近日，满宝元教授团队在知名光学期刊《Opto-Electronic Advances》（物理一区，影响因子15.3）上发表题为“Quantitative detection of trace nanoplastics (down to 50 nm) via surface-enhanced raman scattering based on the multiplex-feature coffee ring”的研究论文。山东师范大学为第一署名单位，硕士研究生林昕翱为论文第一作者，郁菁副教授、张超教授为论文共同通讯作者。该论文完成过程中得到我院焦扬副教授、李振副教授、赵晓菲博士的帮助与支持。
塑料污染已成为全球性环境危机，每年约4.8-12.7亿吨塑料废物进入水体，预计2050年将达120亿吨。其中尺寸小于1 μm的纳米塑料因能穿透生物屏障并吸附污染物，具有更强毒性。表面增强拉曼光谱（SERS）技术凭借其独特的化学指纹识别与高分辨成像能力，成为纳米塑料检测的重要工具。
当前，基于SERS技术的纳米塑料检测面临的最大问题是如何对痕量纳米塑料进行精准定量分析。纳米塑料在真实水环境中的浓度较低，通常为μg/L量级，一般SERS基底的检测灵敏度无法满足实际的检测需求。这主要是由于在低浓度下，纳米塑料在基底表面分布较为分散，相邻纳米塑料之间的距离大于检测光斑直径，在不同低浓度下检测时，检测光斑区域内的纳米塑料数量相近，检出拉曼光谱强度差别较小。因此，基于特征峰信号强度随浓度变化的量化分析方法无法适用。此外，在浓度很低时，由于纳米塑料数量较少，在较大的检测范围内对纳米塑料快速、精准定位也十分不易。
针对上述问题，本文提出了一种基于咖啡环效应的全新SERS检测策略：当在疏水CuO/Ag SERS基底表面滴加含有纳米塑料的溶液时，液滴内的马兰戈尼环流会将“咖啡颗粒”（纳米塑料）移动到液滴边缘，干燥后形成明显的咖啡环。由于钉扎效应，纳米塑料最终被富集至咖啡环内部，这样便改善了低浓度下纳米颗粒过度分散导致的拉曼检测强度差异不明显的问题。实验过程中，研究团队发现，基底表面咖啡环的内径与液滴中纳米塑料的浓度呈负相关关系；此外，由于咖啡环的富集作用，即使在纳米塑料浓度较低时，也可以在较小的检测区域内进行拉曼mapping扫描，并收集到较多的有效拉曼光谱信息，且发现检测区域内的有效拉曼光谱检出概率与纳米塑料的浓度也呈负相关。因此，在低浓度时，除了可以通过拉曼光谱确定纳米颗粒的成分外，也可以通过咖啡环的直径与环内的拉曼信号检出概率进一步分析其浓度。换言之，这种超疏水的CuO/Ag SERS基底不仅可以提供较强的增强热点，还可以提供更多与纳米塑料浓度相关的检测信息。在此基础上，进一步利用机器学习算法对上述三种不同特征（信号强度，咖啡环直径，检出概率）进行重新整合，并进行多特征分析，研究团队发现在1 %至10-10 %的浓度范围内，通过多特征分析得到的纳米塑料的浓度测量值与真实值的均方误差仅为0.54（PLSR）和0.21（SVR），比仅依靠特征峰强度变化的线性回归分析（4.06）得到的结果提高了19倍，且最低量化检测限低至10-10 %。
文章链接: https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2025.240260
以上研究得到国家自然科学基金、山东省自然科学基金、山东省泰山学者项目等的资助。
