光谱仪应用之环境监测 | 表面增强拉曼光谱检测环境污染物的研究

指纹式识别：拉曼光谱给出独有的振动指纹，可同步完成判定和含量估计，避免传统方法常见的交叉反应或假阳性。

较高的检测灵敏度：结合了SERS技术后，其检测灵敏度得到极大提升，这种高灵敏度确保了检测结果的准确性和可靠性。

大气颗粒物,也称为大气气溶胶,指悬浮在空气中的微小颗粒,包括可见的灰尘、烟雾以及更小的细颗粒物,如PM2.5和PM10。气溶胶粒子的大小、形状和化学成分影响其健康和环境效应。由于这些参数在空间和时间尺度上变化很大,使得大气气溶胶很难被量化和识别。SERS由贵金属纳米颗粒中的LSPR产生,其高灵敏性允许其对气溶胶颗粒中的痕量物质进行检测。Craig等首次使用SERS测定气溶胶颗粒中的有机和无机物质。将AgNPs滴涂在石英基底上,采用532nm激光采集大气粒子撞击镀银石英基底的SERS光谱。结果表明,单个亚微米颗粒(低至0.6μm)的SERS光谱显示出丰富的振动频率,该粒子中近31%的振动模式增强了10倍,最高EF为72。Dong等利用铜和银合金的球段空穴(Spheresegmentvoid,SSV)结构合成了一种用于检测单个大气气溶胶粒子的新型SERS基底。该基底的SSV结构可产生高密度的SERS热点(1.3×1014/cm2),使被激发的硫酸盐气溶胶拉曼信号大大增强(>50倍)。SERS可对与光学或电动力阱隔离的气溶胶粒子进行测量,也可以定期对沉积在基板上的颗粒进行测量。Tirella等合成了一种银箔基底,将SERS检测的相关粒径降低到150nm等在金纳米环上直接检测到单个大气气溶胶粒子。由于表面偶极模的耦合,EF可以通过改变纳米腔的深度来调节。笔者课题组之前的研究从实验和理论上探究了Ag箔对单个大气粒子的SERS效应(图1(a))。在重雾霾天气收集空气动力学直径为0.4~2.5μm的气溶胶颗粒,识别其中的烟灰及硫酸盐和硝酸盐等化学成分。如图1(b)所示,979cm?1处的峰值归于SO42-的振动,主要以(NH4)?SO?的形式出现。1045和1051cm?1处的两个峰归因于NH4NO?、Ca(NO?)或KNO的振动。明显的G波段和D波段反映了烟尘颗粒的纳米结晶顺序。Wei等利用SERS测量了磷酸盐缓冲液中气溶胶液滴的pH分布。首先,在商用雾化器中,含有pH纳米探针(2×1010 particles·mL?1)的磷酸盐缓冲溶液生成微液滴,将液滴收集在经聚二甲基硅氧烷处理的SiO2纳米粒子涂覆的PVDF过滤器上,产生超疏水表面;然后将过滤器置于加湿的房间内。该方法测得液滴芯的pH比本体溶液高3.6个pH单位,局部[H?]减少了10??mol/L,这对中性到碱性气溶胶非常重要。

图1(a)基于粒径分馏分析测量单个PM2.5气溶胶粒子的SERS策略;(b)随机选取50个点的气溶胶在银箔上的SERS光谱

SERS传感器已在环境监测、食品分析和医疗诊断等众多领域引起了人们的极大兴趣。由于经济的不断扩张以及空气和水质标准的不断收紧,环境污染物的污染水平不断上升,促进了对新型SERS传感器的持续需求。本文可以使用上海如海光电RMS3000拉曼光谱仪通过SERS光谱技术实现在大气颗粒物的痕量检测中的研究进展。这些研究成果促进了SERS技术在实际样品检测中的应用。

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