研究背景及成果

表面增強拉曼光譜（SERS）技術是一種結合拉曼散射和納米技術的超靈敏振動光譜技術，檢測水平可低至單分子，可應用于微納塑料的檢測研究。復旦大學張立武課題組之前的研究工作中，首次報道利用 SERS 技術實現了環境納米塑料的檢測（EST,2020, 54(24): 15594）。但是該研究中采用的商業化 Klarite 基底成本昂貴，不適宜廣泛大規模的應用。

因此復旦大學張立武教授課題組基于 V 型陽極氧化鋁模板提出了一種新型適用于環境微納塑料檢測的低成本 SERS 基底，增強因子最高可達20，并可快速準確地檢測到1 μm 的單個微塑料顆粒。該基底具備熱點均一、增強效果好的優點，有望推廣到環境各介質中微納塑料的檢測，為尺寸更小的納米塑料檢測分析提供了新方法。

相關研究以 V-shaped substrate for surface and volume enhanced Raman spectroscopic analysis of microplastics 為題發表在 Front.Environ. Sci. Eng.。

實驗過程      

1) 制備SERS基底

在之前商業化 Klarite 基底研究經驗的基礎上，張老師課題組這次依然選用了具有相似倒錐形結構的陽極氧化鋁（AnodizedAluminum Oxide, AAO）模板，通過磁控濺射和離子濺射兩種沉積金納米材料的方法分別制備得到了相應的 SERS 基底。

圖1（a）空白的AAO模板；（b）離子濺射后形成的基底；（c）磁控濺射后形成的基底；（d,e）微塑料小球在基底上的分布。

2) 檢測微塑料標準樣品

在這個環節中，張教授團隊使用 HORIBA LabRAM XploRA 高性能全自動拉曼光譜儀驗證基底檢測微塑料的性能。實際結果也表明他們制備的 SERS 基底可大大增強微塑料的拉曼信號，增強因子最大可達20，可檢測到的微塑料尺寸也縮小至1 μm。這些數據充分表明了這次制備的 SERS 基底在檢測單個小尺寸微塑料顆粒方面具有明顯優勢。值得一提的是，與商業基底 Klarite 相比，這次使用的 SER 基底檢測成本也大大降低。

圖2（a）微塑料在硅基底上的拉曼光譜；（b）顯微鏡下，硅基底上不同尺寸的單個微塑料小球；（c）不同尺寸的單個微塑料在離子濺射形成基底上的拉曼光譜；

（d）不同尺寸的單個微塑料在磁控濺射形成基底上的拉曼光譜；（e,f）顯微鏡下，磁控濺射和離子濺射形成基底上的不同尺寸的單個微塑料小球；

（g）不同尺寸微塑料小球在不同濺射方法形成基底上的增強因子的箱線圖。

3）檢測真實環境樣品

不止實驗室環境，張教授對基底在實際環境中的應用能力也進一步進行了驗證檢測。他們收集了雨水樣品，并對其進行消解、過濾等前處理，最終將雨水樣品滴加在基底上進行實驗。張教授團隊利用 HORIBA 光譜儀的普通拉曼成像功能、SWIFT 快速成像功能以及 ParticleFinder 顆粒分析功能，對基底上的樣品進行分析，尋找疑似微塑料的顆粒物質并根據成像結果快速定位，最終在雨水樣品中檢測到與標準聚苯乙烯光譜高度匹配的微米級顆粒物質。

圖3（a）顯微鏡下在雨水樣品中找到的微塑料顆粒；（b）該微塑料顆粒的拉曼光譜，出峰位置與標準聚苯乙烯光譜高度匹配。

儀器使用評價

本研究中，我們使用的是 HORIBA LabRAM XploRA 高性能全自動拉曼光譜儀。（點擊查看更多產品詳情）

首先是利用 HORIBA 拉曼光譜儀檢測微塑料顆粒，其亞微米級的共焦成像分辨率使我們能夠清楚準確地尋找到目標顆粒物，同時全自動化的操作也大大節省了檢測時間。

其次是 HORIBA 拉曼光譜儀的 SWIFT 快速成像功能，幫助我們在檢測實際樣品時，能夠快速尋找定位疑似目標。

在檢測雨水樣品時，由于樣品中顆粒物眾多，且屬性未知，造成使用一般方法尋找顆粒物并進行檢測費時費力。而 HORIBA 拉曼光譜儀提供的普通拉曼成像功能和 SWIFT 快速成像功能提供了很大的幫助，光譜儀的自動化檢測操作提高了分析效率。

實驗室實拍

HORIBA LabRAM XploRA 高性能全自動拉曼光譜儀

文獻信息

原文標題：

V-shaped substrate for surface and volume enhanced Raman spectroscopic analysis of microplastics

發表期刊：

Front.Environ. Sci. Eng

文章署名作者：

Juan Liu , Guanjun Xu , Xuejun Ruan , Kejian Li , Liwu Zhang

課題組負責人介紹

張立武，復旦大學環境系教授，博士生導師。主要從事大氣污染化學研究，在EES，Angew，EST等期刊發表論文100余篇，他引總計8000余次。擔任英國皇家化學會期刊《EnvironSci:Adv》副主編。入選國家級青年人才計劃，上海市“東方學者"特聘計劃，德國洪堡學者等。近年來在環境顆粒物污染物檢測及成像方面開展了持續研究，包括實現了單顆粒氣溶膠三維化學成分及混合狀態的受激拉曼成像（SmallMethods , 2019, 1900600），單顆粒氣溶膠的表面增強拉曼檢測（EST,2017, 51, 6260；AnalyticalChemistry, 2019, 91, 21: 13647），及納米塑料的表面增強拉曼檢測（EST,2020, 54: 15594）等。