本文介绍了一项关于利用银纳米棒（AgNR）基底结合表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）技术检测环境中苯并[a]芘（Benzo[a]pyrene, BaP）的研究。该研究由Wenxi Cao、Ying Luo、Jingwen Li、Anyi Qian、Qin Wang、Xichen Wang、Lingfeng Duan、Ying Wu和Caiqin Han等人共同完成，研究团队来自中国江苏师范大学物理与电子工程学院的江苏省先进激光材料与器件重点实验室，以及俄罗斯圣彼得堡彼得大帝理工学院的物理、纳米技术与电信研究所。该研究于2021年发表在《Results in Chemistry》期刊上。

研究背景

苯并[a]芘（BaP）是一种广泛存在于煤烟、焦油和香烟烟雾中的多环芳烃，具有强烈的致癌性。它在环境中稳定存在，并通过生物链逐渐积累，对人类健康构成严重威胁。因此，开发一种简单、快速的方法来检测环境中的BaP具有重要意义。目前，主流的BaP检测方法是色谱法，尽管其准确性高，但设备要求严格，检测过程复杂且耗时。相比之下，SERS技术因其高灵敏度、快速检测、良好的选择性、低成本和小样本需求等优点，成为一种有潜力的替代方法。

研究流程

本研究的主要目标是开发一种基于SERS技术的AgNR基底，用于检测河水及土壤中的BaP。研究流程包括以下几个步骤：

1. 材料准备：BaP标准品购自J&K中国化学有限公司，其他试剂如甲醇、乙醇等购自国药集团化学试剂有限公司。土壤样品取自江苏师范大学，水样取自江苏师范大学的玉泉河。

2. 样品处理：将BaP溶解在去离子水中制备母液，并稀释至不同浓度（1-100 ppb）。河水样品通过加入母液制备一系列浓度梯度（0.1-20 ppm）。土壤样品经过粉碎、干燥后，浸泡在BaP溶液中12小时，离心分离上清液用于SERS检测。

3. AgNR基底的制备：采用电子束沉积系统（DE500）和斜角沉积技术（Oblique Angle Deposition, OAD）制备AgNR基底。基底由20 nm的钛层和2000 nm的银层组成，沉积角度从0°调整至86°。通过场发射扫描电子显微镜（SEM）对基底形貌进行表征。

4. 密度泛函理论（Density Functional Theory, DFT）计算：使用Gaussian 03W软件包中的B3LYP方法计算BaP的理论拉曼光谱，以确定其特征峰。

5. SERS测量与数据分析：将6 μl样品滴在AgNR基底上，干燥后使用便携式拉曼光谱仪（Proramana-L-785A2）采集SERS光谱。激光功率为30 mW，激发波长为785 nm，积分时间为10秒。光谱数据通过Origin 8.0和Grams/AI软件进行分析。

主要结果

1. AgNR基底的表征：SEM图像显示，AgNR基底的纳米棒长度为1050 ± 120 nm，直径为130 ± 30 nm，棒间距为160 ± 40 nm，基底具有良好的均匀性和高SERS活性。

2. BaP的理论与实验光谱：通过DFT计算和实验测量，确定了BaP的特征峰位置。实验结果显示，BaP在1234 cm⁻¹处的特征峰强度与浓度在10-100 ppb范围内呈良好的线性关系。

3. AgNR基底的SERS性能：在10-100 ppb浓度范围内，BaP的SERS信号强度与浓度呈线性关系，检测限（Limit of Detection, LOD）在河水中为1 ppm，在土壤中为10 ppm。此外，AgNR基底表现出良好的重现性，25个随机点的相对标准偏差（RSD）为4.3%。

4. 环境样品中的BaP检测：在河水和土壤样品中，AgNR基底成功检测到BaP，且检测限较低，表明该方法在环境样品中具有较高的灵敏度。

结论

本研究开发了一种基于AgNR基底的SERS技术，用于快速、灵敏地检测环境中的BaP。该方法无需复杂的样品预处理，检测时间短，适用于大批量样品的快速检测。研究结果表明，AgNR基底在BaP检测中表现出良好的线性关系和低检测限，具有广泛的环境监测应用前景。

研究亮点

1. 高灵敏度与低检测限：AgNR基底在BaP检测中表现出高灵敏度和低检测限，尤其在环境样品中的应用效果显著。
2. 快速检测：与传统色谱法相比，SERS技术大大缩短了检测时间，每个样品的检测时间约为20分钟。
3. 无需复杂预处理：该方法无需复杂的样品预处理步骤，简化了检测流程，适用于实际环境监测。

研究意义

该研究为环境中的BaP检测提供了一种快速、灵敏且经济的方法，具有重要的科学和应用价值。AgNR基底的开发不仅推动了SERS技术在环境监测中的应用，还为其他有害物质的检测提供了新的思路。