光谱仪应用之环境监测 | 水产养殖中快速灵敏检测药物污染物

在水产养殖行业中，抗生素和消毒剂的使用已成为一把双刃剑。一方面，它们保障了水产品的产量和质量；另一方面，废水中的药物残留正悄然威胁着生态环境和人类健康。喹诺酮类抗生素（如氟罗沙星、左氧氟沙星、培氟沙星）、磺胺类（如磺胺嘧啶）以及亚甲基蓝、孔雀石绿等消毒剂，因其难以降解的特性，在水体中长期积累，可能导致细菌耐药性增强，甚至通过食物链进入人体。

传统的检测方法如高效液相色谱（HPLC）、液相色谱-质谱联用（LC-MS/MS）虽然精度高，但存在设备昂贵、操作复杂、样品前处理繁琐、检测周期长等致命缺陷。在这样的背景下，一种能够快速、灵敏、低成本检测污染物的技术应运而生——这就是表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）技术，其核心设备正是拉曼光谱仪。

拉曼光谱仪凭借快速、无损、灵敏度高、无需复杂前处理的优势，成为理想选择。但普通拉曼信号太弱，难以检测痕量残留。于是研究团队另辟蹊径：用表面增强拉曼光谱（SERS） 技术，把信号“放大百万倍”，再搭配拉曼光谱仪，实现养殖水中药物污染物的超痕量、快速、精准识别。

拉曼光谱仪的工作原理基于拉曼散射效应。当单色激光照射到样品上时，大部分光子会发生弹性散射（瑞利散射），波长保持不变；但约百万分之一的光子会与分子发生能量交换，导致散射光的波长发生改变——这就是非弹性散射，即拉曼散射。

这种波长变化（拉曼位移）对应着分子特定的振动模式，如同人类的指纹一样独一无二。通过分析拉曼光谱，我们可以获得分子的结构信息、化学键类型、官能团特征等关键数据。

普通拉曼散射的信号极其微弱，这极大限制了检测灵敏度。1974年，科学家发现当分子吸附在粗糙的金属表面（如银、金纳米结构）时，拉曼信号可增强10?–101?倍，这就是SERS效应。其增强机制主要来自两方面：

• 电磁增强机制：金属纳米结构在激光照射下产生局域表面等离子体共振（LSPR），在"热点"（hot-spots）区域形成极强的局域电磁场

• 化学增强机制：分子与金属表面之间的电荷转移

Zixi Huang团队的研究中，研究人员创新性地采用铝箔基底银枝晶（AlF SERS substrate）作为增强基底，通过简单的电化学置换反应（galvanic replacement），在10秒内即可在铝箔表面生长出密集的银枝晶结构。这些银枝晶具有复杂的三维分支形态，能够产生大量"热点"，使拉曼信号增强约68倍，增强因子高达4.2×10?。

1.研究采用785nm激发波长的光纤式拉曼光谱仪，这是现场快速检测的主流配置：

• 激发光源：785nm激光，功率500mW，荧光干扰小、对样品损伤低；

• 信号采集：单次采集3–5秒，重复累加2 次，几分钟就能得到一张稳定光谱；

• 校准：用乙腈381cm?1、920cm?1特征峰校准波数，保证数据准确；

• 数据预处理：自动扣除暗电流、基线校正、平滑、归一化，排除噪声干扰。

2.关键“放大器”：铝箔基SERS基底（让弱信号变强）

普通拉曼测不到10??mol/L级别的痕量物质，必须靠SERS基底放大信号。研究团队用简易置换法在铝箔上生长银枝晶：

• 铝箔经去离子水清洗，浸入HF+硝酸银溶液 10秒；

• 铝还原银离子，在表面形成三维枝晶结构，制造大量电磁“热点”；

• 全程无需有机溶剂、单张基底制备＜1分钟，成本极低、可批量生产。

这个基底能让拉曼信号增强约68倍，增强因子高达4.2×10?，让拉曼光谱仪轻松捕捉极微量分子信号。

3.标准拉曼测试流程

(1)配制梯度浓度标准液（10??–10?? mol/L），模拟不同污染水平；

(2)SERS基底浸入待测液10分钟，让目标分子吸附到银枝晶“热点”上；

(3)放入拉曼光谱仪采集光谱，记录特征峰位置与强度；

(4)对实际养殖水：0.45μm滤膜简单过滤，直接加标检测，无需复杂提纯。

4.数据处理

原始光谱需经过暗电流扣除、空白校正、基线平滑、归一化等预处理，再用Voigt函数（高斯与洛伦兹卷积）进行光谱解卷积，提取特征峰位置（如孔雀石绿的1617cm?1对应苯环C-C伸缩振动），为后续机器学习提供“分子指纹”。

图1 柔性AlF SERS基底的制备方法及其在抗生素和消毒剂残留检测中的应用

研究首先对比了不同基底材料对拉曼信号的增强效果，用拉曼光谱仪检测铝箔、铜片、锌片负载银枝晶后对氟罗沙星的响应，结果显示铝箔基底的拉曼信号远高于铜片与锌片，最优基底确定为铝箔。以亚甲基蓝为目标物，用拉曼光谱仪对比空白铝箔与AlF-SERS基底的信号强度，结果显示SERS基底可使拉曼信号增强约68倍，计算得到增强因子高达4.2×10?，充分验证银枝晶结构的拉曼增强能力。同时用拉曼光谱仪对比银枝晶与银纳米颗粒修饰铝箔的拉曼性能，在446cm?1、1395cm?1、1621cm?1特征峰处，银枝晶的拉曼强度均显著更高，三维枝晶结构更利于产生“热点”。

图2(a)采用不同材料制备的AlF SERS基底上获得的PELX拉曼光谱。(b)MB在AlF SERS基底上的拉曼光谱与空白AlF SERS基底及AlF的对比。(c)采用银树枝状结构和纳米颗粒的SERS基底上获得的MB拉曼光谱及(d)446cm?1、1395cm?1和1621cm?1处的特征峰。

通过拉曼光谱仪测试不同硝酸银浓度制备的基底，发现浓度为0.02mol/L时，亚甲基蓝 446cm?1特征峰强度最高，拉曼增强效果最优。优化目标物浸泡时间时，用拉曼光谱仪监测氟罗沙星信号随时间的变化，结果显示浸泡 10分钟后峰强度达到最大并保持稳定，确定为最优吸附时间。

图3(a，b)MB的拉曼光谱及其特征峰在446 cm?1处随硝酸银浓度变化的趋势。(c，d)FlE的浸泡时间与表面增强拉曼散射（SERS）强度之间的关系。

探究温度影响时，拉曼光谱仪检测不同温度下的氟罗沙星光谱，40℃时信号强度最高，温度过高会导致药物降解、拉曼信号下降。基底重复性测试中，拉曼光谱仪对10次独立制备的基底进行检测，高浓度氟罗沙星RSD为 2.63%，低浓度RSD为9.60%，重复性满足定量检测要求。长期稳定性实验显示，SERS 基底常温放置30天后，拉曼光谱仪检测的氟罗沙星特征峰强度无明显衰减，基底稳定性优异。

图4(a)使用AlF SERS基底在不同温度下获得的FlE在1384cm?1处的拉曼光谱，以及(b)相应的拉曼强度直方图。(c)对相同浓度FlE进行测试的多次制备AlF SERS基底的拉曼光谱。(d)FlE在AlF SERS基底上高浓度（1×10??mol/L）和低浓度（1×10??mol/L）条件下的拉曼强度重复性。(e) 不同储存时间下FlE在AlF SERS基底上的拉曼光谱，以及(f)1384cm?1处的峰强度直方图。

定量检测中，拉曼光谱仪采集梯度浓度磺胺嘧啶光谱，1595cm?1峰强度与浓度对数呈良好线性关系，R2=0.997，检出限低至1×10?? mol/L。亚甲基蓝在446cm?1处的特征峰同样呈现良好线性，R2=0.9604，可实现超痕量定量。孔雀石绿1617cm?1特征峰强度与浓度线性关系良好，R2=0.952，检出限达 1×10??mol/L。

图5(a，b)峰强度与SD浓度之间的线性关系及从AlF SERS基底获得的相应SERS光谱。(c，d) 峰强度与MB浓度之间的线性关系及从AlF SERS基底获得的相应SERS光谱。(e，f)峰强度与MG浓度之间的线性关系，以及从AlF SERS基底获得的相应SERS光谱。

采用Voigt函数对拉曼光谱进行峰去卷积，成功拆分纯物质与混合物的重叠峰，明确磺胺嘧啶、亚甲基蓝、孔雀石绿的特征指纹峰归属。

图6 拉曼光谱高斯-洛伦兹解卷积谱带及各特征峰分子振动模式的拉曼位移

对单组分及二元、三元混合样品的拉曼光谱进行PCA聚类分析，单一组分可清晰区分，但混合物光谱出现重叠，仅靠PCA无法实现精准识别

图7(a)基于前两个主成分（PC-1和PC-2）的主成分分析（PCA）聚类图，用于对MB、SD和MG分子的SERS光谱进行聚类分析。(b)基于前两个主成分（PC-1和PC-2）的主成分分析（PCA）聚类图，用于对MB、SD、MG、SD-MG、SD-MB、MG-MB和SD-MG-MB分子的SERS光谱进行聚类分析。

实际养殖水加标测试中，拉曼光谱仪检测氟罗沙星、左氧氟沙星、培氟沙星的加标回收率为 82.83%–116.34%，RSD低于9.46%，在复杂水体中仍保持准确可靠。

通过由如海光电提供的拉曼光谱仪的测试，研究团队证实：

• AlF SERS基底制备简单（＜1分钟）、成本低（铝箔+AgNO?）、信号强（EF=4.2×10?），解决了传统SERS基底“难制备、不稳定”的痛点；

• 拉曼光谱+深度学习（多层感知机MLP）可准确识别单一物质及混合物（如磺胺嘧啶-亚甲基蓝-孔雀石绿三元混合），准确率97.8%；

• 实际养殖废水检测中，加标回收率82.8%-116.3%（RSD＜9.5%），且氨氮干扰（2-5mg/L）不影响识别结果，验证了方法的鲁棒性。

• 食品安全：肉类抗生素、果蔬农残、水产品违禁添加物、奶粉真伪、食用油品质；

• 环境监测：水体微塑料、重金属、药物残留、土壤污染物；

• 医药化工：原料纯度、晶型鉴别、假药筛查；

• 生命科学：细胞成分、生物分子无标记检测；

• 司法鉴定：毒品、爆炸物、纤维、油墨快速识别。

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