一种基于表面增强拉曼光谱原位动态监测水环境中PPCPs的方法

一种基于表面增强拉曼光谱原位动态监测水环境中ppcps的方法
技术领域：
1.本发明涉及一种基于表面增强拉曼光谱原位动态监测水环境中ppcps的方法，属于分析化学和环境分析技术领域。


背景技术：

2.随着社会经济和检测技术的不断提升，越来越多的新兴污染物出现在人们的视野中，对水生生物和人类健康具有长期影响。药物与个人护理用品(pharmaceuticals and personal careproducts)简称ppcps，是一类存在于水系统的新兴有机微污染物(science 2020,367,338
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392)，主要来源于制药厂、医院、畜禽养殖废水以及城市生活污水，药品及个人护理用品ppcps 包含了治疗用药物、兽药、香精香料、化妆品、遮光剂和防晒用品、诊断、营养药品和一些在其生产制造中添加的组分如赋形剂、防腐剂等。一些ppcps在环境中较难降解和转化，大多数ppcps类物质的半衰期并不是很长，但由于药物及日常护理用品大量频繁的使用、人或动物的排泄、废弃药物的不合理处置、污水处理技术的不完善等原因导致其源源不断地被引入环境中，而呈现出了“持续存在”的现象，ppcps会对生物产生一定的毒害作用，如抑制微生物的繁殖和生长，抑制植物叶绿体及酶的活性，导致动物畸变，给生态系统和人类健康造成了潜在的风险。因此，针对ppcps发展进行原位监测方法对于安全用水十分有意义。
3.根据目前的研究和应用，环境样品中ppcps的预处理技术主要有液液萃取(lle)、固相萃取(spe)、固相微萃取(spme)和液相微萃取(lpme)，在以上技术中无溶剂萃取技术spme 因其集采样、萃取和富集于一体，具有操作简单快速、富集倍数高、环境友好等特点，在 ppcps的样品前处理中应用广泛，表面增强拉曼光谱(sers)能提供被分析物的特征指纹拉曼光谱，用于定性区分被检测物，还可以将被测分子的拉曼信号增强6个数量级以上，实现被测分子的高灵敏度检测(nature reviews materials 2016,1)。因此，为进行高性能sers 分析，目标分子必须能高效地富集到sers基底表面。为解决这一现实难题，将萃取技术引入到sers分析中，提出了萃取-表面增强拉曼光谱联用(spme-sers)技术(trac trendsin analytical chemistry 2017,90,1-13.)。基于萃取和sers的原理，将萃取功能层修饰在 sers活性材料的表面，并控制其厚度在sers基底电磁增强有效的范围内，实现被分析物在sers基底表面的高效富集，进而实现被分析物sers定性和定量分析。目前，spme
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sers技术已成功应用于农药、抗生素、挥发性有机化合物的检测(analytica chimica acta2016,923,66-73；microchimica acta 2019,186；acs nano 2016,10,8169-8179)。
4.中国专利文献cn109164087a公开了一种电压驱动固相微萃取-拉曼光谱联用超快速检测抗生素类物质的方法，该方法包括：以金纳米颗粒包裹多孔银丝为工作电极，饱和甘汞电极为参比电极，铂电极为对电极组成电极系统，将电极系统置于待测水样中，对电极施加
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0.05～-0.2v的电压，在电压驱动下水样中抗生素类物质快速富集到工作电极，实现原位固相微萃取，利用拉曼光谱仪对工作电极表面激发照射，进行拉曼光谱检测。该方法受装
置的影响，需要在电吸附结束后将电极取出来进行拉曼光谱检测，无法在电压驱动吸附过程中进行在线拉曼光谱检测，此种方法受各种因素影响，导致检测结果不准确，无法实现原位检测，并且也无法实现动态可逆吸附。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，尤其是现有无法在电压驱动吸附过程中进行在线拉曼光谱检测，无法实现原位检测的难题，本发明提供一种基于表面增强拉曼光谱动态监测水环境中ppcps 的方法。
6.本发明的方法可以在施加电压驱动吸附过程中进行在线拉曼光谱检测，真正实现了原位快速富集萃取、原位检测，并且灵敏度高、操作简单、分析速度快并且能循环使用检测，能够实现动态可逆吸附，实现动态检测。
7.本发明是通过如下技术方案实现的：
8.一种基于表面增强拉曼光谱原位动态监测水环境中ppcps的方法，包括步骤如下：
9.1)粗糙化银-金复合功能基底的制备：
10.a、以处理后银丝作为工作电极，环形铂电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，组成三电极体系，置于盐酸溶液中，使用循环伏安法对银丝进行电化学刻蚀，得到粗糙化银丝；
11.b、以粗糙化银丝作为工作电极，环形铂电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，组成三电极体系，置于kno3与haucl4的混合溶液中，使用恒电位沉积，得到粗糙化银-金复合功能基底；
12.2)以粗糙化银-金复合功能基底作为工作电极，环形铂电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，工作电极放置在环形铂电极圆心处，构成三电极体系，将三电极体系放入待测水样中，对工作电极施加电压，在电场下将带正电的ppcps快速富集到工作电极，实现原位电吸附增强固相微萃取，在施加电压驱动吸附过程中，利用拉曼光谱仪对工作电极表面进行拉曼光谱检测，根据拉曼特征峰进行分析检测，实现在线原位拉曼光谱检测。
13.根据本发明优选的，步骤1)的a中，循环伏安法扫描时，在电压为-0.2-0.2v范围内进行循环伏安扫描12-14圈，扫描速度为25-50mv/s。
14.最为优选的，步骤1)的a中，循环伏安法扫描时，在电压为0.1v进行循环伏安扫描 13圈，扫描速度为25mv/s。
15.根据本发明优选的，步骤1)的a中，银丝的处理为将直径为0.4mm的银丝(99.9％) 分别用丙酮、乙醇和超纯水清洗5min。
16.根据本发明优选的，步骤1)的a中，盐酸溶液的浓度为0.1mol/l，电化学刻蚀后的银丝用超纯水冲洗3次，将粗糙化银丝放入氨水的乙醇溶液当中，浸泡5-10分钟。取出后用乙醇冲洗1分钟，得到粗糙化银丝；氨水的乙醇溶液中氨水的质量分数为1.3％。
17.根据本发明优选的，步骤1)的b中，kno3与haucl4的混合溶液中，kno3的浓度为 0.1mol/l，hauc14的浓度为1mmol/l。
18.根据本发明优选的，步骤1)的b中，恒电位沉积电压为-0.2～-0.4v，沉积时间为2
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10s，沉积后取出用超纯水冲洗1分钟，得到粗糙化银-金复合功能基底。
19.最为优选的，步骤1)的b中，恒电位沉积电压为-0.4v，沉积时间为5s。
20.根据本发明优选的，步骤2)中，粗糙化银-金复合功能基底为l型，参比电极放置在环形铂电极的圆环中。
21.根据本发明优选的，步骤2)中，对工作电极施加的电压为-0.05～-0.15v，富集时间1
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60秒。
22.最为优选的，步骤2)中，对工作电极施加的电压为-0.1v。
23.根据本发明优选的，步骤2)中，待测水样的ph值为3-6.2，最为优选的，待测水样的 ph值为6.18。
24.根据本发明优选的，步骤2)中，电压驱动吸附温度为20-25℃。
25.根据本发明优选的，步骤2)中，拉曼光谱仪为qe65 pro拉曼光谱仪，激光照射的波长为785nm，激光功率为300mw，积分时间为100ms，激光垂直射在工作电极上。
26.根据本发明优选的，该方法还包括动态可逆吸附步骤，具体如下：
27.将吸附了待测物质的粗糙化银-金复合功能基底作为工作电极，环形铂电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，将三电极体系放入水中，对基底施加反向电压，使ppcps脱离基底，实现基底的自清洁。
28.根据本发明优选的，所述的反向电压为1v，脱附时间为4分钟。
29.本发明的工作电极、参比电极均放置在环形铂电极的圆环中。
30.本发明具有如下技术要点及优点：
31.1、本发明的方法可以在施加电压驱动吸附过程中进行在线拉曼光谱检测，真正实现了原位快速富集萃取、原位检测，并且灵敏度高、操作简单、分析速度快。
32.2、本发明的方法可以循环使用检测，能够实现动态可逆吸附，实现动态检测，将吸附了待测物质的粗糙化银-金复合功能基底作为工作电极，环形铂电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，将三电极体系放入水中，对基底施加反向电压，使ppcps脱离基底，实现基底的自清洁，实现动态循环检测。
33.3、本发明的粗糙化银-金复合功能基底是通过电化学方法制得，制备简单且可重复性高，所需沉积时间极短，仅需5秒，成本低，表现出良好的抗氧化性，能在常温常压下保存较长时间。
34.4、本发明的工作电极、参比电极均放置在环形铂电极的圆环中，制备所得的基底更加均匀且具有丰富的吸附位点，吸附的效率更高。
35.5、本发明的方法在使用过程中，使用的是环形铂电极，使吸附时电场更均匀，spme
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sers分析的重复性更好。
36.6、本发明的方法将sers的指纹特性、电化学方法的快速可逆吸脱附和spme的富集萃取三重优点，能获得原位超快速、可逆的响应。
37.7、本发明的方法实现了对低浓度物质的超快速富集检测，在电富集1秒之后，能得到很好的拉曼响应信号，
附图说明
38.图1是本发明基于表面增强拉曼光谱原位动态监测水环境中ppcps的方法示意图。
39.图2是对比例1基于现有普通的三电极体系监测水环境中ppcps的方法示意图。
40.图3是本发明的方法与对比例1的方法在线监测效果图。
41.图4是实施例1制备的粗糙化银-金复合功能基底的sem图。
42.图5是应用实验例2对联苯胺标准品溶液浓度与特征峰强度线性关系示意图。
43.图6是应用实验例3联苯胺的静态吸附和电吸附增强动力学曲线图。
44.图7是应用实验例5联苯胺的动态检测图。
45.图8是应用实验例1不同富集电压对联苯胺标准溶液检测强度的影响图。
46.图9是应用实验例1不同ph值对联苯胺标准溶液检测强度的影响图。
47.图10是应用实验例1不同温度对联苯胺标准溶液检测强度的影响图。
48.图11是实验例1不同刻蚀速度对粗糙化银-金复合功能基底拉曼强度的影响图。
49.图12是实验例1不同刻蚀圈数对粗糙化银-金复合功能基底拉曼强度的影响图。
50.图13是实验例1不同沉积电压对粗糙化银-金复合功能基底拉曼强度的影响图。
51.图14是实验例1不同沉积时间对粗糙化银-金复合功能基底拉曼强度的影响图。
52.图15是实验例1沉积时间为400s的粗糙化银-金复合功能基底的eds图。
53.图16是实验例1沉积时间为5s的粗糙化银-金复合功能基底的eds图。
54.图17是应用实验例1的方法的重复性测试图。
具体实施方式：
55.为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。
56.实施例1：
57.粗糙化银-金复合功能基底的制备：
58.a、粗糙化银丝的制备：将直径为0.4mm的银丝(99.9％)剪成5cm长，分别用丙酮、乙醇和超纯水清洗5min，清洗后银丝作为工作电极，环形铂电极(厚0.1mm，直径6cm) 作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极，工作电极放置在环形铂电极圆心处，构成本发明的测试装置，将三电极体系置于0.1mol/l盐酸溶液中，使用循环伏安法对银丝进行电化学刻蚀，电压范围为1v，扫描速度为25mv/s，循环伏安扫描13圈；取出后用超纯水冲洗 3次，将粗糙化银丝放入1.3％氨水的乙醇溶液当中，浸泡5-10分钟；取出后用乙醇冲洗1 分钟，得到粗糙化银丝；
59.b、粗糙化银-金复合功能基底：将所制备的粗糙化银丝作为工作电极，环形铂电极作为对电极，银/氯化银电极作为参比电极；将三电极体系置于0.1mol/l kno3与1mmol/lhaucl4的混合溶液中，在恒电压为-0.4v下沉积5s，取出后用超纯水冲洗1分钟，得到粗糙化银-金复合功能基底。
60.制得的粗糙化银-金复合功能基底的sem图如图4所示。
61.实验例1
62.按照实施例1的粗糙化银-金复合功能基底的制备方法进行，不同的是：
63.改变刻蚀扫描速度、刻蚀圈数、沉积电压和沉积时间，分别得到不同的粗糙化银-金复合功能基底。
64.不同刻蚀速度、不同刻蚀圈数、不同沉积电压和不同沉积时间得到的粗糙化银-金复合功能基底拉曼强度见图11、图12、图13、图14所示。
65.从图11、图12、图13、图14中可以看出，扫描速度为25mv/s，循环伏安扫描13圈，沉
0.1v 和-0.15v下检测到联苯胺的sers信号最强。选择-0.1v，以避免在粗糙化银-金复合功能基底上发生氧化还原副反应。根据静电相互作用力，电压驱动可以选择性富集待测物，最佳富集电压为-0.1v。
81.2)配置1mg/l联苯胺标准品溶液，将实施例1制得的粗糙化银-金复合功能基底放入联苯胺标准溶液当中，利用恒温水浴调节联苯胺标准溶液的温度，利用实施例2方法进行原位动态监测。记录温度对联苯胺检测的影响如图9，从图9可以看出联苯胺在1186cm-1
的峰强度随着温度的升高而增加。
82.3)配置1mg/l联苯胺标准品溶液，将实施例1制得的粗糙化银-金复合功能基底放入联苯胺标准溶液当中，利用盐酸溶液和氢氧化钠溶液调节联苯胺标准品溶液的ph值利用实施例2方法进行原位动态监测。记录ph值对联苯胺检测的影响如图10，从图10可以看出联苯胺在ph值为6.18时检测信号最强，这是1mg/l联苯胺溶液的原始ph，所以在检测时无需任何ph调节。
83.4)配置0.5mg/l联苯胺标准品溶液，将实施例1制得的粗糙化银-金复合功能基底放入联苯胺标准溶液当中，利用实施例2方法进行原位动态监测，平行测试6次，记录可重复性如图17，从图17可以看出本发明的装置和方法能得到很好的重复性。
84.应用实验例2：
85.配置不同浓度梯度的联苯胺标准品溶液，将实施例1制得的粗糙化银-金复合功能基底放入联苯胺标准溶液当中，利用实施例2方法进行原位动态监测，电富集时间为1分钟对联苯胺进行萃取和检测，每一浓度平行3次。随着联苯胺标准品溶液中浓度逐渐加大，拉曼光谱图中1186cm-1
处的拉曼特征峰强度随之逐渐增大，选择此处特征峰处强度与结合线性曲线实现对联苯胺的的定量检测，联苯胺标准品溶液浓度与特征峰强度的线性关系如图5。
86.应用实验例3：
87.配置1mg/l的联苯胺标准品溶液，将实施例1制得的粗糙化银-金复合功能基底放入联苯胺标准溶液当中，分别对基底施加-0.1v电压进行电富集和不施加电压直接自由扩散萃取富集，利用qe65 pro拉曼光谱仪进行检测，激光功率300mw积分时间100ms，隔10s进行记录一次拉曼光谱，联苯胺的静态吸附和电吸附增强动力学曲线对比如图6。从图6可以看出，本发明所采用的spme-sers联用方法对水样中联苯胺的富集速率相比静态检测提高了76倍，大大缩短了萃取时间，有利于实现现场原位的监测。
88.应用实验例4：
89.将洗衣废水作为实际水样，配置200μg/l，400μg/l和600μg/l的联苯胺加标的洗衣废水。将实施例1制得的粗糙化银-金复合功能基底放入加标洗衣废水当中，利利用实施例2 方法进行原位动态监测。得到了较好的联苯胺的回收率。
90.应用实验例5：
91.配置不同浓度梯度的联苯胺标准品溶液，将实施例1制得的粗糙化银-金复合功能基底放入联苯胺标准溶液当中，对基底施加-0.1v电压的同时利用qe65 pro拉曼光谱仪进行检测，激光功率300mw积分时间100ms，隔10s进行记录一次拉曼光谱。待信号平稳后，对基底时间反向1v电压，使联苯胺脱离基底，实现基底的自清洁。以上步骤循环四次，以 1186cm-1
处特征峰强度随时间变化作图，如图7，经过4次重复检测周期，基底仍保持良好的
性能，可以证明本发明方法对联苯胺的动态检测具有很好的应用前景。