基于表面增强拉曼散射光谱的在线 pH 传感器研制及其环境应用研究

pH作为氢离子活度的负对数，是表征溶液酸碱性的核心化学参数，其实时在线监测在工业生产、环境科学和生命科学等领域具有重要意义。鉴于实际环境中存在深海热液喷口（高达pH 13）和工业废水处理系统（pH 2-12）等极端pH环境，实现覆盖极端pH的全范围（pH 0-14）在线监测具有重要研究价值。尽管传统玻璃电极具有检测范围宽、灵敏度高等优点，但其易破损、易污染，且在极端环境中易产生信号漂移（如“碱差”），从而限制其适用性。光学传感器则具有信号稳定、无需频繁校准且便于与光纤集成等优势，但其检测范围较窄（pH 2-8），难以胜任极端条件下的监测需求。因此，开发兼具全范围覆盖（pH 0-14）、快速响应、良好可逆性与高稳定性的在线pH传感器，已成为当前研究的重要方向。 表面增强拉曼散射（SERS）光谱以其高灵敏度、独特的指纹特异性和优异的抗光漂白性能，在生物传感和环境领域的pH检测中展现出广阔应用前景。然而，当前SERS pH传感器的研究仍面临以下挑战：（1）现有SERS基底均匀性差，热点分布不均，重现性不足，限制检测灵敏度；（2）常用的4-巯基苯甲酸（4-MBA）酸性范围内pH响应弱，严重影响比值法的定量准确性；（3）常规巯基探针仅含单一响应位点，响应范围有限，难以覆盖极端pH条件；（4）SERS pH传感技术目前多处于实验室研究阶段，尚未实现系统集成与仪器化，制约了其在复杂环境中的实际应用。因此，为推动SERS pH传感技术从实验室研究走向实际应用，特别是在极端环境下实现全范围、准确性良好、在线连续的pH监测，亟需开发兼具宽pH响应能力、可仪器化集成与长期稳定性的SERS传感器系统。本研究正是针对这一需求，依托SERS技术，系统开展了从高性能基底构建、新型探针设计、传感机制研究到器件集成与实际应用等系列工作。具体内容包括： 1、基于“碱调控”滴涂法高灵敏均匀SERS基底的制备方法及机理研究。针对SERS基底均匀性差的问题，本研究利用碱调控在不引入表面活性剂的基础上稳定柠檬酸钠还原法制备的胶体纳米金（cit-AuNPs），结合滴涂法制备高灵敏的均匀SERS基底。通过碱调控可以保护cit-AuNPs在配体修饰、离心浓缩时不发生聚集，并且该方法对大尺寸的cit-AuNPs具有普适性。与基于表面活性剂的方法相比，可以最大限度地减少保护剂对纳米粒子内在光学和界面特性的影响。原位拉曼数据和DFT模拟结果表明，在碱性pH条件下，柠檬酸盐分子的结构和构象发生变化，纳米金表面的负电荷和分子亲和力增加，从而提高了纳米粒子的稳定性。利用该方法制备的SERS基底均匀性良好，相对标准偏差低至5.56%，合成方法简单、灵敏度高，对模型分子结晶紫的检测低至5 × 10-7 M，将为后期pH传感器的制备创造条件。 2、基于双羧基芳香巯基探针酸性pH响应的SERS传感机制及水体pH分析应用研究。针对传统探针4-MBA在酸性条件下响应弱、比值误差大的问题，本研究开发了一种基于水凝胶封装双羧基探针的SERS酸性pH实时监测体系。以2，5-二巯基对苯二甲酸（2，5-DMTA）为探针，利用其双羧基可逆的质子化/去质子化过程所引发的拉曼峰强与位移协同变化，在pH 0-7范围内实现了良好的线性响应（R2 = 0.9786）。该传感器的相对标准偏差（RSD）低于5%，较4-MBA（约20%）显著提升。在基底构建方面，在第1部分制备的基底表面修饰2，5-DMTA后，通过琼脂糖水凝胶封装形成复合结构，有效抑制非特异性吸附并增强微环境稳定性。传感器具备优良的可逆性（≥6次循环）、连续检测稳定性（30 min）和长期储存性能（≥30天）。结合自主设计的3D打印微流控装置，可在2分钟内实现湖水等实际样品pH的快速在线监测。该SERS体系具有高准确性、低误差与强抗干扰特性，突破了SERS pH传感在酸性环境中的检测瓶颈，为复杂体系中pH实时监测提供了新途径。 3、基于巯基噻二唑衍生物全范围pH响应的SERS传感机制及水体pH分析应用研究。针对传统SERS pH探针因单一响应位点难以实现全范围准确检测的不足，本研究开发了一种基于2-氨基-5-巯基-1，3，4-噻二唑（2-AMT）的多响应位点SERS传感器，实现了pH 0-14范围内的灵敏检测。该传感器在第1部分制备的高性能SERS基底上修饰2-AMT分子探针，借助其独特的分子结构和可逆的质子化/去质子化过程诱导的多种分子构象转变，展现出稳定而显著的pH响应特性。通过融合机器学习算法，利用SERS光谱作为输入特征，建立了全范围pH高准确性定量模型。主成分分析（PCA）证实，系统在极端pH条件下仍保持优异的光谱稳定性与抗盐性（1 M NaCl）。传感器同时具备快速响应（＜80 s）、良好可逆性（≥6次循环）、长期稳定性（60天）及优异的光稳定性（连续测定400次），其准确性经商业化pH标准溶液验证，并成功应用于实际水样检测。该传感器兼具pH电极的宽范围、可逆性优势与光学传感器的高稳定性和易集成特性，在深海探测及工业废水监测等极端环境中应用前景广阔，为复杂环境中pH原位监测提供了可靠解决方案。 4、光纤介导全范围SERS在线pH监测仪器研制及海水剖面分析应用。针对当前SERS pH传感技术大多处于实验室研究阶段，尚未实现系统集成与仪器化等问题，本研究基于第3部分开发的SERS pH传感器，集成3D打印装置与长距离光纤，研制出一种适用于水体剖面pH原位监测的光纤介导SERS在线分析系统。该系统具有宽范围检测、快速响应、高耐盐性、良好可逆性与光稳定性等优点，并搭配便携式拉曼仪，可实现现场实时监测。其准确性通过商用标准溶液所验证，并成功应用于实际水样的测试，其pH测量误差小于0.2 pH，表现出优良的准确性与可靠性。实验室碱性环境模拟验证进一步表明该系统适用于剖面pH监测。此外，该系统已成功应用于海水及井水等不同深度水体的原位监测，可有效追踪pH动态变化，揭示环境状态。本研究推动了SERS技术从实验室走向实际应用，所开发系统兼具原位分析、便携部署、远程传输及水下平台兼容能力，为深海热液区、污染周边等难以抵达区域的化学监测提供了有效手段。 5、面向长期水下pH监测的SERS传感器开发及稳定性研究。针对第1部分传统SERS基底因金纳米颗粒结合力不足，在水下环境中易发生颗粒脱落，导致传感器稳定性与机械稳健性较差的问题，本研究基于金属辅助化学刻蚀与原位沉积技术，开发了基于Au沉积硅纳米线（Au-SiNWAs）复合基底的pH传感器。该基底表现出良好的重现性与均匀性（RSD＜5%），对结晶紫的检测限低至5×10-8 M，增强因子（EF）为2.48×106。在机械稳定性方面，可耐受高达6000 rpm的离心处理（模拟高速水流冲击）、200 rpm持续振荡12小时（模拟波浪作用）以及3 mL/min流速的持续冲击（模拟流体剪切力），信号波动均小于5%，且结构完整无颗粒脱落。该传感器同时具备宽pH范围响应、优异耐盐性（1 M NaCl）和良好可逆性（≥6次循环），支持水下长期稳定监测（＞30天）。实际水样测试表明，其与商用pH电极对比误差小于0.2 pH，在复杂水下环境在线监测中展现出良好的应用潜力。