纳米催化-表面增强拉曼散射光谱检测环境污染物进展

温桂清, 梁爱惠, 蒋治良

(1.珍稀濒危动植物生态与环境保护教育部重点实验室(广西师范大学)， 广西 桂林 541006；2.广西师范大学 环境与资源学院， 广西 桂林 541006)

表面增强拉曼散射光谱(surface-enhanced Raman scattering, SERS)是一种可以反映分子特征结构的分子振动光谱，具有识别能力强、灵敏度高和仪器简便等优点。自Fleischmann等于1974年发现吸附在粗糙化处理的银电极表面的吡啶可产生拉曼增强信号后[1-2]，SERS已发展成为最灵敏的分析工具之一，其在化学、环境科学、生命科学和材料科学等领域均表现出良好的应用前景。相比于普通拉曼散射，SERS的信号可增强104～1010倍，具有灵敏度高和选择性好的优势[3]，且还保留了普通拉曼无损检测和强大识别功能的优点，因此，已成为纳米材料等许多领域的研究热点。特别是近年来随着仪器设备制造水平的提高，其检测器、激光光源等的质量也大大提高，使其在超痕量分析、在线测定、生命指标物实时分析等方面具有难以比拟的优势[4]。本文主要对SERS定量分析技术在环境污染物分析方面的研究进展进行综述，重点介绍SERS基底的主要种类及制备方法、增强机理研究，结合适配体反应、免疫反应、分子印迹反应和多肽反应等几种信号放大手段在SERS分析中的应用等内容。

纳米催化是指具有催化活性的纳米粒子(粒径一般为1～100 nm)对反应体系的一种催化作用。自阎锡蕴院士课题组[5]于2007年首次报道纳米Fe3O4具有类似天然酶-辣根过氧化物酶的催化特性以来，纳米材料模拟酶(以下简称纳米酶)的催化机理及应用研究备受人们青睐。相比于块状物质，纳米微粒由于粒径减小、比表面积增大，吸附能力和催化性能也随之增强。这些独特效应使纳米催化剂不仅可以控制反应速度，大大提高反应效率，甚至可以使原来不能进行的反应发生[6-7]。相比于传统催化剂，纳米催化剂具有效率高、稳定、经济和规模化制备等特点，在医学、化工、食品、农业、环境和分析化学等领域的应用研究发展迅速[8-9]。纳米催化结合SERS分析技术，可以使SERS信号放大并大大拓宽SERS的应用范围[10-11]。纳米催化放大是通过表面丰富的自由电子与氧化还原指示反应之间的强电子转移实现的。催化性能除了受纳米组成种类影响，也与其形状、尺寸密切相关(形貌效应)[12-13]。本文主要对目前研究较多的金属纳米颗粒、金属氧化物纳米颗粒、碳基纳米颗粒(量子点，CDs)和共价有机框架(covalent organic framework，COF)、金属有机框架(metal-organic frame，MOF)及其作为载体负载纳米颗粒等几种类型纳米催化剂的制备方法、特点及分析应用进行综述。

1 SERS定量分析技术及应用

SERS的研究目前主要集中在以下几个方面：电磁增强和化学增强机制相关的基本理论[14-15]、单分子检测技术[16]、SERS基底分子结构与其光谱性能之间的关系[17-18]、尖端增强拉曼散射(TERS)[19-20]、金属表面界面处分子动力学的超快SERS研究[21-22]，等等。这其中均离不开一个重要领域，即最佳性能SERS基底的制备及特性研究，这是因为SERS技术的灵敏度和重现性高度依赖基底的性质。所以，本章除介绍SERS增强机理的研究进展外，重点综述基底的种类及制备方法、特性等。此外，还将介绍SERS技术在环境污染物分析的应用。

1.1 SERS增强机理

拉曼散射是光子与被辐射分子作用时发生的一种非弹性散射。普通拉曼光比较弱，大约比荧光光强低6到10个数量级，所以很难满足定量分析要求[1-3]。然而，若将散射分子放置在适当的纳米结构基底表面，产生的散射信号可以大大增强(可增强104～1010倍)，这就是所谓的表面增强拉曼散射。可见，SERS的信号增强与纳米基底密切相关。为了解释SERS增强机制，学者们提出不同的理论模型，认为SERS增强可分为电磁增强(electromagnetic enhancement)和化学增强(chemical enhancement)2种模型。

拉曼散射是分子在外电场作用下被极化而产生极化率，交变的极化率在再发射过程中受到分子中原子间振动的影响，从而产生拉曼散射[23]。散射光的增强可能是由于作用在分子上的局域电场的增加和分子极化率的改变，可以把分子的极化偶极矩看成是电磁效应和分子效应的乘积。电磁增强机制通过局域场和偶极发射起作用，主要是体现底物的特性。电磁增强是等离子体共振的主要性质之一，并且是高度局域化的，主要存在于等离子体表面几个纳米的范围内。底物的表面等离子体受入射光激发而引起强烈的空间局域化，因此激光在小空间区域放大。局域电场强度最强的区域即为“热点”，因此，处在“热点”的分子所经历的电磁场比没有金属基底时的电场强得多。SERS增强主要是电磁增强，最高可达1010倍。化学增强机制通过分子的极化率起作用，主要取决于分子类型，一般认为其贡献远小于电磁增强(大约102～104倍)。虽然通常分别讨论电磁增强和化学增强，但在一个具体的SERS现象中，往往同时涉及这2种增强模型。电磁增强和化学增强的原理示意如图1[3]。

1.2 基底种类及制备方法

1974年Fleischmann首次报道的SERS现象中，粗糙银电极是信号放大的关键，此后这类吸附探针分子后将信号放大的表面粗糙结构被称为SERS基底(substrate)。可见，SERS基底是SERS技术的重要部分，一直以来也是SERS领域研究的热点。基底的制备方法很多且越来越成熟，甚至达到可以控制其形状和尺寸的水平[1]。但制备具有活性高(增强因子大)、均匀、重现性好、稳定、成本低、使用方便等优点的基底一直仍是研究者们的目标。本文主要介绍SERS液相基底的研究进展，包括它们的分类和制备方法。

图1 SERS的电磁增强和化学增强原理示意图[3]Fig.1 Mechanisms of electromagnetic and chemical enhancement[3]

根据其组成和形状，SERS基底可以分为2大类：一是贵金属纳米粒子；二是膜、自组装基底。贵金属纳米粒子，特别是金、银或铜的纳米胶体SERS基底具有很好的增强效果，是制备最简便、使用最广泛的一类[24-28]。一般是用还原剂将氯金酸、硝酸银或铜盐还原成零价金属(原子)，这些原子堆积的形式和大小与所选用的还原剂或稳定剂以及还原条件相关。如本课题组[24]利用碳点对氯金酸-果糖催化制备了球型纳米金，作为SERS基底用于砷离子的检测。Zhou等[25]利用多元醇还原乙酸银制备出立方体型纳米银，成功用作测定超痕量结晶紫的SERS基底。单元素金属胶体各有特点，比如银纳米增强因子高，材料成本低，但重现性不佳；金纳米分散性好，形貌规则。所以为了获得性能更加优良的基底，学者们开发了由2种或多种元素构成的金属复合纳米粒子，这些复合粒子具有独特的光学、催化、电子学等方面的性质[29-32]。比如Lee等[29]通过在纳米金表面包覆纳米银，再通过二聚体形式获得可产生强SERS活性的哑铃型复合纳米结构。金静等[30]利用水热法制得碳点后，直接加入TiO2和AgNO3反应，通过控制反应温度可以获得尺寸不同的核壳结构的TiO2/Ag@CDs复合纳米粒子。葛子盼等[31]先用NaBH4还原氯金酸制备纳米金，在60 ℃油浴下用抗坏血酸还原硝酸银获得银包金的纳米方块，成功用作SERS基底检测痕量塑化剂。上述常用SERS基底类型、制备方法和特性如表1。

表1 常用SERS基底类型、制备方法及特性

关于贵金属纳米粒子，还可以通过用表面分子修饰、基质复合等手段获得新型SERS基底，可融合贵金属基底的优势并弥补其缺点。廖佳等[34]对基于贵金属纳米粒子的SERS活性基底研究进展进行了综述。此外，一些膜类(如金、银膜)及自组装结构也是SERS常用基底[23]，因篇幅所限这里不再赘述。

图2 不同形貌纳米金的SERS光谱[13] Fig.2 SERS spectra of shape-selective Au NPs solution[13]

除了上面介绍的组成成分外，纳米溶胶的形状和尺寸也是影响SERS灵敏度的最重要因素。这是因为作为SERS基底，其形貌会影响表面等离子体共振吸收和分子吸附作用。从电磁场增强效应看，在“热点”产生的SERS效应最强，因此制备具有大量“热点”的纳米溶胶是增强SERS活性的好办法。所以，学者们一直探索制备不同形貌纳米溶胶的新方法，以及考察结构与SERS活性的关系[13,35]。比如Kundu[13]通过改变Au3+离子与稳定剂(CTAB)的摩尔比，调节纳米金颗粒的大小和形状，获得了球型、棒状、线状和柱状等4种不同形貌的纳米金，并考察它们的SERS活性。结果表明SERS强度从纳米球、纳米棒、纳米线到纳米柱而逐渐增强(图2)。相比于纳米球的光滑表面，纳米棱柱由于存在最大数量的锋利边缘或粗糙活性表面而表现出最佳的增强因子。

1.3 SERS定量分析环境污染物

SERS可以实现单分子检测并提供分子结构信息。但要达到定量分析特别是超痕量分析，往往需要结合一些提高选择性或灵敏度的手段[36-37]。这些手段包括适配体反应、免疫反应以及包括分子印迹、微流控、薄层扫描等多种技术在内的其他反应类型，下面着重介绍它们的结合并用于环境污染物的定量分析应用情况。

1.3.1 适配体介导-SERS分析

核酸适配体(Aptamer，以下简称适配体)反应是高选择性的分析反应。适配体反应不仅具有类似抗体对目标分子的高亲和力和高特异性，还具有稳定性好、分子量小、结构简单、易合成、易修饰和可检测的目标物范围广等，以及反应速度快、可反复使用和长期保存等优点，已成为分析化学、临床医学等领域的重要研究方向之一。本课题组[26, 38-46]近20年来在适配体介导-SERS分析方面进行了较为系统深入的研究，主要通过适配体与目标分析物结合前后对催化剂活性的调节作用，引起纳米指示反应产物的一些光谱特性的变化，通过光谱表征来分析目标物含量，已建立一系列重金属离子、有机污染物的SERS分析新方法。比如利用微量纳米金催化H2O2-HAuCl4生成的产物可作SERS基底这一现象，结合适配体-Pb2+反应对中的2种物质对纳米金催化活性的不同调节作用，根据Pb2+浓度与SERS信号的关系建立了检出限低至0.07 nmol/L Pb2+的SERS分析新方法(图3)[38]。利用单原子铁掺杂的碳点(SAFe)对乙二醇还原HAuCl4生成金纳米粒子的催化活性，结合适配体-双酚A对SAFe催化能力的调节,构建了测定0.1～12.0 nmol/L双酚A的SERS新方法，其检出限低至0.03 nmol/L[43]。

除了以上介绍的利用适配体对纳米酶催化活性的调节作用而建立SERS定量分析方法外，还可以基于适配体构象变化引起SERS信号变化、或利用磁性纳米颗粒的分离作用等辅助信号放大手段而建立新方法[47-48]。比如Lu等[48]将含有结合片段和信号片段的适配体固定在SiO2@Au核壳纳米结构表面，当Hg2+加入后，富含T碱基的结合片段与其结合形成稳定的T-Hg2+-T结构而使适配体垂直于纳米结构表面，而适配体的这种构象变化使富含G、A碱基的信号片段产生强的SERS信号，其信号变化值与Hg2+浓度在1×10-8～1×10-3mol/L呈线性关系，据此建立了无标记SERS测定Hg2+的新方法。上述一些代表性适配体介导-SERS分析方法及特性如表2。

图3 适配体调节纳米金催化-SERS测定Pb2+原理图[38]Fig.3 Principle of the aptamer adjusting AuNP catalysis-SERS detection of Pb2+[38]

1.3.2 免疫SERS分析

免疫分析(immunoassay，IA)主要是利用抗原抗体的特异性反应来实现检测分析的目的。作为生化分析领域中的一种重要分析技术，免疫分析具有灵敏度高(可达10-12g)、操作简便、样本用量少、能批量测定的优点[23]。将免疫反应与SERS技术相结合，可使环境污染物的检测具有更高灵敏度和更好选择性。在此方向上最具代表性的研究是1999年Ni等[51]首次将标记分子与羊抗小鼠抗体修饰在金纳米颗粒上，通过羊抗小鼠抗体与相应小鼠抗原的特异性结合，实现高选择性的SERS检测[52]。此外，Wang等[53]首先制备同时带有拉曼信标和雌二醇(E2)的纳米金颗粒(E2-VOA)，其和待测体系中的E2均可与E2的抗体特异性结合(竞争结合)，当待测体系中E2增多，能结合抗体的E2-VOA减少，SERS信号减弱，据此建立测定0.1～1 000 ng/L E2的免疫SERS新方法(图4a)。Lin等[54]利用金纳米星作SERS基底，4-氨基巯基酚(4-ATP)作为拉曼探针分子，根据横向流动免疫层析设备的竞争性反应，建立了特异性识别双酚A(BPA)的新方法。结果显示其相比于传统色强量化法具有更低检出限和更宽线性范围(图4b)。

图4 免疫SERS检测环境雌激素示意[52]Fig.4 Immunoassays and SERS combined detected environmental estrogen[52]

免疫分析技术最大的优点是具有较高的选择性(抗原抗体特异性结合)，此外其分析目标物范围广。大多数污染物均可通过修饰后获得类似于抗原的性质，从而经过生物技术获得其抗体，即可构建相关的免疫反应，即利用免疫技术从理论上说可以测定大多数物质。但免疫分析也有缺点，主要是获得抗体的周期长、成本高，并且抗体的保存条件比较苛刻，这也影响了其更广泛的应用。提高抗体使用的友好性及与其他技术联用更大地避免其本身的一些弊端应该是未来发展的趋势[55-60]。一些代表性SERS免疫分析方法及特性如表3。

表3 免疫SERS分析方法

1.表示原文献无此项数据。

1.3.3 其他SERS定量方法

SERS技术还可以和多种技术结合用于分析[61-63]。比如：分子印迹技术、微流控芯片技术、薄层色谱技术等。分子印迹技术是一种制备聚合物的技术，这种聚合物为目标物“量身定做”，可以形成与其在大小、形状和空间结构上互补的结合位点，因此具有很好的选择性[64-66]。比如Xue等[64]利用硅氧化合物合成BPA的模版复合物(BPA-Si),并利用该复合物制备了分子印迹聚合物层，通过简单热处理去除BPA后可实现特异性识别BPA并进行SERS测定(图5)。微流控芯片是一种新兴分析技术，具有样品用量少、检测迅速、高通量和光学性能稳定等优点，可以和SERS技术联用并在痕量或微量物质检测中具有明显优势[67-69]。比如：Fu等[67]通过在聚二甲基硅氧烷上构建有序银纳米冠阵列，获得具有SERS增强区和检测区的封闭芯片，待测物多氯联苯和其适配体分别被注入后，巯基适配体捕获靶点并通过—Ag键固定，给出信号实现SERS检测。薄层扫描(TCL)是一种经典的分离分析技术，具有仪器价廉、快速、简便等优点，但结果稳定性不好，且不利于现场分析。若与SERS技术联合，可建立一些在线简便、灵敏的新方法[70-71]。

图5 分子印迹-拉曼光谱技术测定双酚A原理[64]Fig.5 Schematic illustration of BPA detection by molecular imprinting and Raman spectroscopy [64].

2 纳米催化SERS分析

2.1 纳米催化剂

纳米颗粒由于具有较高的比表面积和丰富的表面电子，利于反应物和表面之间相互作用及促进电子传递而使反应加速，具有良好的催化活性。自首次报道纳米Fe3O4具有催化活性以来，学者们纷纷探索各种类型纳米材料的催化活性及其应用[72-73]。

2.1.1 纳米催化剂的种类及制备方法

目前集中研究的纳米催化剂主要有金属(氧化物)纳米催化剂、碳基纳米催化剂、共价有机框架(COF)或金属有机框架等(MOF)负载的纳米催化剂等。其中金属纳米催化剂具有催化活性强、制备简便等优点，是分析测定中使用最广泛的一种纳米催化剂[74-79]。比如Yao等[76]在光照条件下用柠檬酸钠还原硝酸银成功制备了粒径为15 nm的纳米银催化剂，其对H2O2氧化四甲基联苯胺(TMB)生成SERS信号分子TMBox的反应具有催化作用，据此建立测定葡萄糖的SERS新方法。虽然金属纳米催化剂具有诸多优点，但由于金属价格昂贵、单一组分易于团聚等缺点而限制了其使用。与金属纳米催化剂相比，碳基纳米催化剂具有原材料丰富、价廉等优点，其主要包括富勒烯、氧化石墨烯、碳纳米管及其衍生物等，具有比表面积大、良好的生物相容性和较好的吸附性能等特点。为改善其性能，可进行一些元素掺杂，使其在分析领域具有越来越广阔的应用空间[80-87]。比如Li等[84]利用玉米淀粉、乙二胺和氯金酸为前驱体，在微波加热下制备了N、Au共掺杂的碳量子点(CDN/Au)，其对H2O2-TMB有明显的催化作用，根据K+适配体对其催化性能的调节，建立了定量分析K+的SERS新方法。一般来说，粒径越小，纳米颗粒的比表面积越大，活性位点越多，催化性能也越好，但是小粒径的纳米颗粒存在容易聚集而不稳定的问题。

COF或MOF等纳米颗粒载体可以改善小粒径纳米颗粒的分散性，增加其与反应物的接触面而保持甚至增强催化性能[88-90]。COF是一类新兴的可裁剪、原子组成可控的催化剂及催化剂载体，为满足催化剂的高活性、高稳定性和高选择性提供可能。比如Pan等[89]制备了掺Ag的COF，其对葡萄糖-Cu(II)反应具有催化作用，生成可产生强烈散射信号的Cu2O 颗粒，根据适配体对COF催化活性的调节，建立了三聚氰胺、尿素和双酚A等3种有机污染物的分析方法。类似地，MOF为多孔配位聚合物,具有结构多样性、高比表面积、孔隙率可控等独特性质，因有序框架的保护以及结构可调控的性质，克服了金属纳米催化剂存在的活性位点数量不足和活性不高的缺点。Liang等[91]用N，N-二甲基甲酰胺(DMF) 和铁盐制备了载铁MOF，并利用它的良好催化性能结合相关指示反应用于定量测定H2O2。总的来说，结合框架结构的稳定性和小粒径纳米颗粒甚至是单原子的优异催化性能是未来纳米催化剂的发展方向。以上4类纳米催化剂的制备方法及催化特性见表4。

表4 纳米催化剂的种类及制备方法

2.1.2 纳米催化剂的催化活性影响因素

图6 用不同还原剂制备的尺寸可控的Rh纳米粒子的HAADF-STEM[96]Fig.6 HAADF-STEM images of Rh nanomaterials with controlled sizes obtained using different reducing agents[96]

不论是哪种类型的纳米催化剂，其尺寸、形状、结构都是影响催化活性的重要因素[92]。就尺寸来说，由于粒径越小处在表面活性位点的原子越多，因而具有更好的催化活性[93-95]。比如Nishida等[96]通过醇还原法合成了由聚乙烯吡洛烷酮稳定的尺寸可控的Rh纳米粒子，电镜结果表明，其为粒径从3.3 nm到10.9 nm的球形纳米颗粒(图6(a)～6(f))。考察其对CO转化的催化性能，实验结果显示，随着粒径增大，所需要的转化温度增高(图7、图8)，说明粒径越小，催化能力越强。由此可知稳定的小尺寸纳米簇是一类催化作用最强的纳米酶。但现有纳米簇制备方法常常添加较多的稳定剂而可能影响其催化活性,因而需评价其催化反应活性。而纳米颗粒的形状对其催化活性及选择性均有重要影响(称为几何效应)。Jin等[97]考察了立方体、截角立方体、立方八面体、截角八面体和八面体等5种不同形状的Pd纳米颗粒对甲酸电氧化的催化性能，结果表明，这5种纳米颗粒的催化活性按八面体、截角八面体、立方八面体、截角立方体、立方体的顺序不断增强。这是因为{100}晶面比{111}晶面具有和反应物更大的接触面，而以上5种结构的{100}晶面和{111}晶面比例正是逐渐增大的。

图7 不同尺寸Rh纳米粒子催化CO转化率 随温度变化曲线[96]Fig.7 Profiles of CO conversion as a function of the temperature employing Rh nanomaterials with different sizes as catalysts[96]

图8 不同尺寸Rh纳米粒子催化CO完全 转化的温度[96]Fig.8 Temperature in which 100% of CO conversion is achieved for each Rh nanomaterial[96]

2.2 纳米催化SERS分析

将纳米催化和SERS技术结合，可以使信号放大，提高灵敏度，达到超痕量分析的水平，并且结合免疫反应、适配体反应等特异性识别靶分子技术，拓宽了SERS的应用范围。近年来纳米催化SERS定量分析研究发展迅速，学者们进行了系统深入地研究，建立了从化学物质、生物活性物质到环境污染物等的定量分析方法。比如Wang等[24]在微波条件下，以富勒烯和氯金酸为前驱体，制备了掺金碳点(CDAu)，其对HAuCl4-果糖反应生成的纳米金具有催化作用，结合SERS技术，用纳米金作基底，基于特定适配体-As3+反应对HAuCl4-果糖的介导作用，构建了测定0.07～0.70 μg/L As3+的SERS分析平台。该平台还可以定量测定Pb2+和Hg2+。Yao等[27]用微波法制备氮/银共掺杂碳点(CDN/Ag)，利用其对柠檬酸三钠和HAuCl4反应生成纳米金的催化作用，结合克伦特罗及其抗体对CDN/Ag催化活性的调节作用，以维多利亚蓝B为分子探针，建立了SERS光谱定量分析方法检测微量克伦特罗。一些代表性纳米催化SERS分析方法及特性如表5。

表5 纳米催化SERS分析特性

3 结语

SERS定量分析的核心是创新获得均匀、稳定、拉曼活性高的纳米溶胶制备方法，以减少基底对定量过程稳定性的不利影响，提高分析方法的重现性。目前还有待完善的方面一是SERS基底，目前主要是Au、Ag、Cu及其复合纳米溶胶这几种类型，一定程度限制了SERS的使用，因此需要创新制备不同用途新型基底的方法。二是将其与吸收光度法、荧光法、RRS等其他光谱方法结合，构建双模和多模分析法，是提高其精确度、降低使用成本的一条新途径。此外，SERS已与其他分析技术相结合，例如气相色谱 (GC)、薄层色谱 (TLC)、液相色谱 (LC)、流动注射分析 (FIA)和电化学等的联用。

同时，深入系统研究增强机理以及理论模型的建立有助于SERS的应用发展。此外，单分子检测技术、结构-性能(基底结构和SERS光谱特性)关系研究以及最佳性能的基底开发研究、针尖增强拉曼光谱等领域都还有很大的研究空间。