表面增強拉曼光譜法在農(nóng)藥殘留檢測中的研究進(jìn)展

歐陽思怡 葉 冰 劉燕德

（1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)楚天學(xué)院，湖北 武漢 430205；2.華東交通大學(xué)光機電技術(shù)及應(yīng)用研究所，江西 南昌 330013）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，人們對食品安全性的要求也越來越高。食品污染的來源很多，農(nóng)藥濫用和人工合成添加劑濫用引起的污染是其主要的兩個來源［1］。雖然農(nóng)藥是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中不可或缺的生產(chǎn)資料，在大大提高農(nóng)作物產(chǎn)量的同時，對環(huán)境和人類的生命安全也造成了威脅［2］。而且很多生產(chǎn)者只注重農(nóng)藥劇毒的藥效，甚至使用國家明令禁止的高毒高殘留農(nóng)藥，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品農(nóng)藥殘留超標(biāo)。而且某些農(nóng)藥的性質(zhì)穩(wěn)定、殘留期長，一旦造成污染很難消除［3］。因此，對食品中的農(nóng)藥殘留量的快速、靈敏、方便的檢測變得越來越重要［4］。

農(nóng)藥殘留是指在農(nóng)藥使用后一個時期內(nèi)，沒有被分解而殘留于生物體、收獲物及環(huán)境中有毒代謝物、微量農(nóng)藥原體、降解物等的總稱［5］。目前，中國普遍采用的農(nóng)藥殘留檢測的方法主要是氣相色譜法［6］、高效液相色譜法［7］、酶 抑制法［8］等。近年來，也有超臨界流體色譜［9］、化學(xué)分析法［10］、生物傳感器［11］及免疫分析技術(shù)［12］等相關(guān)報道。這些檢測方法操作步驟繁瑣，檢測前需要制備樣品，樣品從制備到檢測所需時間較長，還需消耗化學(xué)藥品［13］。用拉曼光譜法檢測農(nóng)藥操作簡便，但是其測量濃度的范圍有限，限制了它的發(fā)展與應(yīng)用。表面增強拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)，大大增強了拉曼散射信號的強度，為拉曼光譜技術(shù)對農(nóng)藥殘留的檢測指出了一個新的方向。

1 拉曼與表面增強拉曼光譜

印度物理學(xué)家拉曼（Raman）在1928年發(fā)現(xiàn)了光的非彈性散射效應(yīng)拉曼散射，單色光照射在分子表面會發(fā)生散射，小部分散射光因為會跟分子發(fā)生能量交換，光譜的波長會發(fā)生改變，這種光譜就是拉曼光譜。光譜中出現(xiàn)的尖銳的峰，表征了化學(xué)物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)特性，具有定性分析和區(qū)分相似物質(zhì)的功能，從而被用作識別鑒定未知化學(xué)物的有效方法［14］。常規(guī)Raman散射截面分別只有紅外和熒光過程的10－6和10－14［15］，這種內(nèi)在低靈敏度的缺陷曾制約了Raman光譜應(yīng)用于痕量檢測。為了增強所分析式樣的拉曼效應(yīng)，人們設(shè)計和實施了表面增強拉曼光譜技術(shù)，使其檢測限提高了4至10個數(shù)量級［16］，在痕量化學(xué)物質(zhì)快速檢測方面和物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)分析方面顯示出越來越巨大的潛力。

1974年，F(xiàn)leischmann等［17］對平滑銀表面加以粗糙化處理后，將吡啶分子吸附在粗糙銀電極表面上，獲得吸附在銀電極表面上的吡啶分子的高質(zhì)量拉曼光譜。與溶液相中的同數(shù)量的吡啶的拉曼散射信號相比，粗糙銀表面上的吡啶的拉曼散射信號增加了約100萬倍，這種現(xiàn)象使激光拉曼光譜分析的信噪比大大提高，被稱為表面增強拉曼散射。SERS效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)有效地解決了Raman光譜在表面科學(xué)和痕量分析中存在的低靈敏度問題。

1.1 SERS增強機理

雖然SERS效應(yīng)從發(fā)現(xiàn)到現(xiàn)在已經(jīng)有幾十年的歷史，而且進(jìn)行了大量的試驗研究［18］，建立了各種理論模型，但是對SERS理論的研究一直相對滯后。這主要是因為具有SERS效應(yīng)的體系非常復(fù)雜，體系表面形貌和表面電子結(jié)構(gòu)、光和粗糙表面的相互作用、光和分子的相互作用、分子在表面的取向、成鍵作用以及分子和表面的周邊環(huán)境、入射光的強度、頻率、偏振度和偏振方向等因素對SERS譜圖的影響均比較復(fù)雜。SERS體系的這些復(fù)雜性導(dǎo)致了人們對SERS效應(yīng)還沒有一個統(tǒng)一而精確的認(rèn)識。目前的研究認(rèn)為電磁場增強（EM）和化學(xué)增強（CT）為 SERS機理主要的兩種方式［19，20］，其中電磁增強是由于金屬表面與激發(fā)光的相互作用使分析物電場強度增大的結(jié)果?；瘜W(xué)增強是由于分析物與金屬波函數(shù)重疊而發(fā)生，只有近距離的吸附分子和基底之間才出現(xiàn)化學(xué)增強效果。

1.2 SERS活性基底

為了得到SERS信號，必須要制備活性基底，并且SERS活性與表面納米結(jié)構(gòu)的粒子尺寸、形狀和排列密切有關(guān)。金屬表面存在一定宏觀或微觀的粗糙度，才能顯示出SERS效應(yīng)。單分子SERS是首先在Ag和Au納米粒子上發(fā)現(xiàn)的［21］，進(jìn)而通過大量的研究［22］，在吡啶獲得了 Au、Ag、Cu 3種貴金屬的SERS信號。在實際應(yīng)用中，只有Au、Ag、Cu這3種金屬能使拉曼的信號增強106倍，這在一定程度上限制了SERS的應(yīng)用。近年來相繼在Li、Na、Ni、K、Cd、Hg、Pt、Al、Zn等金屬上也發(fā)現(xiàn)有SERS效應(yīng)，并且對TcO2、NiO以及高聚物上的表面增強效應(yīng)也有一些報道。

目前使用的活性基底有金屬電極活性基底、金屬溶膠活性基底和針尖增強拉曼活性基底等。金屬電極活性基底的制備是通過對Au、Ag、Cu等金屬電極做表面粗糙化處理，使電極表面的凸起產(chǎn)生10～100mm范圍內(nèi)的粗糙化［23］。貴金屬膠體是目前表面增強活性基底中使用最廣泛的一類，其制備也比較簡單，金膠和銀膠是最常使用的兩種膠體，膠體粒子可以為SERS研究快速提供較為準(zhǔn)確、豐富的信息。針尖增強拉曼技術(shù)是近些年來發(fā)展的新技術(shù)，利用不同的掃描探針顯微技術(shù)（SPM）和拉曼光譜聯(lián)用，獲得較高的空間分辨率和高的檢測靈敏度，理論上可增強109倍，試驗報道［24］中增強已達(dá)到106倍。

2 SERS在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用

雖然農(nóng)藥在農(nóng)作物病蟲害的綜合防治中起著不可替代的作用，為農(nóng)作物的增收提供了重要保證，但是，農(nóng)藥的連年使用，必定會造成河流、土壤、環(huán)境的污染，從而引起食物中農(nóng)藥的殘留。殘留的農(nóng)藥具有一定的毒性，是一種嚴(yán)重的化學(xué)危害，對人體健康造成潛在或直接的危害。農(nóng)藥分子的結(jié)構(gòu)不同，其分子的振動光譜也不同，因此運用拉曼光譜技術(shù)檢測農(nóng)藥殘留的方法是可行的。拉曼光譜操作簡單，但其測量的農(nóng)藥濃度范圍有限。拉曼散射效應(yīng)都只有弱信號，這是拉曼散射本身固有的特性。為了增強所分析試樣的拉曼效應(yīng)，滿足某些分析的特殊需要，人們使用了各種各樣的拉曼光譜技術(shù)，其中表面增強拉曼光譜是最受關(guān)注的技術(shù)之一。拉曼散射光譜的靈敏度雖然很高，但是散射截面很小，在粗糙金屬表面或者金屬膠粒的作用下，可能把某些材料的拉曼橫截面積增大至107倍，并且只有在金屬表面上吸附物質(zhì)才有增大的效果，這種效應(yīng)稱為表面增強拉曼散射。常用的具有表面拉曼增強效應(yīng)的金屬有Au、Ag、Cu，且它們的增強效果依次為Ag＞Au＞Cu。SERS可以與其它技術(shù)聯(lián)用，與共振拉曼光譜增強聯(lián)用，最大增強因子可達(dá)1014～1015。

2.1 國外研究現(xiàn)狀

國外應(yīng)用拉曼光譜技術(shù)在糧食、水果、蔬菜農(nóng)藥檢測中取得了一定的進(jìn)展。Shende等［25］通過使用表面增強拉曼光譜法檢測到食品中的農(nóng)藥殘留，其檢測限達(dá)到10－6。Shende等［26］采用表面增強拉曼光譜方法，分析了水果上農(nóng)藥殘留成分。Lee等［27］采用共聚焦表面增強拉曼光譜，對甲基對硫磷殺蟲劑進(jìn)行定量檢測，檢測限達(dá)到10－7。Guerrini等［28］利用納米銀雙吖啶黃嘌呤二陽離子光澤精硫丹能形成很強的SERS信號，成功地在納米銀顆粒與有機氯農(nóng)藥硫丹之間組裝雙吖啶黃嘌呤二陽離子光澤精。Jitraporn等［29］用金銀合金納米粒子的表面增強處理方法，用表面增強拉曼光譜技術(shù)檢測地蟲磷農(nóng)藥殘留，可以檢測到濃度為10mg／L的農(nóng)藥，展示了一個潛在分析地蟲磷殘留的技術(shù)。

2.2 中國國內(nèi)研究現(xiàn)狀

雖然中國拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用在食品檢測方面起步較晚，但在食品安全方面也取得了一定的進(jìn)展。在農(nóng)藥檢測方面，除了色譜法以外，紅外光譜法和拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展也越來越快。朱春艷等［30］利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR／ATR）檢測蔬菜有機磷農(nóng)藥，其原理是通過激光照射獲得入射光的干涉圖，并通過數(shù)學(xué)算法（傅立葉變換）把干涉圖轉(zhuǎn)換為紅外光譜圖，找出有機磷農(nóng)藥的特征峰，以確定其農(nóng)藥成分。李文秀等［31］利用紅外光譜法（IR）對蔬菜汁溶劑中的敵敵畏和敵百蟲高殘農(nóng)藥進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，在中紅外波段，蔬菜葉的色素幾乎沒有吸收，檢出限為0.015mg，應(yīng)用紅外光譜技術(shù)可以直接對蔬菜上的農(nóng)藥殘留進(jìn)行檢測。張國文等［32］運用同步熒光法研究了西維因、蠅毒磷的熒光行為，西維因和蠅毒磷的線性范圍分別為0.016～0.384，0.016～0.320g／mL，其檢出限分別為0.015，0.010g／mL。吉芳英等［33］以金／銀核殼粒子為基底，獲得了不同濃度及其酸堿條件下氧化樂果的表面增強拉曼散射（SERS）光譜，考察了其分子在該基底表面的吸附狀態(tài)及其酸堿影響，推測了氧化樂果的SERS機理，為研究有機磷農(nóng)藥的形態(tài)變化提供了參考。Tang等［34］以銀溶膠為基底，通過表面增強拉曼光譜技術(shù)識別和分析由三環(huán)唑，百草枯和氟硅唑混合的農(nóng)藥，其中三環(huán)唑的濃度為0.01mg／L，百草枯的濃度為0.1mg／L，氟硅唑的濃度為2.85mg／L。

3 SERS關(guān)鍵技術(shù)或問題

表面增強拉曼光譜使分子光譜的信號大大增強，而且還能提供分子的結(jié)構(gòu)信息。雖然SERS要求試樣與基底相接觸，失去了拉曼光譜技術(shù)非侵入和不接觸分析的基本優(yōu)點，而且SERS基底對不同材料的吸附性能不同，不利于定量分析。此外，基底的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性也難以控制。但是隨著對SERS原理的深入了解，材料學(xué)、納米技術(shù)的發(fā)展，激光器的穩(wěn)定性和探測器的靈敏度的提高，表面增強拉曼基底的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性將會大大的提高，光譜采集的準(zhǔn)確度也會有很大提高，再結(jié)合化學(xué)計量法可以大幅提高表面增強拉曼光譜的定量分析能力。利用SERS有較高的檢測靈敏度的優(yōu)勢，可以與其它分離技術(shù)聯(lián)用，進(jìn)一步拓寬SERS應(yīng)用范圍。表面增強拉曼技術(shù)與氣相色譜（GC）聯(lián)用，作為GC的一種檢測器［35］，在分析吡啶類化合物中取得不錯的效果。

4 總結(jié)

表面增強拉曼光譜技術(shù)能夠快速分析分子的結(jié)構(gòu)信息，而且其強大的增強信號能夠大大提高物質(zhì)的檢測限。隨著納米科學(xué)的發(fā)展和材料技術(shù)的進(jìn)一步提高，表面增強拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用會越來越廣泛。通過SRES可以研究農(nóng)藥環(huán)境中存在形態(tài)及其轉(zhuǎn)化規(guī)律，有助于系統(tǒng)地探討農(nóng)藥在環(huán)境中的最終歸宿，因此SERS是一個很有前途的研究方向。

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