表面增強(qiáng)拉曼光譜實(shí)時探測水污染
海水污染一般集中在河的入？凇⒑８鄢隹谝约俺惺芊敝睾Ｉ腺Q(mào)易的海峽。沿海測量巡邏人員在巡航的時候可以發(fā)現(xiàn)海水混濁或者油污染物等現(xiàn)象，但是不利用一些光譜學(xué)圖表，它們通常不能實(shí)時分析出海水污染的分子組成。
熒光激光雷達(dá)是一種很常用的方法，但是它一次只能探測一種類型的污染，而且花費(fèi)昂貴。喇曼激光雷達(dá)可以同時探測多種污染，但缺點(diǎn)是喇曼后向散射橫截面通常是很低的。
表面增強(qiáng)喇曼光譜(SERS)是一種克服弱喇曼信號的非常好的解決方案。被分析的物質(zhì)即分析物在一個粗糙表面吸收。通過分子表面相互作用，喇曼信號可以提高幾個數(shù)量級(可達(dá)107)。但是，這種技術(shù)要求傳感器與分析物——譬如海水中的污染物緊密接觸。
這種情形促使一個跨國歐洲研究小組建立一個水下測量裝置，該裝置裝配了多個傳感器，其中包括一個由柏林技術(shù)大學(xué)研究開發(fā)的SERS探測器。它們利用該測量裝置在波羅的海的格但斯克海灣進(jìn)行測量1。波羅的海的格但斯克海灣被波蘭的最大河流維斯瓦河污染，同時這里有大量的海上貿(mào)易，目的是詳細(xì)測量這個地方的水質(zhì)。增敏型SERS測量儀打開窗口探測多環(huán)芬芳烴(PAH)并記錄突發(fā)事件譬如過往輪船泄漏引起的影響。因此，這項(xiàng)測量活動要完成固定位置的測量、實(shí)驗(yàn)并記錄水的深度。
水下測量單元通過一根纜繩和兩根電纜連接到船上，并固定在水下超過300米的深處，其中電纜用來供電和傳輸數(shù)據(jù)。除了SERS傳感器外，還包括一個基于折射計(jì)的光纖鹽度傳感器，以及其他一些用來測量傳導(dǎo)率、溫度和深度的工業(yè)器械。其中SERS傳感器覆蓋在其他光電探測設(shè)備上，以便利用熒光淬滅效應(yīng)來探測氧的含量。裝在測量單元中心的設(shè)備是一個發(fā)射波長為785nm的外腔激光二極管，它與一個軸向分光計(jì)(組合的光柵棱鏡分光計(jì))裝配在一起。該分光計(jì)覆蓋了420nm～680nm的可見區(qū)以及800nm～950nm的近紅外區(qū)，以便進(jìn)行光譜分析。
探測器是一個熱電冷卻式CCD。作者選擇在一塊方形紡紗上懸浮金屬膠體的結(jié)構(gòu)來制作SERS感光底片，其中紡紗層涂在玻璃底片或者硅晶片上。通過改變?nèi)芙庠谌苣z-凝膠原始混合劑中的硝酸銀的含量，它們制作了不同的SERS感光底片2。暴露在海水中的感光底片與光纖相連接，其中光纖用來傳遞激光并把收集到的喇曼散射信號傳輸?shù)椒止庥?jì)/探測器中。
經(jīng)過一個周期(80分鐘)的測量，得到的喇曼光譜如圖1所示，可以發(fā)現(xiàn)該光譜含有很強(qiáng)的喇曼成分。過濾后海水的SERS結(jié)果如圖2所示。為了標(biāo)定光譜的峰值，把一種由16種多環(huán)芬芳烴(PAH)組成的標(biāo)準(zhǔn)混合物加入到樣品當(dāng)中，并進(jìn)行多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，其中多環(huán)芬芳烴的濃度為每升3微克。含有小堅(jiān)果、萘、芴、chrysene和其他多環(huán)芬芳烴的混合物性質(zhì)與海港樣品相當(dāng)吻合。因此可以實(shí)現(xiàn)對污染水中多環(huán)芬芳烴的實(shí)時跟蹤
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