基于表面增强拉曼光谱的砷检测技术

       当今世界有一个非常残酷的事实，甚至看起来有点儿荒谬——在一个表面绝大部分被水覆盖的星球上，竟然有数亿人口无法用到干净的饮用水。而造成这种现象的罪魁祸首之一就是砷，它在很大程度上造成了饮用水源和天然水源的污染。在自然界中，砷元素可以以许多不同形态的化合物存在，在空气、土壤、沉积物和水中发现的主要砷化物有As2O3或亚砷酸盐(As Ⅲ )、砷酸盐(As Ⅴ)、一甲基砷酸(MMA)和二甲基砷酸(DMA)。 砷目前被认为是 100 多个国家地下水污染的主要原因，进而使得饮用了这种水的人们患上致命的疾病，尤其是对发展中国家而言。因此，找到一种能够在水、土壤和食物中检测砷含量的行之有效的方法显得尤为重要。

       基于此，来自法国的研究人员研发了一种基于表面增强拉曼光谱 (SERS)的传感器，它的主体是一种银纳米结构薄膜。当含有砷的分子附着在表面时，它也会对激光做出响应。砷化合物会散射激光，形成可识别的标记，表明其存在。这种新型传感器的灵敏度非常高，即使是在砷浓度非常低的情况下也可以进行检测。该研究以“Towards surface-enhanced Raman scattering using electroless substrate for trace arsenic detection and speciation”为题发表在Journal of Applied Physics 上（ DOI: 10.1063/5.0126372 ）。

图 （左）通过化学沉积法在尺寸为2.5x 7.5 cm的玻璃上制备的银纳米结构薄膜样品和（右）原子力显微镜在1.5 μ m x 1.5 μ m处放大的样品图

       该研究的主要作者Dominique Vouagner表示，由于砷在水中以不同的形式存在，因此除了对含量进行检测外，种类量化也不可忽视。通过利用SERS，团队可以对包括砷（根据世界卫生组织的建议，砷的含量不应超过 10 ppb）在内的浓度最低的污染物进行检测和分析。

       研究团队比较了两种不同工艺制备的SERS衬底的性能。一种是传统的热蒸发工艺，即在真空室中通过对镀膜材料加热使其蒸发气化而沉积到工件表面形成薄膜。另一种是化学镀工艺，也称无电解镀，是在无外加电流的情况下借助合适的还原剂，使镀液中金属离子还原成金属，并沉积到零件表面的一种镀覆方法。据Vouagner称，实验中发现后者相对简便安全，且制备的器件灵敏度更高。另外，起始化合物具毒性低，适合于天然水和饮用水的检测。传统的砷检测方法还需要灾实验室中对样品进行预处理，无法做到现场分析，而且既费时又昂贵。

       该研究的合作者Bernard Dussardier表示，因为这种光学检测系统噪声非常小，所以要比电子系统灵敏的多。与此同时，它对感生电磁场不敏感，SERS 技术还可以直接测量物理化学特性，而电子系统和其他一些光学系统只能做到间接测量。