基于石墨烯构建的SPME@SERS一体化分析方法在多环芳烃暴露标志物监测中的应用与研究

Polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) can cause cancer under high occupational exposure. Monitoring the level of PAHs will provide scientific evidence for epidemiology research. The PAHs exposure level can be assessed comprehensively by detecting the hydroxy-PAHs (OH-PAHs) in urine. In this project, graphene has been chosen to combine solid phase micro-extraction (SPME) and surface enhanced Raman spectroscopy (SERS), due to its extraordinary properties. Via the structure and property tuning of graphene, we are going to prepare a coating material, which can enrich OH-PAHs and provide sensitive SERS signal of them. Based on this material, the SPME@SERS extracting and detecting integrated technique will be established. The extraction and detection performanceof the integrated technique on OH-PAHs will be investigated. With methodology study and high performance liquid chromatography as control method, the feasibility of SPME@SERS detection of OH-PAHs in real urine samples can be assessed. The development and application of SPME@SERS integrated technique will provide a novel resolution for the fast and sensitive biological monitoring of PAHs in hygienic analytical chemistry, which may break the bottleneck in the development of current occupational monitoring techniques.

多环芳烃（PAHs）能够引发多种恶性肿瘤，对其暴露水平进行监测是研究PAHs暴露和预警PAHs中毒的重要前提。检测PAHs暴露标志物——尿中羟基多环芳烃（OH-PAHs）的水平可以综合评价人体对PAHs的暴露程度，然而现有的前处理与检测手段仍存在诸多问题。本项目瞄准以上问题，利用石墨烯作为功能化材料，通过对其结构与性质进行筛选与调控，使其同时具备对OH-PAHs的高效富集能力和灵敏检测性能，在此基础上深入融合固相微萃取（SPME）与表面增强拉曼光谱（SERS）的应用优势，构建基于石墨烯的SPME@SERS一体化分析技术，并研究其萃取和检测OH-PAHs的性能。通过方法学研究，并以高效液相色谱法作为对照，评价其在实际尿样中OH-PAHs检测的应用可行性。该技术的发展与应用将有望突破现有条件下职业卫生监测技术发展的瓶颈，从而为PAHs的生物监测提供一种高效、灵敏的卫生分析化学新方法。

对生物样本中多环芳烃（PAHs）的标志物进行测定是评价其暴露水平的金标准。本研究利用新型二维材料石墨烯构建了固相微萃取@表面增强拉曼光谱（SPME@SERS）一体化分析技术，并将其应用于PAHs暴露标志物羟基多环芳烃（OH-PAHs）的生物监测。研究首先通过理论计算分析，证明了石墨烯材料作为OH-PAHs萃取材料的可行性，探讨了环数、共轭结构、缺陷及含氧基团对吸附能力的影响。通过制备实验和综合表征证明，电流置换反应可诱导还原氧化石墨烯和银颗粒在铜银纤维表面层层堆积形成功能化涂层。该涂层经过结构与活性优化，可在萃取纤维表面提供普通拉曼信号千万级增强的SERS活性，并利用此策略构建了能够在同一装置上实现待测物萃取与检测的SPME@SERS一体化装置。研究通过对SPME原理及公式进行推导，得出了萃取体系中待测物浓度、溶液初始浓度和吸附量之间的关系，并获取了一体化装置萃取OH-PAHs的热力学曲线，实验结果证实其特征符合SPME模型，OH-PAHs在涂层上的吸附量随温度升高而增大；通过萃取动力学研究，确定了萃取条件对平衡时间的影响，提出了加速传质以提升萃取速率的有效手段。本研究创新性地利用计算化学方法结合分子振动分析，解决了OH-PAHs标准拉曼谱图不易获取的问题，确定了用于5种OH-PAH定性检测的SERS参考峰频移；通过理论推导结合实验验证，建立了SERS强度与待测物浓度的线性关系，提出了SPME@SERS定量检测的基础。探索了采用数据处理结合化学计量学手段，应对多组分OH-PAHs混合样本的免色谱分析路径，明确了SPME@SERS一体化方法在OH-PAHs分析中的可行性。最后，采用模拟尿液加标作为样本溶剂考察了在OH-PAHs检测中的方法学性能，证明其在线性范围内具有很好的灵敏性、良好的准确性和较好的精密性。与高效液相色谱法作相比，在确保相近分析性能的同时，SPME@SERS一体化方法能够在短时间内提供实际尿样中1-羟基芘（1-OHP）、3-羟基苯并[a]芘（3-OHBaP）和3-羟基苯并[a]蒽（3-OHBaA）更高的检出率，展现了其在PAHs生物监测中的可行性、高效性和独特优势。