劉小桃（郴州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，湖南 郴州 423000）

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表面等離子體共振技術(shù)在環(huán)境污染物監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用研究

劉小桃（郴州市環(huán)境監(jiān)測(cè)站，湖南 郴州 423000）

表面等離子體共振（SPR）技術(shù)是一項(xiàng)新型的、具有高靈敏度的生物傳感技術(shù)，該技術(shù)對(duì)于酚類(lèi)、農(nóng)藥、毒素、重金屬以及多種有機(jī)、無(wú)機(jī)物等環(huán)境污染物的監(jiān)測(cè)，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。本文結(jié)合SPR技術(shù)的基本原理，探討了該技術(shù)在環(huán)境污染物分析監(jiān)測(cè)中的實(shí)際應(yīng)用，以供參考。

表面等離子體；共振技術(shù)；環(huán)境污染

1　引言

表面等離子體共振（SPR）傳感技術(shù)以其具有的高靈敏度、所需待測(cè)樣品少、響應(yīng)速度快等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)SPR技術(shù)主要利用的是光振幅、共振角度以及共振波長(zhǎng)等信息檢測(cè)，從而實(shí)現(xiàn)折射率的傳感。而隨著SPR技術(shù)的發(fā)展，在環(huán)境污染物生物的檢測(cè)工作中，發(fā)揮了巨大的作用。

2　表面等離子體共振技術(shù)概述

2.1表面等離子體共振

表面等離子體共振（surface plasmon resonance，SPR）是一種發(fā)生在金屬與電介質(zhì)界而的物理光學(xué)現(xiàn)象，對(duì)附著在金屬表面的電介質(zhì)折射率非常敏感，可以實(shí)時(shí)確定介質(zhì)的折射率變化，從而檢測(cè)出現(xiàn)不同折射率的相應(yīng)物質(zhì)（見(jiàn)圖1）。SPR技術(shù)根據(jù)其檢測(cè)方式的不同，可分成波長(zhǎng)調(diào)制、相位調(diào)制、強(qiáng)度調(diào)制和角度調(diào)制等多種類(lèi)型：①相位調(diào)制，是通過(guò)建立共振相位與折射率關(guān)系的方式，分析共振相位變化，進(jìn)而得到被測(cè)物質(zhì)的折射率，其檢測(cè)裝置較為復(fù)雜，分析結(jié)果困難，技術(shù)并不成熟；②強(qiáng)度調(diào)制，是通過(guò)改變?nèi)肷涔鈴?qiáng)，分析光強(qiáng)度變化，從而獲得折射率變化狀況實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)，該技術(shù)系統(tǒng)的抗干擾性較差，檢測(cè)靈敏度偏低；③波長(zhǎng)調(diào)制，是當(dāng)光的入射角度一定時(shí)，通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)，分析SPR反射率和波長(zhǎng)之間的關(guān)系，從而得出折射率；④角度調(diào)制是指固定的入射波長(zhǎng)，分析SPR角度與反射率之間的關(guān)系，從而獲得待測(cè)樣品折射率值。波長(zhǎng)和角度調(diào)制都能獲得較高的精度，技術(shù)成熟，應(yīng)用較多。

圖1　SPR傳感原理示意圖

2.2表面等離子體共振原理

存在于金屬表面的自由電子，處于入射光的激勵(lì)下，會(huì)發(fā)生集體的振蕩，從而產(chǎn)生了表面等離子體激元（SPPs），在金屬介質(zhì)的表面進(jìn)行傳播的常量可用以下公式表示：

式中：ω為角頻率；εm為金屬介電常數(shù)；εd為介質(zhì)的介電常數(shù)；c為真空中光的傳播速度；λ為真空中光的波長(zhǎng)。

表面等離子激元將沿金屬的表面?zhèn)鞑ィ罱K形成表面等離子波（SPW），以棱鏡耦合角度的調(diào)制型SPR傳感器為例（見(jiàn)圖2），其表面金屬膜的厚度約為數(shù)10nm，當(dāng)一束光照射到棱鏡的表面上，然后發(fā)生反射，生成倏逝波，該波將與金屬介質(zhì)表面存在的等離子體激元，發(fā)生相互作用，調(diào)整光的入射角，從而使倏逝波傳播常數(shù)與SPW傳播常數(shù)相同，公式如下：

式中：θ為入射角；np為棱鏡折射率；βSP為表面等離子體激元傳播常數(shù)。

光波導(dǎo)同樣能夠激發(fā)SPR現(xiàn)象，當(dāng)光在波導(dǎo)中進(jìn)行傳播，通過(guò)表面覆蓋的金屬層區(qū)域，倏逝波會(huì)穿透金屬薄層，若其表面的SPW相位和光波導(dǎo)模式相位一致，則激發(fā)出的SPR現(xiàn)象中，常量計(jì)算如下式：

式中：βmode是波導(dǎo)模式傳播常量。

除了棱鏡禍合和波導(dǎo)禍合外，光柵禍合同樣可以激發(fā)SPR現(xiàn)象，條件是某一階衍射光的波矢在金屬價(jià)質(zhì)表面方向的分量與SPW的波矢相等，即：

式中：m是一個(gè)整數(shù)，表示衍射級(jí)次；∧表示光柵周期。

圖2　SPR棱鏡傳感技術(shù)原理示意圖

3　SPR技術(shù)在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

3.1有機(jī)污染物監(jiān)測(cè)

3.1.1多環(huán)芳烴類(lèi)監(jiān)測(cè)

有機(jī)污染物中的多環(huán)芳烴監(jiān)測(cè)，可采用SPR測(cè)定方法，其重點(diǎn)在于研究測(cè)定水中的苯并芘（BaP）。其監(jiān)測(cè)原理是將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，將BaP-BSA抗體和BaP-BSA相結(jié)合，從而抑制溶液中存在的BaP。憑借免疫競(jìng)爭(zhēng)學(xué)，可迅速對(duì)樣品中濃度達(dá)到0.01～1000μg/L的BaP實(shí)施測(cè)定，芯片表面會(huì)通過(guò)胃蛋白酶溶液實(shí)現(xiàn)再生，重復(fù)使用20次，且不會(huì)出現(xiàn)明顯影響。運(yùn)用SPR技術(shù)監(jiān)測(cè)苯并芘BaP和2-輕基聯(lián)苯，其監(jiān)測(cè)限能夠達(dá)到0.01～300μg/L和0.01～1000μg/L。

3.1.2烷烴、芳香族化合物監(jiān)測(cè)

SPR技術(shù)還可用于測(cè)定環(huán)境中存在的烷烴和芳香族化合物，通常情況下采用的是一種選擇性的低級(jí)烷烴測(cè)定方法，在金屬表面涂覆異戊二烯橡膠薄膜，并將其暴露于低級(jí)烷烴氣體中，從而觀察到共振信號(hào)的變化，達(dá)到定量測(cè)定烷烴濃度的目的。

在芳香烴的檢測(cè)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，來(lái)制備聚甲基丙烯酸脂（PMMA）敏感膜。該敏感膜的特點(diǎn)在于對(duì)苯的響應(yīng)很快，靈敏度較高，且具有良好的可逆性，對(duì)于苯類(lèi)污染物有良好的選擇性，因而適用于苯類(lèi)物質(zhì)的檢測(cè)。此外，還可以運(yùn)用聚［3-C6一甲氧基己基）曝吩］CP60ME）的衍生物當(dāng)做敏感膜，適用的檢測(cè)對(duì)象包括苯、甲苯、環(huán)己烷和二甲苯等。該薄膜對(duì)于上述氣體的響應(yīng)時(shí)問(wèn)均在5s以?xún)?nèi)，其靈敏度以無(wú)極化苯靈敏度為最高。

3.1.3酚類(lèi)監(jiān)測(cè)

酚類(lèi)化合物是一種對(duì)人體具有較大危害的污染物，具有較高的毒性，而應(yīng)用SPR技術(shù)同樣可以對(duì)酚類(lèi)化合物進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)通過(guò)合成一系列酚類(lèi)化合物受體分子，作為SPR的分析配體，這些配體可用于廢水中的酚類(lèi)化合物檢測(cè)?？梢赃x用合適的SPR傳感器，對(duì)4-壬基酚方法進(jìn)行快速分析，并運(yùn)用單克隆抗體，獲取其檢測(cè)限是2μg/L，相較于多克隆抗體，其靈敏度高出一個(gè)數(shù)量級(jí)，該方法適用于貝類(lèi)樣品中的壬基酚含量監(jiān)測(cè)。

3.1.4農(nóng)藥和殺蟲(chóng)劑監(jiān)測(cè)

SPR傳感芯片上的固定識(shí)別分子要求具備高度的專(zhuān)一性，即在結(jié)構(gòu)上存在特異結(jié)合位點(diǎn)，只能與特定的生物分子產(chǎn)生相互作用。因此，只要能與農(nóng)藥的特異性相結(jié)合的物質(zhì)，均可以采用SPR技術(shù)進(jìn)行農(nóng)藥殘留監(jiān)測(cè)。應(yīng)用于農(nóng)藥檢測(cè)的SPR傳感芯片的識(shí)別分子有多種，下面以抗體為例。

抗體作為傳感芯片的識(shí)別分子，通常以農(nóng)藥、及其衍生物當(dāng)做抗原物質(zhì)。早在1993年，便出現(xiàn)該監(jiān)測(cè)方法，是將衍生物固定于傳感器的表面，將抗體與含有除草劑的樣品進(jìn)行混合，當(dāng)抗體與固定在傳感器表面的抗體衍生物反應(yīng)時(shí)，SPR響應(yīng)信號(hào)的強(qiáng)度隨著樣品濃度的不同而發(fā)生改變。最低檢測(cè)限為0.05ng/mL，分析時(shí)間是15min。

3.2無(wú)機(jī)污染物監(jiān)測(cè)

3.2.1重金屬離子監(jiān)測(cè)

重金屬免疫檢測(cè)技術(shù)，主要是通過(guò)制備抗不同重金屬鰲合物的單克隆抗體，從而建立起相應(yīng)的SPR免疫檢測(cè)技術(shù)。例如一種選擇性測(cè)定水體二價(jià)汞離子的SPR方法，是將1，6-二硫醇用于在金的表面，構(gòu)成自組裝膜芯片，如果該芯片暴露于含汞離子的水樣中，汞離子將與芯片作用，在0.001～1.0mmol/L范圍內(nèi)出現(xiàn)有線性。存在于聚毗咯膜鍵合溶液中的汞離子，當(dāng)相應(yīng)芯片單獨(dú)用于測(cè)定汞離子時(shí)，其線性范圍在0.1～10g/L之間；而如果在汞離子和芯片結(jié)合之后，再在載流中添入2-merca-ptobenzothiazole，檢測(cè)下限將會(huì)降低至10μg/L。

3.2.2大氣污染物的檢測(cè)

測(cè)定大氣污染物的SPR檢測(cè)方法也逐漸發(fā)展起來(lái)，例如對(duì)NO2的測(cè)定，根據(jù)SPR技術(shù)的基本原理，常用的敏感膜材料包括：酞著及其衍生物、葉琳及其衍生物、Au和Ag等。此外儀器結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和制膜方法等也會(huì)對(duì)檢測(cè)結(jié)果有顯著影響。

首先使用Kretschmann型棱鏡禍合式SPR裝置 （光源為He/Ne激光器，λ=632.8nm）分別研究了以酞著硅（SiPc）和酞著銅（CuPc）的LB膜，來(lái)監(jiān)測(cè)NO2氣體響應(yīng)狀況。前期可采用SiPc作為敏感膜材料，可用于監(jiān)測(cè) NO2氣體，由于 NO2和Ag基底會(huì)相互作用，因而會(huì)導(dǎo)致共振角不可逆偏移。在后期階段，可采用CuPc作為敏感膜材料，對(duì)前期工作進(jìn)行改善，在Ag表面覆蓋Ni保護(hù)層，以阻斷Ag與NO2之間的接觸，從而消除因?yàn)镹O2與Ag的相互作用，導(dǎo)致共振角出現(xiàn)不可逆的偏移。

3.3微生物及病原體監(jiān)測(cè)

當(dāng)前的大多數(shù)微生物檢測(cè)，仍然采用的是生物學(xué)、生物化學(xué)手段，但研究表明，SPR技術(shù)在這一領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)有研究進(jìn)展。將蛋白質(zhì)G固定在11-硫醇修飾的金表面，然后在蛋白質(zhì)G上固定大腸桿菌、沙門(mén)氏菌、軍團(tuán)菌和革蘭氏陰性細(xì)菌等四類(lèi)微生物的單克隆抗體，成功的將SPR技術(shù)應(yīng)用于上述四類(lèi)細(xì)菌的檢測(cè)，檢測(cè)限約為105CFU/mL。將樣品溶液與革蘭氏陽(yáng)性細(xì)菌的多克隆抗體一起孵化一段時(shí)間，階梯式的離心分離未結(jié)合抗體，使其能夠通過(guò)鍵合有抗-Fab配體的芯片表面，其檢測(cè)限是1×105cells/mL。而對(duì)于沙門(mén)氏菌屬B、D和E 的SPR測(cè)定方法，其檢測(cè)限通?？蛇_(dá)到107CFU/mL。

4　結(jié)語(yǔ)

SPR技術(shù)以其突出的優(yōu)越性，為環(huán)境中的污染物監(jiān)測(cè)提供了一種嶄新的手段。由于SPR技術(shù)具有高靈敏度，使大量痕量氣體成分、小微粒的監(jiān)測(cè)難題得到了解決。SPR技術(shù)不斷發(fā)展，逐漸具備了安全、可靠和靈敏度高的重要優(yōu)勢(shì)，在有毒氣體的報(bào)警、環(huán)境有害氣體監(jiān)測(cè)方面，開(kāi)始發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，為常規(guī)的工業(yè)生產(chǎn)、人們?nèi)粘Ｉ钪悄芑约熬G色化，做出了積極的貢獻(xiàn)。

［1］蔣永翔，劉炳紅，朱曉松，等.鍍銀空芯光纖表面等離子體共振傳感器的研究［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2014（2）：235～241.

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［3］陳萌夢(mèng)，熊興良，李 廣，等.基于表面等離子體共振傳感器的尿微量白蛋白檢測(cè)［J］.傳感器與微系統(tǒng)，2014，33（6）：120～121.

劉小桃（1983-），女，工程師，碩士研究生，主要從事環(huán)境監(jiān)測(cè)及質(zhì)量管理工作。

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2095-2066（2016）09-0019-02

2016-3-8