芘、苯并(k)荧蒽]购于美国sigma-aldrich公司。所有试剂和药品均为分析纯,使用时未进一步提纯。

所检测的三种PAHs[菲、芘、苯并(k)荧蒽]水溶液的配制流程如下:首先用甲醇配制各PAHs的标准溶液,再用超纯水稀释至所需浓度,稀释过程中保证甲醇的体积分数低于1%,以避免其对多环芳烃探测造成影响。菲、芘、苯并(k)荧蒽的标准溶液浓度分别为5×10^-5,4×10^-5,2×10^-5 mol·L^-1。

2.1.2 仪器

恒温磁力搅拌器(RCT basic,德国IKA公司);电子天平(FA2104,上海精科天平仪器厂);恒温干燥箱(DHG-9037A,上海精宏实验设备厂)。

所采用的光谱仪为美国Ocean Optics公司的QE65000型拉曼光谱仪,光栅型号为H6,刻痕密度为1200 lp·mm^-1,光谱分辨率为6 cm^-1;光源采用上海熙隆光电科技有限公司的785 nm窄线宽拉曼激光器,到达样品的激光功率为30 mW;光纤探头为美国InPhotonics公司的RIP-RPB-785型拉曼Y型光纤探头,具体参数及系统结构图见文献[ 5]。

2.2 实验过程

2.2.1 参数优化的金溶胶制备

金溶胶的制备参考传统Frens法^[13],选取柠檬酸钠溶液作为还原剂,将其缓慢加入到沸腾的氯金酸溶液中,从而生成金纳米颗粒粒径约为57 nm、颜色为砖红色的金溶胶溶液,经测试其pH值为6。向金溶胶体系中添加适量氢氧化钠溶液调节其pH值,改变其中金纳米颗粒的聚集状态,并使PAHs分子更容易吸附在金纳米颗粒上,从而进一步提高探测灵敏度。课题组前期研究发现,当pH为13时,能够达到最佳SERS增强效果^[7,14]。

2.2.2 GMA-EDMA多孔材料的制备

参考Svec等^[15]的方法,选取GMA为单体,EDMA为交联剂,环己醇和十二醇为制孔剂,在热引发剂AIBN的作用下,通过原位聚合反应得到GMA-EDMA多孔材料^[16],反应原理图如图1所示。具体反应过程如下:首先将GMA、EDMA、环己醇、十二醇以及AIBN按体积比为15∶15∶49∶21的比例混合均匀,其中AIBN与GMA、EDMA混合物的质量比为1.15%;然后将适量混合溶液加入到容量为5 mL的塑料模具中,向其通入氮气以充分排除其中的氧气,将反应容器密封并置入恒温箱中于63 ℃下反应12 h;反应完成后,分别用无水乙醇和超纯水冲洗残留制孔剂,得到白色柱状多孔材料,存放备用。

图 1. GMA-EDMA 多孔材料聚合反应原理图

Fig. 1. Schematic of polymerization reaction of GMA-EDMA porous material

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2.2.3 SERS光谱探测

以参数优化的金溶胶溶液为基底进行SERS光谱探测:将pH为13的待测PAH与金溶胶的混合溶液以体积比为3∶1放入比色皿中,将比色皿置于探测系统中进行SERS信号采集。

基于三维活性基底进行SERS光谱探测:取定量待测物与金溶胶的混合溶液,逐滴加到连接在真空泵上的GMA-EDMA多孔材料载体表面。多孔材料的三维孔结构能使与金纳米颗粒最大程度吸附在载体表面及孔洞中(渗透深度约为1 mm),剩余溶液会顺着孔道流走,流走的液体基本呈无色状态,而多孔材料表面呈紫黑色,整个滴加过程约为2 min。滴加完成后,将其置于探测系统中进行SERS信号采集,过程如图2所示。

空白三维SERS基底的探测:以甲醇体积分数为1%的等量超纯水代替探测物溶液与金溶胶溶液混合,调至pH为13后滴加在GMA-EDMA多孔材料载体表面,其他步骤不变。

3 结果与讨论

3.1 基于GMA-EDMA多孔材料的三维SERS基底表征及其SERS增强效果分析

为分析基于GMA-EDMA多孔材料的SERS活性基底的形貌特征及高灵敏度增强效果的影响因素,对空白及与金纳米颗粒结合的GMA-EDMA多孔材料进行了扫描电子显微镜(SEM)图像表征,结果如图3所示。图3(a)所示为空白多孔材料载体的SEM图像。可以看出,材料的孔结构基本是由小颗粒连接形成的微孔以及小颗粒团簇之间的大孔组成,其中大孔结构主要起传质的作用,并能有效降低柱压,而微孔结构的孔径大小及分布对固化并聚集金纳米颗粒、控制颗粒间分布、形成更多SERS活性“热点”起主要作用^[17]。图3(b)所示为吸附金纳米颗粒后多孔材料的SEM图像,其中圆圈中的白色亮点为吸附在材料表面的金纳米颗粒。金纳米颗粒多分布于多孔材料表面以及微米尺度以下的孔道内,这进一步证实了多孔材料的微孔结构是形成更多SERS活性“热点”的主要因素。图3(b)右下角插图是参数优化的金纳米颗粒的SEM图像,其平均粒径为57 nm。

图 2. 三维SERS基底制备及SERS光谱采集流程图

Fig. 2. Flow chart of preparation of 3D SERS substrates and spectra collection of SERS

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图 3. 三维SERS基底的SEM图像。(a)空白GMA-EDMA多孔材料;(b)吸附金纳米颗粒的GMA-EDMA多孔材料

Fig. 3. SEM images of 3D SERS substrates. (a) Blank GMA-EDMA porous material; (b) Au-nanoparticle-absorbed GMA-EDMA porous material

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图 4. 两种不同基底下1×10-7 mol·L-1芘溶液的SERS光谱

Fig. 4. SERS spectra of pyrene solution (1×10-7 mol·L-1) obtained with two different substrates

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图4所示是以芘溶液(1×10^-7 mol·L^-1)为探针分子,按照第2.2.3节中描述的实验方法,分别考察了三维SERS基底以及参数优化的金溶胶体系的增强效果。相比pH=13的金溶胶体系,采用三维SERS基底,芘位于590,1060,1237,1400,1615 cm^-1等处特征峰的SERS信号强度皆有明显增强,提高幅度约为10倍;与未调pH值的金溶胶基底相比,增强效果有2~3个数量级的提高^[7]。原因可能有两个:一方面,GMA-EDMA多孔材料具有丰富并且可控的三维孔结构,可以使吸附了PAHs分子的金纳米颗粒最大程度地滞留在深度大约为1 mm的多孔材料表面,相比金溶胶体系,单位探测体积内的金纳米颗粒密度大大增加,有效缩小了颗粒间间距,调节了金纳米颗粒在空间位置上的耦合作用,从而形成更多的拉曼信号“热点”^[18];另一方面,OH^-1的加入使得金纳米粒子聚集,同时使更多的PAHs络合到金纳米粒子表面^[7,19-20], SERS增强效果得到进一步提高。利用同时制备的9组三维SERS基底对1×10^-7 mol·L^-1的芘溶液进行探测,结果如图4插图所示,其中虚线为9组探测结果的平均值,每个点上的误差条为每组基底上随机选取的5个点的探测结果的标准偏差。以芘溶液最明显的特征峰590 cm^-1为例,同一SERS基底上不同探测点峰强的相对标准偏差(RSD)在4.78%~9.27%范围内,不同SERS基底的RSD为2.05%。由此可见,在此三维SERS基底上,探测物SERS强度的RSD较低,说明其对PAHs的探测具有较好的重复性。

3.2 PAHs的SERS光谱分析

进行SERS光谱探测时,每个样品随机取5个点进行探测并将结果取平均值,积分时间统一为10 s。使用Origin8.1软件对SERS光谱数据进行减基线等处理。

采用三维SERS基底对不同浓度的菲、芘、苯并(k)荧蒽进行了SERS光谱探测,菲、芘、苯并(k)荧蒽的浓度范围分别为1×10^-9~2×10^-7 mol·L^-1、2×10^-10~5×10^-8 mol·L^-1、1×10^-9~5×10^-8 mol·L^-1。

3.2.1 菲的SERS光谱分析

图5所示为空白三维SERS基底、固体菲的拉曼光谱以及不同浓度菲溶液的SERS光谱。通过空白三维SERS基底与固体菲拉曼光谱的对比可以看出,基底除1200 cm^-1处的峰外,其余拉曼峰位与菲的拉曼峰位并无重叠,不影响菲的SERS光谱探测。利用该SERS基底对菲溶液进行探测,可以探测到12个特征峰,分别位于406,544,707,826,1035,1145,1200,1240,1351,1432,1579,1608 cm^-1,其主要拉曼峰的峰位归属见表1^[21]。与菲固体的拉曼光谱相比,菲溶液的SERS光谱存在12 cm^-1以内的频移,特征峰的相对强度也有所改变,这可能是由于金纳米颗粒与吸附在其表面的菲分子发生了电荷转移^[22]。当菲溶液的浓度低至2×10^-9 mol·L^-1时,仍可以较清晰地分辨位于707 cm^-1处的特征峰,图5插图所示为菲在707 cm^-1处的特征峰放大3.5倍的光谱图。为了进一步对菲溶液进行定量分析,选取707 cm^-1与1351 cm^-1两处特征峰,其峰强与溶液浓度的关系曲线如图6所示,其中误差条均为标准偏差。随着浓度的增加,其特征峰的强度也在增加,但当浓度高于5×10^-8 mol·L^-1时,峰强随浓度的增加趋于缓慢。对菲溶液在低浓度范围内(低于5×10^-8 mol·L^-1)位于707 cm^-1和1351 cm^-1处的峰强与浓度间的关系进行线性拟合,如图6插图所示,线性相关系数分别为0.995和0.994,线性关系良好,其拟合方程及线性相关系数见表2,其中I为拉曼峰强度,C为浓度。检测限的计算公式^[23]为

LLOD=3σk,(1)

式中σ为多次测得的空白SERS基底的标准偏差,k为线性拟合曲线的斜率。以707 cm^-1为例,经(1)式计算得到菲溶液的检测限为9.0×10^-10 mol·L^-1。

图 5. 不同浓度菲溶液SERS光谱及菲固体拉曼光谱

Fig. 5. Raman spectra of solid phenanthrene and SERS spectra of phenanthrene solutions with different concentrations

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图 6. 菲溶液在707 cm-1和1351 cm-1处的拉曼峰强与浓度间的关系曲线

Fig. 6. Relationship between Raman intensity at 707 cm-1 and 1351 cm-1 and concentration of phenanthrene solution

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3.2.2 芘的SERS光谱分析

图7所示为空白SERS基底、芘固体的拉曼光谱及在三维SERS基底上不同浓度芘溶液的SERS光谱。可以看出,空白SERS基底的拉曼信号对芘的探测未造成影响。由于探测物分子与金纳米颗粒间的电荷转移,芘溶液的SERS特征峰较其固体拉曼峰位存在最多11 cm^-1的频移,特征峰的相对强度也有所改变,其主要特征峰的归属见表1^[24]。当芘溶液浓度低至3×10^-10 mol·L^-1时,仍能较清晰地分辨出590 cm^-1处的特征峰,如图7所示,其中插图为芘在590 cm^-1处的特征峰放大3.5倍的光谱图。进一步对芘溶液进行定量分析,芘位于590 cm^-1和1237 cm^-1处的特征峰峰强与浓度间的关系曲线如图8所示,在低浓度范围内(低于1×10^-8 mol·L^-1),对其特征峰强度与浓度间的关系进行线性拟合,发现线性相关性较好,其拟合方程及线性相关系数见表2。以芘位于590 cm^-1的特征峰为例,根据(1)式得到芘的检测限为2.3×10^-10 mol·L^-1。

图 7. 不同浓度芘溶液SERS光谱及芘固体拉曼光谱

Fig. 7. Raman spectra of solid pyrene and SERS spectra of pyrene solutions with different concentrations

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图 8. 芘溶液在590 cm-1和1237 cm-1处的拉曼峰强与浓度间的关系曲线

Fig. 8. Relationship between Raman intensity at 590 cm-1 and 1237 cm-1 and concentration of pyrene solution

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3.2.3 苯并(k)荧蒽的SERS光谱分析

图9所示为空白SERS基底、苯并(k)荧蒽固体及三维SERS基底上的不同浓度苯并(k)荧蒽溶液的SERS光谱。苯并(k)荧蒽溶液的SERS特征峰较其固体拉曼峰位存在最多13 cm^-1的频移,其主要特征峰的归属见表1^[25]。当苯并(k)荧蒽浓度低至2×10^-9 mol·L^-1时,仍能清晰地分辨出664 cm^-1处的特征峰,如图9所示,其中插图为苯并(k)荧蒽在664 cm^-1处的特征峰放大2倍的光谱图。对苯并(k)荧蒽进行定量分析,苯并(k)荧蒽位于548 cm^-1和664 cm^-1处的特征峰强度与浓度间的关系曲线如图10所示,在低浓度范围内(低于2×10^-8 mol·L^-1),对其特征峰强度与浓度间的关系进行线性拟合,发现线性相关性较好,其拟合方程及线性相关系数见表2。根据(1)式对苯并(k)荧蒽位于664 cm^-1的特征峰进行计算,得到检测限为5.9×10^-10 mol·L^-1。

图 9. 不同浓度苯并(k)荧蒽溶液SERS光谱及苯并(k)荧蒽固体拉曼光谱

Fig. 9. SERS spectra of benzo(k) fluoranthene solutions with different concentrations and Raman spectra of solid benzo(k) fluoranthene

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图 10. 苯并(k)荧蒽溶液在548 cm-1和664 cm-1处的拉曼峰强与浓度间的关系曲线

Fig. 10. Relationship between Raman intensity at 548 cm-1 and 664 cm-1 and concentration of benzo(k) fluoranthene

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3.2.4 PAHs混合液的SERS光谱分析

为了进一步研究PAHs中各物质之间的相互作用对SERS探测的影响,对浓度均为1×10^-8 mol·L^-1的芘、菲、苯并(k)荧蒽三种物质的标准溶液及该三种PAHs混合液(各物质浓度均为1×10^-8 mol·L^-1)进行了探测,其光谱图如图11所示。可以看出,在浓度均为1×10^-8 mol·L^-1的菲、芘、苯并(k)荧蒽三种物质混合液中,虽然406,548,1233,1355,1437,1608 cm^-1左右处的特征峰有重叠,但这三种物质均能被识别。从图11还可以看出,相比于芘、菲、苯并(k)荧蒽各单品的标准溶液,混合溶液中各物质的特征峰皆有所下降,这是由各物质间的相互竞争吸附引起的。因此要实现PAHs混合液的定量检测,需要更精确的定量分析方法。

图 11. 浓度均为1×10-8mol·L-1的苯并(k)荧蒽、芘、菲以及该三种物质的混合溶液的SERS光谱

Fig. 11. SERS spectra of benzo(k) fluoranthene, pyrene, phenanthrene with same concentration of 1×10-8 mol·L-1 and mixture of these three substances

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菲和芘的检测限分别为9.0×10^-10 mol·L^-1和2.3×10^-10 mol·L^-1,相比于文献[ 10],这两种多环芳烃的检测限约有三个数量级的提高,这表明就增强效果而言,除了GMA-EDMA的三维骨架可以改善增强效果,pH值的作用也是至关重要的。

4 结论

使用便携式拉曼光谱仪,在785 nm近红外激发条件下,以GMA-EDMA多孔材料为三维骨架,结合可紧密络合大量PAHs分子的pH=13的金纳米颗粒,形成了高灵敏度三维SERS活性基底,进而实现了水中痕量菲、芘、苯并(k)荧蒽的SERS光谱探测。使用该三维SERS基底,样品添加时间仅需2 min,方便快捷,相较于仅用参数优化的金溶胶体系作为SERS基底,信号增强幅度近一个数量级,且在同一SERS基底上,探测相对标准偏差在4.78%~9.27%之间,不同基底间的RSD为2.05%,具有良好的重复性。同时,应用该三维SESR活性基底对菲、芘、苯并(k)荧蒽进行了定量分析,在低浓度范围内,其特征峰强度与浓度之间具有较好的线性关系,得到它们的检测限分别为9.0×10^-10,2.3×10^-10, 5.9×10^-10 mol·L^-1。研究表明,基于GMA-EDMA多孔材料的三维SERS基底,能够实现水中PAHs的高灵敏度快速探测,为环境中PAHs的实时、现场检测提供了参考。