表面增強拉曼光譜在痕量殘留檢測方面的應用

汪 偉， 褚振華， 鄭興偉

(上海海洋大學工程學院，上海 201306)

1 前言

拉曼光譜是通過拉曼散射效應，對與入射光頻率不同的散射光進行分析以獲得分子振動和轉動方面信息的一種散射光譜[1]。不同分子具有不同結構及振動和轉動方式，能獲得特定的拉曼特征峰信息，因此具有“指紋特性”[2]。與傳統分析檢測方法相比，表面增強拉曼光譜(Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS)分析技術作為一種快速、無損分析研究工具，在物質成分鑒定和分子結構分析方面具有不可替代的作用[3]。目前關于SERS分析技術在化學污染物、食品添加劑，以及其他痕量有害化學物質等的檢測和鑒別方面的應用研究報道越來越多，這表明SERS作為一種快速分析檢測技術具有巨大潛力。

2 表面增強拉曼光譜技術在痕量殘留檢測方面的應用

SERS能夠較好的檢測食品中的非法添加劑、農藥殘留等。隨著現代科技的發展，一些商家為提高產品的產量和銷量，往往會在食品生產和加工過程中非法添加上述有害物質，給食品安全帶來了巨大威脅。因此，快速監測食品中是否含有化學污染物和藥物殘留對食品安全的保障具有重要意義，而SERS技術可滿足這一檢測要求，并已在食品痕量殘留檢測中得到廣泛應用。

2.1 農藥殘留

農藥被廣泛應用于現代農業以控制雜草和防治病蟲害。然而過量用藥或者不對癥下藥等，將導致土壤、水資源污染等一系列問題。這些藥物在動植物中的殘留可以通過食物鏈進入人體內從而對健康產生危害[4]。為了保障食品安全和人體健康，減少環境污染等問題，提取和檢測食品中的農藥殘留意義重大。但已有的農藥殘留檢測方法操作復雜，難以滿足現場快速、實時檢測的需求[5]。SERS是拉曼光譜結合納米增強材料實現高靈敏檢測分析的光譜技術，可以實現無損條件下的現場實時檢測。該方法操作簡單，敏捷快速，已經在食品表面殘留污染物檢測方面大量運用。Zhu等[6]利用銀鏡反應原理將Ag納米顆粒(Ag NPs)沉積到濾紙制成的基底紙上，以此種基底紙擦拭果皮后，由拉曼檢測儀檢測基底紙，檢測了果皮上農藥殘留。He等[7]利用樹枝狀Ag納米基底，采用擦拭法實現了對蘋果表皮上的噻苯咪唑的快速無損檢測，回收率在59.4%～76.6%之間。研究表明這種拭子-SERS方法簡單、快速、靈敏，還可以擴展到檢測其他食品，如梨、胡蘿卜和瓜等的農藥殘留。楊永安等[8]以毛細管壁吸附Ag NPs為增強基底，在酸性條件下可以檢測農藥樂果，濃度為0.1 mg/kg。何強等[9,10]以Au/Ag核-殼復合粒子為增強基底，獲得了樂果及氧化樂果在酸堿條件下一系列濃度的SERS，考察了樂果和氧化樂果分子在該增強基底表面的吸附狀態及酸堿條件產生的影響，發現氧化樂果主要以磷酸酯結構與增強基底表面作用。此研究為研究其他有機磷農藥的形態轉化提供有益的參考。

Luo等[11]通過迭代播種法在偽紙膜(PPFs)上原位合成Au NPs，并將其作為SERS基片用于表面農藥殘留檢測，可同時檢測蘋果皮上的福美雙、甲基對硫磷和孔雀綠，其中福美雙的檢出限為1.1 ng/cm2。黃雙根等[12]以Au NPs 為基底，首先對不同濃度西維因標準溶液進行SERS采集，其次采用多元散射校正(MSC)法對采集的SERS進行預處理，建立了小白菜中西維因農藥殘留的PLS預測模型。該模型對濃度低于0.976 mg/L時，在西維因仍具有良好的預測性能，預測回收率為95.73%～107.28%，相對誤差為1.98%～7.28%。Zhai等[13]以Ag膠作為SERS基底，將提取蘋果上單一農藥的拉曼信息結合自建預測模型，實現定量監測混合狀態下的啶蟲脒和多菌靈，SERS強度與農藥啶蟲脒(0.0012～15.31 mg/kg)和多菌靈(0.0081～10.53 mg/kg)的濃度具有良好線性關系，相關系數分別為0.988和0.986。

Yang等[14]探究一種快速生成Ag納米殼的方法，通過SERS并結合該Ag納米殼實現了農藥殘留的免標記檢測。Luo等[15,16]通過對比不同納米材料對不同農藥的SERS響應特性，獲得最優尺寸納米材料，并對蘋果及蘋果汁中農藥殘留進行了分析，方法對亞胺硫磷和噻菌靈的最低檢測濃度分別為0.5 μg/g和0.1 μg/g。Luo等[15]通過SERS技術與Au NPs 聯合應用于測定蘋果汁中百草枯的含量，表明它作為一種快速、簡單、超靈敏的檢測方法，在多種食品中檢測百草枯或其他污染物方面有巨大的實用潛力。Luo等[16]研究了一種新的、快速和靈敏的檢測方法，用于分析蘋果中痕量農藥殘留，該方法對于分析其他痕量污染物具有很大的潛力。應方等[17]以Au NPs作為增強基底，實現了倍硫磷與對硫磷等常用有機磷農藥的多靶標同時檢測，倍硫磷和對硫磷檢測限分別可達0.01、0.025 μg/mL。在對實際菠菜樣品的檢測中，檢測限達到0.05 μg/mL。Kubackova等[18]將SERS增強基底表面功能化，克服了SERS增強基底與分析物結合能力差的問題，在檢測有機氯農藥殘留中顯示出強大的能力，檢出限均低于10-8mol/L。Tang等[19]采用SERS對三唑磷、百草枯和氟硅唑進行了分析檢測，SERS對單一農藥的檢測限分別為0.01、0.1和2.85 mg/L；3種農藥混合時，在低濃度下它們的特征峰仍然可以從混合物的SERS光譜中識別出來，可實現農藥種類的定性判別。

2.2 色素和染料類添加物

食品安全問題一直是社會關注的焦點問題，對于人民健康具有非常重要的意義[20]。然而近些年來食品安全現狀較為嚴峻，不僅危害消費者的身體健康，同時對市場風氣以及我國對外食品貿易中的信譽都有極大損害[21]。運用SERS技術結合固體表面基底可快速檢測色素和染料類添加物。Lee等[22]用Ag溶膠作為基底，采用SERS技術可測到1～2 ng/mL孔雀石綠和結晶紫的SERS特征峰。此外，傳統分析方法的一些問題，如樣品制備時間長、測量時間長、間接測量等，都可以用這種SERS微流傳感器來解決。同時作者預計這種分析技術可以成功地應用于其他敏感的痕量分析。He等[23]報道了基于SERS對結晶紫和孔雀石綠及兩者混合物的快速檢測方法，檢測限為0.2 ng/mL，Au NPs 表面增強基底的增強效應達到了4.0×107倍。

Zhang等[24]用Au NPs固體表面基底，采用三種不同的樣品前處理方法檢測魚肉中的孔雀石綠，結果表明運用SERS最低能檢測到魚肉中1 ng/mL的孔雀石綠，定量分析模型的預測值與實際值的R2為0.79～0.98，簡化前處理后分析時間可從2 h左右縮短到40 min。Ou等[25,26]基于SERS結合Au納米棒及Au@Ag納米材料，對飲料及辣椒中多種色素類染料進行了SERS分析，并對比了不同樣品處理方法及基底穩定性。Ou等[25]運用SERS與Au納米棒相結合，分析食品著色劑和其他食品添加劑，方法快速、簡便、靈敏。該方法可以實現對飲料中誘惑紅和日落黃進行的定量分析，僅需少量樣品，整個過程方便簡單，成本低，高效快捷。同時該方法可作為進一步調查的基礎，以確定復雜系統中超痕量的特定物種。Ou等[26]研究表明，采用簡化的樣品制備方法，將Au@Ag作為SERS基底用于蘇丹Ⅰ～Ⅳ的定性定量分析具有很大的潛力，同時通過開發的PLS模型為辣椒片中蘇丹染料提供了相對較好的可預測性。通過更好地控制SERS基底的表面結構和穩定性，最大限度地提高目標分子的SERS增強效果，從而擴展分析痕量化合物的能力和范圍。Hu等[27]研究了ZnO/Ag混合基底的合成制備，利用自制基底結合SERS對蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅳ進行了探索性檢測，檢出濃度為1.0×10-12mol/L。

2.3 抗生素

為了作物生長實現高產量及家禽養殖過程中防病治病，大量種類繁多的抗生素被濫用于作物和禽畜水產養殖的過程中[28]。這些藥物在動植物中的殘留可以通過食物鏈進入人體內從而對人體健康產生危害[4]。因此，加強食品檢測技術的研究對于作物和禽畜水產養殖安全顯得尤為重要，而應用SERS分析技術對食品中抗生素的快速檢測也是目前食品安全研究領域的熱點之一。Lai等[29,30]用Au NPs固體表面基底能檢測到溶液中50 ng/mL的氯霉素和5～10 ng/mL左右的磺胺類抗生素。該研究表明利用SERS技術檢測和測定微量違禁或限制藥物有巨大的潛力。Zhang等[31]采用Au NPs固體表面基底對呋喃唑酮標液的檢出濃度為800 ng/mL，并對羅非魚中呋喃唑酮殘留進行了檢測，檢出限為1 μg/g，定量分析模型的R2為0.92。陸冬蓮等[32]研究了呋喃唑酮在自制銀鏡基底表面的吸附狀態，證明了呋喃唑酮分子主要是通過C=N吸附于Ag NPs表面，獲得了良好的增強效果。

Xie等[33]運用Au NPs溶膠作為增強基底，基于SERS檢測了2種呋喃類抗生素及其混合物，通過特征峰分析可識別呋喃它酮和呋喃妥因，最低檢出濃度為5 mg/L。結果表明該SERS方法能夠識別和表征糠醛酮和呋喃丹酮，這對于進一步應用于食品樣品中抗生素殘留的檢測是有價值的。此外，所提出的檢測微量硝基呋喃抗生素的方法在檢測食品樣品中禁用抗生素方面具有很大的潛力。He等[34]采用SERS結合樹枝狀Ag納米表面增強基底，對3類禁用抗生素恩諾沙星、環丙沙星和氯霉素進行了快速準確的定性定量分析，最低檢測濃度可達到了20 ng/mL。結果表明，使用SERS與樹枝狀Ag納米表面增強基底結合用于化學污染物的快速檢測、分類和定量方面具有很大的潛力。然而，研究也表明還需要更多的研究來提高SERS的靈敏度，通過優化激光波長等條件來探索測量其他食品污染物的可行性，并將該方法應用于實際食品中化學污染物的檢測。

2.4 三聚氰胺和瘦肉精類添加劑

SERS分析技術作為一種快速、便捷、無損的檢測方法，在檢測食品中三聚氰胺已有大量應用。Zhang等[35]運用SERS技術結合Ag溶膠對牛奶中的三聚氰胺進行了檢測，實現了至少105倍的拉曼信號增強，對牛奶中三聚氰胺的檢出限為0.5 μg/mL。Cheng等[36]利用便攜式拉曼光譜儀，結合Au納米增強基底，對雞蛋中的三聚氰胺進行檢測，蛋白和蛋黃中三聚氰胺的檢出限分別為1.1 mg/kg和2.1 mg/kg。用偏最小二乘法對蛋白和蛋黃中添加的微量三聚氰胺進行了表征和定量，獲得了較好的蛋白濃度三聚氰胺模型，用留一法進行驗證，所得模型預測值與真實值相關系數(R2)為0.98。該SERS是傳統色譜和免疫分析的一種很有前途的互補方案，可提供一種快速、超靈敏的檢測和表征雞蛋中三聚氰胺污染物的工具，適用于現場雞蛋產品質量控制和市場監控。Mecker等[37]采用便攜式拉曼光譜儀，對奶粉、配方奶等8種食品中三聚氰胺的檢出限為100～200 μg/L。Yazgan等[38]采用SERS技術結合磁性納米材料對牛奶中的三聚氰胺進行檢測，檢出限和定量分析限分別為0.39 mg/L和1.30 mg/L。結果表明，SERS技術是一種簡單、快捷的檢測方法，適用于真實樣品中三聚氰胺的檢測。

克侖特羅俗稱瘦肉精，是一種非法食品添加劑，我國已經明令禁止在飼料及動物飲用水中使用該添加劑[39]。Zhu等[40]基于Au NPs的SERS納米探針標記與克倫特羅抗體連接，通過修飾的玻璃基板競爭吸附克倫特羅-BSA抗原，與SERS納米探針結合作為SERS基底，對豬尿樣品中克倫特羅進行了分析檢測，檢出限為0.1 pg/mL。該檢測方法為制備簡單、快速、經濟的SERS納米探針檢測小分子提供了一個很有前途的平臺。萊克多巴胺作用與克侖特羅類似，是一種新型人工合成的瘦肉精類非法食品添加劑[41]。Zhai等[42]基于SERS結合Au納米基底對豬尿中萊克多巴胺殘留進行了檢測，尿樣中萊克多巴胺的提取和凈化采用液-液萃取和固相萃取法，檢測限為0.4 μg/mL。省去凈化步驟后，由于尿素的強烈干擾，使得萊克多巴胺特征峰的強度相對減弱，檢測限為0.8 μg/mL，定量分析模型的R2為0.73～0.74，雖然簡化前處理有基質峰的干擾，但定量分析結果差異不大。

3 前景與展望

通過分析基于SERS技術在痕量殘留檢測方面應用的研究現狀表明：該技術在微量和痕量物質的檢測具有快速、無損和可靠的優異特性。相對食品復雜組分基質(蛋白質、脂肪、糖、酸等)對目標分析物檢測的干擾，飛機待涂裝表面干擾因素更為簡單明確，對特征譜圖的影響更少，因此，表面殘留污染物直接檢測更具可行性。另外，飛機待涂裝表面清潔度狀態檢測和食品安全微量物質檢測具有很高的相似性。兩者檢測對象都具有微量特性，且要求檢測技術具有快速、無損和可靠性特性。這些共同特性為基于SERS檢測技術應用到飛機零件噴涂前清潔度檢測提供了可行性的理論和技術支撐。

SERS技術作為高靈敏的拉曼指紋光譜分析技術，其在痕量物質檢測領域的研究報道逐年增加，隨著科技的進一步發展，SERS分析技術在表面痕量殘留檢測領域及其他應用領域中將具有更為廣闊的應用前景。