拉曼光谱技术在水质智能传感中的应用

张溢凡，于江涛，鲁乾荣

(中国人民解放军93575部队，河北 承德 067000)

0 引言

当前，全球环境污染事件时有发生，恐怖袭击没有根除，全球饮用水安全总体形势不容乐观，我国饮水安全问题突出，全球各国都面临维护水源及饮用水安全的复杂艰巨任务，灾害环境中饮用水安全监测问题突出。

据报道，我国75%以上的水源被污染[1-3]，水污染物种类繁多，有生物性污染物(微生物)、无机化学污染物、有机化学污染物和放射性污染物等；仅促癌及致突变污染物就有百余种[4-6]，这些污染物会对人体健康造成严重危害。近年来，在水污染中发现了多种有强致癌性质的新型含氮和含碘消毒副产物[7-9]。当灾害发生后，沟塘、河溪等地表水会有严重无机污染，而救灾中又常用超氯化物消毒，各种有害副产物含量会更高。生物污染物是一类特殊的水污染物，例如一种经水传播的腹泻疾病隐孢子虫病，会严重威胁污染区域人群健康。美国一些地区生物性水污染调查显示，在地表水中检出隐孢子虫卵的概率高达65%～97%，国内一些地区地表水中也检测出隐孢子虫卵[10-11]。此外，放射性污染也在威胁着人类的生存和健康。日本福岛2011年发生里氏9.0级地震，严重损坏坐落在福岛县的两座核电站反应堆，使其发生爆炸，爆炸导致核物质泄漏，产生严重放射性污染。辐射性物质通过风传播到了中国大陆、中国台湾、俄罗斯等地区。战争环境下，交战双方会将水源和饮水设施作为战略目标，水源和供水设施可能会遭到直接破坏，甚至遭受核、生、化污染，造成严重水安全危机。饮用水安全，不论是和平时期，还是战争时期，都是保障国民在各种突发灾害事件中生命支持系统正常运转的基础。高效准确的饮水安全监测能力，不论是在和平时期，还是在战争时期，都是维护国家安全的重要保障。

1 我国缺乏先进智能饮水安全监测装备

经历过多次恐怖袭击后，美国对饮水安全智能监测十分重视，大力研制新型信息化、自动化和智能化饮水安全监测装备，并已经开始实际应用。在饮水安全监测系统建设方面，美国已经建成了一套完善的三级水质监测系统[12]，能够有效监控恶意投毒和事故性饮用水污染等情况。

美国在饮水安全监测系统信息化、智能化方面也非常重视，完成了非常完备的相关专业数据库建设，整合了与水污染相关的化学、生物、环境科学、能源、工业和社会等领域的信息库，可以通过交叉学科大数据分析，快速预警和评估污染事故，为水源和供水设施及时采取保护措施提供准确情报[l3]。

在饮水安全现场快速监测智能装备领域，美国陆军环境卫生研究中心成功开发了手提式有毒化学物质智能检测装置。该智能设备可在30 min内完成有毒物质检测，检测灵敏度可达ppm级别；该中心还开发出用于野战环境条件下的水中化学和微生物污染快速检测便携式设备，该设备能在4 h内检测水中各种化学污染物和微生物污染物[l4]。

中国现有的饮水安全现场快速检测技术和装备尚不能达到国际先进水平，迫切需要开放研制快速监测智能装备，提高水质监测设备智能化、集成化、信息化水平，适应各种特殊、恶劣或未知环境灾害条件下的应急救援要求，提升现有的饮水安全现场快速检测技术和装备水平。

2 拉曼光谱技术的发展现状

1928年，印度物理学家CV Raman发现了拉曼散射效应，拉曼光谱作为一种鉴定物质结构的分析测试手段被广泛应用。拉曼光谱是用激光照射样品，样品物质分子受激后发出散射光，通过光谱测量探测到与入射光频率不同的拉曼散射光频率和强度，对拉曼光谱信号进行分析识别，判断被检测物质的分子振动、转动方面的分子结构信息。拉曼光谱是分子振动结构的表征，称为“分子指纹”。拉曼光谱具有无需制备样品，原位无损快速检测，可直接检测水溶液等优势，在化学化工、生命科学、医药学、环境污染和公安技侦查等领域得到了广泛应用，但在水质分析中的应用研究还在探索中[15]。

拉曼散射效应如图1所示，假设激光照射物的分子原来处于电子基态，用频率为V0的激光照射物质样品，当外来光子入射到分子时，分子吸收一个光子能量hV0后跃迁到一个实际上不存在的虚能级发生虚的吸收，虚能级上的电子立即跃迁到下能级，并立即回到原来所处的基态而重新发射光子hV0，这是瑞利散射。如果分子跃迁到虚能级不回到原来所处基态，而落到另一较高能级发射光子，其能量为h(V0-ΔV)，这个发射的新光子能量h(V0-ΔV)，显然小于入射光子能量hV0，这种情况是拉曼散射的斯托克斯线(Stokes)，入射光子和发射光子能量差为hΔV，拉曼散射光谱的频率位移为ΔV。反之，如果分子跃迁到虚能级回到另一较低能级发射光子，其能量h(V0+ΔV)，为反斯托克斯线(Anti-Stokes)，入射光子和发射光子能量差-hΔV，拉曼散射光谱的频率位移为-ΔV，其中，h为普朗克常数。拉曼散射波长的偏移±ΔV与物质分子的化学结构有关。

图1 拉曼效应

拉曼光谱是分子结构的表征，不同物质的拉曼光谱不同，且是唯一的。物质的浓度与拉曼光谱的强度息息相关，拉曼光谱可以对物质进行定性定量分析。拉曼光谱是一种对物质光谱直接量的分析方法，具有无需样品制备、灵敏度高和重复性好等优势[16]。

由于拉曼光谱的强度非常弱，拉曼效应被发现后很长时间才得到实际应用。20世纪60年代激光技术的出现，特别是高功率光谱稳定激光器出现，极大提高了拉曼效应的强度和拉曼频移的测量精度，促进了拉曼光谱分析技术的推广应用。近代，新型拉曼光谱技术不断涌现，出现了以受激拉曼效应为基础的激光光谱技术，为拉曼光谱学经典理论带来了创新。这些快速发展的创新拉曼光谱技术包括表面增强拉曼光谱和共振拉曼光谱技术等。

近年来，拉曼光谱工程技术得到了重大发展。诸如大功率半导体激光光源、高灵敏的单光子接收器、高灵敏度光谱仪、计算机及AI等主要代表技术大量应用于各种拉曼光谱仪器系统中。促进了拉曼光谱分析技术的数字化、信息化和智能化，促使拉曼光谱分析技术在分析化学、物质结构分析、制药、生物医疗、食品安全和安监刑侦等领域的应用有了飞跃发展。

2.1 表面增强拉曼光谱技术

常规拉曼散射效应非常弱，其散射光强度约为入射光强度的10-6～10-9，限制了拉曼光谱技术在低浓度物质探测领域的应用和发展。

表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS)技术使用经特殊处理的表面粗糙金属(如金、银和铜等)作为活性基底。活性基底对吸附在表面分子的拉曼效应产生物理增强和化学增强，使拉曼效应提高106～1015倍。SERS技术具有比常规拉曼光谱更强大的物质检测能力，能够检测出更丰富的化学分子结构信息，精确度更高，是非常强有力的痕量检测工具。例如田中群院士团队研发的核-壳结构纳米粒子增强拉曼光谱，在食品安全检测、生物分析、材料科学和战争毒化气的检测中，实现了痕量检测。

近年来，随着激光光刻、纳米材料和数字信号处理及模式识别等技术在拉曼光谱分析中的大量应用，SERS技术设备已经智能化，广泛应用于材料分析、生物、医学、食品安全、环境监测和国家安全等领域[17-18]。

2.2 共振拉曼技术

共振拉曼效应(Resonance Raman Scattering，RRS)是指激光光源频率与分子的一个电子吸收峰接近或重合时，拉曼效应中的一个或几个特定的拉曼带强度会急剧增加，可达到正常拉曼带强度的106倍，并出现强度可与基频相比拟的泛音及组合振动现象[19]。共振拉曼光谱的对激发光源频率这种选择性和增强效应拉曼带与可见光、紫外线的电子吸收带相关。RRS提升了拉曼效应的强度，使拉曼定性定量检测更易实现。从RRS选择性增强以及拉曼带固有的较窄谱带中，可得到比红外光谱更丰富的物质结构信息。由于共振拉曼光谱的选择规律与单光子吸收和发射光谱不同，通过对共振拉曼光谱进行分析，相比从电子吸收与发光光谱，可获得的物质结构信息更多。

共振拉曼能有效检测低浓度及微量样品。通过分析不同的共振拉曼谱带的激发轮廓，得到物质分子振动和电子运动相互作用的信息。通过对共振拉曼偏振测量信息的分析，可以得到常规拉曼效应中不容易得到的关于分子对称性的信息。利用标记发色团的共振拉曼特征可以研究大分子聚集体的部分结构。目前，共振拉曼光谱技术已在研究和检测有机和无机分子、离子、生物大分子，甚至活体组成等方面得到有效应用[19-20]。

3 拉曼光谱技术在水质检测领域中应用进展

目前常规拉曼光谱、远程拉曼技术、RRS和SERS等技术，用于水环境中污染物检测主要包括以下4类。

3.1 无机污染物检测中的应用

无机污染的检测是给水安全检测的重要工作，可采用拉曼光谱技术检测氰化物、氟化物、氯化物、硝酸盐和亚硝酸盐、石棉和硫酸盐等。

用拉曼光谱直接判断饮用水中微量矿物质的相对浓度是可行的。杨昌虎等通过对5种水样检测实验数据分析，发现了对称伸缩振动拉曼峰处的半峰全宽及其退偏振度和实际水样化验结果的相关性，拉曼光谱的半峰全宽与水样品中含有的微量矿物质浓度呈负相关关系，伸缩振动拉曼峰处退偏振度与水样品中含有的微量矿物质浓度呈正相关关系[21-22]。

3.2 有机污染物检测中的应用

有机污染物，如各种杀虫剂，即使含量较低也会对人体造成巨大的伤害。乔俊莲等利用SERS技术，研究检测水中残留的绿麦隆，发现增强基地为银电极表面时，可以检测到浓度非常低的绿麦隆，并且能够得到明确的光谱信息，且吸附饱和时间仅为2 h[24]，最低检测浓度低至10-10mol/L。郭淑霞等基于SERS技术的特点，建立了真实体系下孔雀石绿定性检测方法，该方法用于养殖海水中孔雀石绿的现场检测，最低检出浓度0.1 μg/L[25]。孔德地等基于SERS技术进行了水中抗生素污染的检测研究，最低探测浓度为对氯霉素5 ppm，对环丙沙星5 ppm，对恩诺沙星2 ppm[26]。

拉曼技术已经应用于各类有机污染物的定性研究，如食物中农药残留及非法添加剂，食品制假(包括篡改原产地)等。

3.3 放射性污染物检测中的应用

环境放射性污染是对突发事件给水保障的致命威胁，检测水体中放射性污染物需要得到样品中放射性物质的浓度及存在形态，对低放射性样品浓度水体污染检测非常关键，而传统的分析手段很难对低浓度放射水污染进行有效检测，SERS技术可极大提高水中放射性污染物的拉曼散射强度，实现有效检测[27]。

Ruan C等人利用表面增强技术检测放射性物质铀，采用金粒作为表面增强基底，研究了铀的拉曼光谱以及含量与拉曼光谱强度之间的关系，研究的最低检测浓度低于 10-5mol /L，为危化品检测提供了可靠技术[28]。Chad L等人使用SERS技术对环境样品中的铀进行了检测实验，实验效果良好，当铀含量为0.87 pg时仍然可以有效检出[29]。这些研究都标明了SERS技术在放射性物质检测中是非常有效和有应用前景的。

3.4 生物污染检测中的应用

生物污染也是给水安全的重大威胁，近来水源和供水给水系统生物污染事件在全球范围内时有发生，特别是在灾害环境中导致肠道传染病或其他疾病的爆发流行，全世界各国都高度重视突发事件给水生物安全，发达国家都在努力建立水源生物污染监测系统，及时监控出水源生物污染特点，实现水源和给水系统生物污染的快速监测和处置。

通过建立完备的生物样本拉曼光谱数据库，也称为“生物指纹图谱库”，可实现基于拉曼光谱特异性的生化组分自动识别，快速区分不同的生物样品，例如核糖核酸、葡萄糖和蛋白质等。此外，拉曼光谱技术应用可实现对活细胞的非标记检测，具有无需培养、非接触性、快速、高效、实时监测和可重复性高等优点。拉曼光谱技术在微生物学领域正在快速发展。

通过拉曼光谱技术可检测到饮用水和再生加工用水中的病原微生物，也可以检测到水中的微生物，包括各种病菌和病毒等。SERS技术的高灵敏特性，在检测生物分子时，效果非常显著。未来的研究将会在蛋白质分子检测、核糖核酸检测和DNA分子的检测中，为生命科学的发展拓展新的交叉研究领域[30]。

4 拉曼光谱数据处理与分析

对拉曼光谱原始光谱数据的处理与分析包括：噪声去除、低频变化的背景去除、与标准拉曼图谱库数据对比分析等数据工作。拉曼光谱数据处理与分析流程如图2所示。

图2 拉曼光谱数据处理与分析流程

拉曼数据处理分析流程主要包括：

(1) 尖峰噪声消除

当在拉曼光谱测量中积分时间很短、激光功率较低或者样品拉曼散射截面较小时，获取的拉曼光谱信噪比较低，容易受到尖峰噪声的影响，对真实谱峰的识别造成干扰，通过对原光谱中尖峰噪声的位置估计，利用相邻无尖峰位置的光谱强度近似代替尖峰值，实现去除尖峰噪声。

(2) 白噪声消除

白噪声是拉曼光谱仪获取的拉曼光谱中另外一类严重噪声，可采用基于小波变换法的图像多尺度分析技术，消除拉曼光谱的高频白噪声。

(3) “基线”影响去除

对样品进行拉曼光谱测量时，如果存在背景光干扰，复原光谱中通常会存在低频变化的背景，称为“基线”，“基线”会干扰真实谱峰强度的估计，可采用多项函数多项式拟合法的方法估计复原光谱中通常会存在低频变化的背景，消除基线对拉曼光谱强度测量的影响。

(4) 图谱库大数据比对

拉曼谱图精细复杂，通过基于标准图谱库的复杂成分物质拉曼光谱图分析、模式识别，自动化智能化计算出所测谱图与标准谱图的相似度，快速估计和判断所测拉曼光谱中包含哪些物质的拉曼光谱。

5 结束语

我国现有的饮水安全现场快速检测技术和装备尚不能达到国际先进水平，与未来复杂灾害环境条件下给水安全保障需求差距较大，急需建立复杂灾害环境条件下的饮用水安全快速监测系统。

在水质分析领域，拉曼光谱有其他传统分析方法无法比拟的优势。拉曼光谱可以作为灾害救援给水安全实时监测的有效手段，可大幅度提高复杂灾害环境水质监测的效率和准确性。

拉曼光谱因此被称为物质的“指纹”，是物质识别的有力工具。基于拉曼光谱分析技术，综合应用信息科学、模式识别，大数据和AI技术可研制智能化水安全快速监测设备和系统，提升水质安全监测的技术水平。

为此，将常规拉曼光谱、RRS、SERS及其联用技术应用于灾害环境水质定性及定量分析。建立完备的复杂灾害环境水污染物拉曼光谱数据库，为复杂灾害环境水污染监测准备新技术手段，针对特殊环境下饮水安全和新型污染物，开展高灵敏度、智能化、便携式检测设备的研制，为保障复杂灾害环境给水安全做好技术准备。