表面等离子体共振技术在环境污染物监测中的应用研究

刘小桃（郴州市环境监测站，湖南 郴州 423000）



表面等离子体共振技术在环境污染物监测中的应用研究

刘小桃（郴州市环境监测站，湖南 郴州 423000）

表面等离子体共振（SPR）技术是一项新型的、具有高灵敏度的生物传感技术，该技术对于酚类、农药、毒素、重金属以及多种有机、无机物等环境污染物的监测，具有重要的应用价值。本文结合SPR技术的基本原理，探讨了该技术在环境污染物分析监测中的实际应用，以供参考。

表面等离子体；共振技术；环境污染

1　引言

表面等离子体共振（SPR）传感技术以其具有的高灵敏度、所需待测样品少、响应速度快等优势，广泛应用于多个领域。传统SPR技术主要利用的是光振幅、共振角度以及共振波长等信息检测，从而实现折射率的传感。而随着SPR技术的发展，在环境污染物生物的检测工作中，发挥了巨大的作用。

2　表面等离子体共振技术概述

2.1表面等离子体共振

表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）是一种发生在金属与电介质界而的物理光学现象，对附着在金属表面的电介质折射率非常敏感，可以实时确定介质的折射率变化，从而检测出现不同折射率的相应物质（见图1）。SPR技术根据其检测方式的不同，可分成波长调制、相位调制、强度调制和角度调制等多种类型：①相位调制，是通过建立共振相位与折射率关系的方式，分析共振相位变化，进而得到被测物质的折射率，其检测装置较为复杂，分析结果困难，技术并不成熟；②强度调制，是通过改变入射光强，分析光强度变化，从而获得折射率变化状况实现监测，该技术系统的抗干扰性较差，检测灵敏度偏低；③波长调制，是当光的入射角度一定时，通过改变入射光的波长，分析SPR反射率和波长之间的关系，从而得出折射率；④角度调制是指固定的入射波长，分析SPR角度与反射率之间的关系，从而获得待测样品折射率值。波长和角度调制都能获得较高的精度，技术成熟，应用较多。

图1　SPR传感原理示意图

2.2表面等离子体共振原理

存在于金属表面的自由电子，处于入射光的激励下，会发生集体的振荡，从而产生了表面等离子体激元（SPPs），在金属介质的表面进行传播的常量可用以下公式表示：

式中：ω为角频率；εm为金属介电常数；εd为介质的介电常数；c为真空中光的传播速度；λ为真空中光的波长。

表面等离子激元将沿金属的表面传播，最终形成表面等离子波（SPW），以棱镜耦合角度的调制型SPR传感器为例（见图2），其表面金属膜的厚度约为数10nm，当一束光照射到棱镜的表面上，然后发生反射，生成倏逝波，该波将与金属介质表面存在的等离子体激元，发生相互作用，调整光的入射角，从而使倏逝波传播常数与SPW传播常数相同，公式如下：

式中：θ为入射角；np为棱镜折射率；βSP为表面等离子体激元传播常数。

光波导同样能够激发SPR现象，当光在波导中进行传播，通过表面覆盖的金属层区域，倏逝波会穿透金属薄层，若其表面的SPW相位和光波导模式相位一致，则激发出的SPR现象中，常量计算如下式：

式中：βmode是波导模式传播常量。

除了棱镜祸合和波导祸合外，光栅祸合同样可以激发SPR现象，条件是某一阶衍射光的波矢在金属价质表面方向的分量与SPW的波矢相等，即：

式中：m是一个整数，表示衍射级次；∧表示光栅周期。

图2　SPR棱镜传感技术原理示意图

3　SPR技术在环境监测中的应用

3.1有机污染物监测

3.1.1多环芳烃类监测

有机污染物中的多环芳烃监测，可采用SPR测定方法，其重点在于研究测定水中的苯并芘（BaP）。其监测原理是将BaP和牛血清白蛋白（BSA）共聚物（BaP-BSA）利用物理吸附原理，固定其芯片金膜的表面，将BaP-BSA抗体和BaP-BSA相结合，从而抑制溶液中存在的BaP。凭借免疫竞争学，可迅速对样品中浓度达到0.01～1000μg/L的BaP实施测定，芯片表面会通过胃蛋白酶溶液实现再生，重复使用20次，且不会出现明显影响。运用SPR技术监测苯并芘BaP和2-轻基联苯，其监测限能够达到0.01～300μg/L和0.01～1000μg/L。

3.1.2烷烃、芳香族化合物监测

SPR技术还可用于测定环境中存在的烷烃和芳香族化合物，通常情况下采用的是一种选择性的低级烷烃测定方法，在金属表面涂覆异戊二烯橡胶薄膜，并将其暴露于低级烷烃气体中，从而观察到共振信号的变化，达到定量测定烷烃浓度的目的。

在芳香烃的检测方面，最近也有人采用聚合物作敏感膜材料。采用的是旋涂方法，来制备聚甲基丙烯酸脂（PMMA）敏感膜。该敏感膜的特点在于对苯的响应很快，灵敏度较高，且具有良好的可逆性，对于苯类污染物有良好的选择性，因而适用于苯类物质的检测。此外，还可以运用聚［3-C6一甲氧基己基）曝吩］CP60ME）的衍生物当做敏感膜，适用的检测对象包括苯、甲苯、环己烷和二甲苯等。该薄膜对于上述气体的响应时问均在5s以内，其灵敏度以无极化苯灵敏度为最高。

3.1.3酚类监测

酚类化合物是一种对人体具有较大危害的污染物，具有较高的毒性，而应用SPR技术同样可以对酚类化合物进行监测。监测通过合成一系列酚类化合物受体分子，作为SPR的分析配体，这些配体可用于废水中的酚类化合物检测。可以选用合适的SPR传感器，对4-壬基酚方法进行快速分析，并运用单克隆抗体，获取其检测限是2μg/L，相较于多克隆抗体，其灵敏度高出一个数量级，该方法适用于贝类样品中的壬基酚含量监测。

3.1.4农药和杀虫剂监测

SPR传感芯片上的固定识别分子要求具备高度的专一性，即在结构上存在特异结合位点，只能与特定的生物分子产生相互作用。因此，只要能与农药的特异性相结合的物质，均可以采用SPR技术进行农药残留监测。应用于农药检测的SPR传感芯片的识别分子有多种，下面以抗体为例。

抗体作为传感芯片的识别分子，通常以农药、及其衍生物当做抗原物质。早在1993年，便出现该监测方法，是将衍生物固定于传感器的表面，将抗体与含有除草剂的样品进行混合，当抗体与固定在传感器表面的抗体衍生物反应时，SPR响应信号的强度随着样品浓度的不同而发生改变。最低检测限为0.05ng/mL，分析时间是15min。

3.2无机污染物监测

3.2.1重金属离子监测

重金属免疫检测技术，主要是通过制备抗不同重金属鳌合物的单克隆抗体，从而建立起相应的SPR免疫检测技术。例如一种选择性测定水体二价汞离子的SPR方法，是将1，6-二硫醇用于在金的表面，构成自组装膜芯片，如果该芯片暴露于含汞离子的水样中，汞离子将与芯片作用，在0.001～1.0mmol/L范围内出现有线性。存在于聚毗咯膜键合溶液中的汞离子，当相应芯片单独用于测定汞离子时，其线性范围在0.1～10g/L之间；而如果在汞离子和芯片结合之后，再在载流中添入2-merca-ptobenzothiazole，检测下限将会降低至10μg/L。

3.2.2大气污染物的检测

测定大气污染物的SPR检测方法也逐渐发展起来，例如对NO2的测定，根据SPR技术的基本原理，常用的敏感膜材料包括：酞著及其衍生物、叶琳及其衍生物、Au和Ag等。此外仪器结构的设计和制膜方法等也会对检测结果有显著影响。

首先使用Kretschmann型棱镜祸合式SPR装置 （光源为He/Ne激光器，λ=632.8nm）分别研究了以酞著硅（SiPc）和酞著铜（CuPc）的LB膜，来监测NO2气体响应状况。前期可采用SiPc作为敏感膜材料，可用于监测 NO2气体，由于 NO2和Ag基底会相互作用，因而会导致共振角不可逆偏移。在后期阶段，可采用CuPc作为敏感膜材料，对前期工作进行改善，在Ag表面覆盖Ni保护层，以阻断Ag与NO2之间的接触，从而消除因为NO2与Ag的相互作用，导致共振角出现不可逆的偏移。

3.3微生物及病原体监测

当前的大多数微生物检测，仍然采用的是生物学、生物化学手段，但研究表明，SPR技术在这一领域的应用已经有研究进展。将蛋白质G固定在11-硫醇修饰的金表面，然后在蛋白质G上固定大肠杆菌、沙门氏菌、军团菌和革兰氏阴性细菌等四类微生物的单克隆抗体，成功的将SPR技术应用于上述四类细菌的检测，检测限约为105CFU/mL。将样品溶液与革兰氏阳性细菌的多克隆抗体一起孵化一段时间，阶梯式的离心分离未结合抗体，使其能够通过键合有抗-Fab配体的芯片表面，其检测限是1×105cells/mL。而对于沙门氏菌属B、D和E 的SPR测定方法，其检测限通常可达到107CFU/mL。

4　结语

SPR技术以其突出的优越性，为环境中的污染物监测提供了一种崭新的手段。由于SPR技术具有高灵敏度，使大量痕量气体成分、小微粒的监测难题得到了解决。SPR技术不断发展，逐渐具备了安全、可靠和灵敏度高的重要优势，在有毒气体的报警、环境有害气体监测方面，开始发挥越来越重要的作用，为常规的工业生产、人们日常生活智能化以及绿色化，做出了积极的贡献。

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刘小桃（1983-），女，工程师，硕士研究生，主要从事环境监测及质量管理工作。

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2095-2066（2016）09-0019-02

2016-3-8