孫嬌嬌,董 軍,郭玉蓉
(1.西安郵電大學(xué) 電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121; 2.陜西師范大學(xué) 食品工程與營養(yǎng)科學(xué)學(xué)院, 陜西 西安 710119)
隨著食品安全問題受到越來越多的關(guān)注[1],對食品快速檢測技術(shù)的要求也越來越高。傳統(tǒng)檢測技術(shù)耗時長、成本高、操作復(fù)雜,已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的食品安全檢測標(biāo)準(zhǔn)和需求,實行快速、高效、無損檢測技術(shù)已經(jīng)迫在眉睫。
隨著現(xiàn)代生物技術(shù)的迅速發(fā)展,特別是光學(xué)、化學(xué)、生物學(xué)學(xué)科的交叉融合發(fā)展,推動表面增強(qiáng)拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy,SERS)技術(shù)等新型檢測技術(shù)的快速發(fā)展。SERS技術(shù)是一種快速的無損檢測技術(shù),通過材料內(nèi)化學(xué)鍵與光的相互作用引起拉曼散射的增強(qiáng)來獲取散射光的信息從而表征待測物的相關(guān)性質(zhì)[2]。由于SERS技術(shù)幾乎不受水分影響,且具有檢測速度快、樣品需要量少、靈敏度高等特點,使其在食品安全檢測[3]、環(huán)境檢測[4]、生物醫(yī)藥[5]等許多應(yīng)用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。本文介紹了SERS技術(shù)的發(fā)展,綜述了其在食品安全檢測方面的應(yīng)用,展望了SERS技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域的發(fā)展趨勢。
拉曼散射是指入射光與物質(zhì)發(fā)生相互作用后,一部分散射光與入射光發(fā)生的頻率變化[6]。拉曼光譜能夠比較詳細(xì)地反映出分子化學(xué)結(jié)構(gòu)、形態(tài)、相互作用形式等特征。但是拉曼散射效應(yīng)非常微弱,較難捕捉,極大的限制其應(yīng)用。直到1974年,文獻(xiàn)[7]在觀察粗糙銀電極表面吸附的吡啶分子時,發(fā)現(xiàn)了高強(qiáng)度的Raman散射信號,引起了研究界極大關(guān)注。隨后,研究者經(jīng)過大量實驗發(fā)現(xiàn),具有納米結(jié)構(gòu)的貴金屬襯底表面可以顯著增強(qiáng)拉曼信號,光譜散射強(qiáng)度增強(qiáng)104~1010倍,即產(chǎn)生表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)[8]。
SERS技術(shù)的增強(qiáng)機(jī)理目前還不清楚,被廣泛認(rèn)可的有電磁場增強(qiáng)理論和電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)理論。電磁場增強(qiáng)理論認(rèn)為,粗糙金屬表面發(fā)生表面等離子體共振,導(dǎo)致表面局域電場增強(qiáng),提高了探針分子的拉曼信號[9]。在金、銀等貴金屬表面,這種現(xiàn)象較為突出,增強(qiáng)的因素主要取決于材料自身的性質(zhì)、種類、表面粗糙程度等[10]。電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)理論認(rèn)為,當(dāng)金屬表面與探針分子距離足夠近時,兩者之間發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移,即在入射光的激發(fā)作用下,襯底表面電子由金屬的填充能級向吸附分子的某一激發(fā)態(tài)軌道轉(zhuǎn)移,當(dāng)能量差等于入射光子能量時,出現(xiàn)的共振現(xiàn)象增強(qiáng)了拉曼信號[11]。目前,普遍認(rèn)為這兩種機(jī)理共同存在,在不同的體系、不同的條件下,二者發(fā)揮作用的方式不同。在電場增強(qiáng)理論中,雖然化學(xué)增強(qiáng)相對貢獻(xiàn)較小,但化學(xué)增強(qiáng)過程在實際增強(qiáng)光譜研究中仍然發(fā)揮著積極作用。
良好的SERS活性基底是SERS技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵,不同類型的基底也決定著SERS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。性能優(yōu)良的SERS活性基底需要具有制備工藝簡單、易操作、重復(fù)性好等特點。
按照SERS活性基底的組成種類可以分為單一SERS活性基底和復(fù)合SERS活性基底兩類。傳統(tǒng)SERS活性基底主要是金和銀膠體。金銀膠體可以具有多種形態(tài),如納米棒、納米立方體等[12-13]。研究者已經(jīng)探索出多種方法,能夠大規(guī)模制備金銀膠體且廣泛應(yīng)用于食品安全檢測中。文獻(xiàn)[14]采用溶劑熱法成功地合成了納米棒、三角形板、六角形板、納米立方體和多面體等具有不同結(jié)構(gòu)的銀納米粒子,特別是其制備了獨特的銀九面體納米板,可以作為SERS測量的高靈敏度基底。文獻(xiàn)[15]制備了花狀銀納米基底,納米顆粒的直徑從450 nm調(diào)整到1 000 nm,表面突起高達(dá)10~25 nm,銀納米顆粒的粗糙表面可以產(chǎn)生更強(qiáng)的電磁場增強(qiáng),在濃度低至10-9mol/L的條件下,依然成功檢測到羅丹明6G,其同時還檢測了食用藍(lán)、檸檬黃、日落黃和酸性紅4種不同食品著色劑的SERS光譜,并對4種食品著色劑的特征譜帶進(jìn)行了鑒定,利用主成分分析法計算出食用藍(lán)、檸檬黃、日落黃和酸性紅的檢出限分別為79.285、5.343 6、45.238和50.244 μg/L。
為了不斷拓寬SERS技術(shù)的應(yīng)用,復(fù)合SERS活性基底的研究越來越深入。有通過分子修飾貴金屬納米粒子得到復(fù)合SERS活性基底,也有不同功能和形狀的基底與金屬納米粒子復(fù)合得到復(fù)合SERS活性基底。復(fù)合SERS活性基底的制備既保留了金屬納米離子的增強(qiáng)活性,又增加了復(fù)合材料的性質(zhì)和功能,顯著拓展了SERS技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。
文獻(xiàn)[16]利用半胱胺修飾金納米顆粒檢測食品中的慶大霉素的最大殘留限量為100 nM,檢測水中慶大霉素的濃度低至12.45 nM,達(dá)到快速檢測和定量慶大霉素的能力。文獻(xiàn)[17]制備出纖維素納米和納米銀粒子復(fù)合基底。纖維素納米有很大的表面區(qū)域和三維納米纖維網(wǎng)絡(luò)[18-19],它可以增加與納米銀表面反應(yīng)分子的潛在數(shù)量同時提高基底表面的粗糙度,增強(qiáng)了SERS信號強(qiáng)度。除此之外,光學(xué)、熱力學(xué)、高比表面積的二維碳材料與貴金屬納米復(fù)合的基底材料、金屬離子與有機(jī)體自組裝形成的網(wǎng)狀骨架結(jié)構(gòu)基底材料都廣泛用于食品領(lǐng)域。
SERS技術(shù)具有指紋譜圖的高能量分辨率及單分子水平的檢測靈敏度,能夠?qū)崿F(xiàn)某些檢測項目的非定向快速篩查,并進(jìn)行定性定量分析[20]。下面圍繞SERS在食品農(nóng)藥殘留檢測、食源性致病菌檢測、食品添加劑檢測等方面的應(yīng)用分別介紹。
近年來,殺蟲劑的廣泛使用、農(nóng)藥殘留問題嚴(yán)重,傳統(tǒng)的檢測方法操作復(fù)雜、時間長,不適用于現(xiàn)場檢測。SERS技術(shù)已用于多種微量農(nóng)藥殘留的檢測。文獻(xiàn)[21]在鍍金硅片上將金納米棒自組裝成陣列狀,檢測從果汁和牛奶中提取的農(nóng)藥西維因。結(jié)果表明,SERS方法能夠在50 ppb水平上檢測從果汁和牛奶樣品中的西維因。西維因在橙汁、柚子汁和牛奶中的檢出限分別為509、617和391 ppb,均低于美國國家環(huán)境保護(hù)局設(shè)定的最大殘留限量。文獻(xiàn)[22]使用金膠作為基底,檢測蘋果果汁中的百草枯。由于百草枯分子具有離子特性、高度親水性和對稱性結(jié)構(gòu),傾向于通過氫、離子和π-π鍵和金納米粒子相互作用。在測定百草枯的同時,對蘋果汁的有機(jī)基質(zhì)包括果糖、蔗糖和葡萄糖等糖類和蘋果酸和檸檬酸等有機(jī)酸類也進(jìn)行了SERS分析。結(jié)果顯示,糖或有機(jī)酸都有可能阻止百草枯分子在金納米粒子表面的吸附。由于電荷效應(yīng)的原因,降低了SERS方法的靈敏度。文獻(xiàn)[22]采用固相萃取法提取蘋果汁的制備方法,有效地降低某些天然化合物對百草枯的SERS分析的影響,最低的檢出濃度為0.02 μg·mL-1,檢測時間約為40分鐘。由于蘋果汁中的有機(jī)基質(zhì)對百草枯的SERS強(qiáng)度有負(fù)面影響,減少干擾是成功檢測的一個關(guān)鍵因素。通過設(shè)計稀釋方法可以減少蘋果汁中基質(zhì)的濃度,百草枯最低的檢測濃度可以達(dá)到0.1 μg·mL-1,檢測時間約為10分鐘,成本低、用時短、易操作,可行性較高。
在食品的農(nóng)藥檢測研究中,主要根據(jù)SERS基底類型及檢測樣品的特點探索不同的方法優(yōu)化基底的尺寸、形狀和組成。近年來,人們開始關(guān)注柔性SERS增強(qiáng)襯底材料。文獻(xiàn)[23]在納米銀粒子表面修飾聚丙烯腈纖維并對形態(tài)制備進(jìn)行優(yōu)化得到柔性SERS基底,用于食品的農(nóng)藥殘留測定。研究者選取p,p′-DDT、水胺硫磷、殺滅菊酯和光氣4種有機(jī)氯農(nóng)藥,總檢測時間小于1分鐘。利用該襯底,即使當(dāng)樣品濃度低于5 ng·cm2時,靶向目標(biāo)的檢測效果依然較好。氟蟲腈是一種苯基吡唑類殺蟲劑,其殺蟲譜廣,曾經(jīng)被廣泛應(yīng)用。目前在雞肉、雞蛋中檢測氟蟲腈的方法有限,且檢驗樣品制備復(fù)雜。文獻(xiàn)[24]通過制備SiO2@Au核殼納米顆?;祝瑢崿F(xiàn)了雞肉中氟蟲腈的快速檢測,為實現(xiàn)食品殘留氟蟲腈檢測提供了可能途經(jīng)。
食源性致病菌可以引發(fā)食物中毒或傳染病的流行,嚴(yán)重者可危及生命,常見的有沙門氏菌、致病性大腸桿菌、李斯特菌等。食源性致病菌引發(fā)的全世界公共衛(wèi)生問題越來越多[25-26],必須研發(fā)有效、快速的檢測方法。傳統(tǒng)的細(xì)菌培養(yǎng)法、結(jié)合聚合酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)及免疫檢測技術(shù)費(fèi)時費(fèi)力,需要大量的專業(yè)人員。SERS技術(shù)為快速檢測食源性致病菌提供了新的思路。文獻(xiàn)[27]將納米銀粒子分別與金黃色葡萄球菌、變形桿菌、大腸桿菌3種致病菌混合,利用便攜式拉曼光譜儀檢測并對拉曼光譜信號進(jìn)行對比分析。研究發(fā)現(xiàn)變形桿菌在波數(shù)725 cm-1附近的振動峰強(qiáng)度最強(qiáng),在950和1 463 cm-1附近的振動峰最弱,650和1 325 cm-1處附近的振動峰強(qiáng)度居中,而大腸桿菌在650 cm-1附近的振動峰強(qiáng)度最強(qiáng),在950、1 125、1 242、1 320和1 457 cm-1附近振動峰較弱,以此實現(xiàn)了致病菌的檢測。文獻(xiàn)[28]利用萬古霉素修飾銀納米棒為基底,檢測了綠豆芽中沙門氏菌血清型Anatum、沙門氏菌血清型Cubana、沙門氏菌血清型Stanley、腸炎沙門氏菌、大腸桿菌O157∶H7和表皮葡萄球菌6種食源性致病菌的拉曼散射信號。研究發(fā)現(xiàn),基底的厚度和長度均會影響SERS的強(qiáng)度,當(dāng)1 mm萬古霉素包被600 nm銀納米棒時,致病菌產(chǎn)生了最強(qiáng)烈的SERS信號。6種致病菌均可以被有效鑒定,檢測限低至100 CFU·ml-1。研究使用便攜式和手持拉曼系統(tǒng),檢測時間不超過4小時。上述研究均表明,SERS技術(shù)在食源性致病菌檢測中具有低檢出限和快速檢測的優(yōu)勢,可以廣泛應(yīng)用于食品的現(xiàn)場檢測。
食品添加劑是為改善食品品質(zhì)加入的人工合成或天然物質(zhì),包括抗氧化劑、甜味劑、護(hù)色劑等。SERS技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于多種食品添加劑的檢測中,如護(hù)色劑[29]、甜味劑[30]、抗氧化劑[31]和防腐劑[32]等。在食品防腐劑中,山梨酸鉀和苯甲酸鈉是最常見的,文獻(xiàn)[33]利用SERS技術(shù)實現(xiàn)山梨酸鉀和苯甲酸鈉的痕量檢測。山梨酸鉀和苯甲酸鈉都屬于酸性防腐劑,為此制備了具有良好的耐酸性的以HfO2超薄薄膜包裹銀納米棒陣作為SERS基底,利用偏最小二乘法對兩種防腐劑進(jìn)行定量分析。實驗證明該方法可以用于單一和混合食品防腐劑的分析。亞硝酸鹽作為肉制品護(hù)色劑具有致癌性和致畸性,過量食用會威脅到生命安全。文獻(xiàn)[34]制備了金納米棒和Fe3O4/TiO2/Au納米磁性復(fù)合物自組裝的磁性試紙,實現(xiàn)了對亞硝酸根的定性及定量檢測。文獻(xiàn)[35]利用SERS技術(shù),以納米銀顆粒為基底,檢測了的7種色素,包括胭脂紅、喹啉黃、間苯胺黃和專利藍(lán)V等4種人工色素,以及甜菜汁、姜黃、紫胡蘿卜提取物等3種天然食品著色劑。該研究利用主成分分析方法,直接清晰地對比出人工和天然食品著色劑,檢測時間低于10分鐘。
一些不法商家在食品中加入過量抗生素或非法添加物以謀取暴利,這些化學(xué)物質(zhì)嚴(yán)重危害人民身體健康。
三聚氰胺是一種氮含量較高的化工原料,2008年國內(nèi)的三聚氰胺奶粉事件引發(fā)了嚴(yán)重的公共衛(wèi)生問題,造成重大經(jīng)濟(jì)損失。目前為了快速、靈敏、準(zhǔn)確的檢測出三聚氰胺,常用的分析方法有色譜檢測法、免疫檢測法和光譜檢測法等。SERS技術(shù)在三聚氰胺的檢測中優(yōu)勢突出。各種金屬納米結(jié)構(gòu)形狀的SERS基底被應(yīng)用于檢測牛奶中的三聚氰胺,例如銀納米粒子[36]、金納米粒子[37]、聚集的Au@SiO2納米粒子[38]、銀納米棒[39]和銀沉積聚苯乙烯微球[40]等。文獻(xiàn)[41]利用柔性纖維和Ag@SiO2納米立方體作為SERS基底,實現(xiàn)對三聚氰胺的檢測。Ag@SiO2納米立方體粒子的間距主要由超薄SiO2控制。柔性纖維有助于納米粒子的組裝,通過改善Ag@SiO2納米粒子的組裝來獲得增強(qiáng)的電磁熱點,產(chǎn)生等離子體子耦合效應(yīng),SERS強(qiáng)度顯著提高。從光譜圖看,該研究三聚氰胺特征峰出現(xiàn)在684 cm-1處,檢測限為0.06 mg/L,液態(tài)奶檢出限降到0.17 mg/L,低于法定允許的殘留限量。另外,還具有樣品用量少、耗時短、靈敏度較高的特點。文獻(xiàn)[42]采用共沉淀法在室溫下制備出形狀可控的納米銀顆粒,三聚氰胺直接吸附在銀表面,獲得了較強(qiáng)的SERS信號。其中樹莓狀銀樣品顯示出的信號最強(qiáng)。
在動物的飼養(yǎng)過程中,通常會在飼料中添加一定計量的抗生素,用于動物治療或預(yù)防其疾病的發(fā)生,加快動物生長,提高經(jīng)濟(jì)效益。抗生素會在人體內(nèi)積累,過量的抗生素會導(dǎo)致人體耐藥性增強(qiáng)、器官的病變、致癌、致畸等嚴(yán)重后果。SERS技術(shù)已經(jīng)成為各種抗生素檢測的常用有效技術(shù)之一。SERS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)硝基呋喃類抗生素[43]、四環(huán)素[44]等的快速檢測。青霉素是一種高效的抗生素,廣泛應(yīng)用于牲畜傳染病的治療和預(yù)防。文獻(xiàn)[45]利用銀納米粒子為基底,檢測牛奶中的青霉素,實現(xiàn)了樣品的兩步預(yù)處理工藝,避免了牛奶中其他物質(zhì)的干擾,檢測限為2.54×10-9mol/L,低于歐盟標(biāo)準(zhǔn)。利用SERS技術(shù)可以準(zhǔn)確地從混合抗生素殘留樣本中分辨出其含有的抗生素類型。文獻(xiàn)[46]制備了Ag-TiO2活性基底,實現(xiàn)了對水中鹽酸地氟沙星、環(huán)丙沙星、恩諾沙星、達(dá)諾沙星和依諾沙星等5種常用的喹諾酮類抗生素的檢測,檢出限分別為4.36×10-12、7.08×10-11、3.94×10-11、3.16×10-11和3.15×10-10mol/L,低于歐洲規(guī)定的最大殘留限量3.01×10-7mol/L。
鉛、鎘和汞等重金屬污染,已經(jīng)成為一個全球性的問題。工業(yè)排放的廢水、家庭生活垃圾等將重金屬釋放到環(huán)境中。長期暴露在有害重金屬離子環(huán)境中,即使在重金屬離子濃度較低的環(huán)境中,也可能會導(dǎo)致人產(chǎn)生發(fā)育遲緩、生殖障礙、血液病、肝疾病、腎疾病等多種疾病。重金屬離子的傳統(tǒng)檢測設(shè)備體積較大,不方便攜帶,難以實現(xiàn)現(xiàn)場檢測。
拉曼光譜技術(shù)通過分子振動光譜區(qū)別不同物質(zhì)結(jié)構(gòu)。重金屬離子不能被拉曼光譜技術(shù)直接檢測到,通過能被拉曼光譜識別的分子與重金屬離子作用,產(chǎn)生拉曼信號,就能夠達(dá)到檢測目的。比較普遍的方法是使用DNA/寡核苷酸結(jié)合染料作為標(biāo)記,越來越多種類的探針被用于重金屬的檢測[47]。文獻(xiàn)[48]使用鹽酸吖啶黃作為探針,以銀納米顆粒為基底,實現(xiàn)了對Hg2+的檢測。銀納米粒子和Hg2+能夠形成銀汞合金,有效地抑制吖啶的分子,從而降低吖啶的SERS強(qiáng)度。具有濃度依賴性特點的SERS的強(qiáng)度變化能夠用于Hg2+的測定,檢測限低至1.4 mol·L-1。檸檬酸鹽分子的羧基和羥基對Pb2+、Ni2+、Cd2+和Hg2+等多種二價重金屬離子有很強(qiáng)的親和力,利用這一特點能夠?qū)崿F(xiàn)二價重金屬離子的檢測。文獻(xiàn)[49]利用金納米粒子檢測Pb2+,Pb2+與表面的檸檬酸鹽分子之間的特異性相互作用,使其成為檢測Pb2+的傳感應(yīng)用。
SERS技術(shù)在食品安全檢測方面應(yīng)用的越來越廣泛。真菌毒素是真菌在食品或飼料中生長產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物,會造成人體細(xì)胞毒性、腎毒性、神經(jīng)毒性、致癌性、致突變性、免疫抑制等多種不良后果,嚴(yán)重威脅人的身體健康。文獻(xiàn)[50]合成了金銀核殼納米棒,利用殼聚糖和Fe3O4構(gòu)建檢測探針檢測黃曲霉毒素B1,檢測限低至0.54 pg/mL。文獻(xiàn)[51]研制了基于SERS技術(shù)的免疫傳感器,用于檢測食品中的黃曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮和玉米赤霉烯酮,檢測限分別為0.061~0.066、0.53~0.57、0.26~0.29 μg/kg,檢測靈敏度高、探測范圍廣。
某些小分子物質(zhì)會污染食品或者導(dǎo)致食品變質(zhì),利用SERS技術(shù)可以快速、便捷地實現(xiàn)檢測。由于外來物交叉接觸或有意摻假而產(chǎn)生的外來過敏性或毒性蛋白質(zhì),也是食品檢測中的重要一項。文獻(xiàn)[52]利用電沉積和介電泳制作形狀可控的金納米晶體檢測蓖麻毒素。相比于小分子物質(zhì)的拉曼指紋圖譜,大多數(shù)蛋白質(zhì)的拉曼信號相對較弱,容易受到食物中其他成分的干擾[53],直接檢測食品毒性蛋白的難度較大。可以利用拉曼染料標(biāo)記樣本,使用酶聯(lián)免疫吸附方法檢測目標(biāo)蛋白[54-55]。例如,文獻(xiàn)[56]利用抗體修飾銀枝晶,實現(xiàn)了牛奶中的外源蛋白的快速檢測,在30分鐘內(nèi),該方法可以在0.1 μg/mL的磷酸緩沖液中或5 μg/mL的牛奶中檢測到外源蛋白。文獻(xiàn)[57]采用免疫磁選和SERS技術(shù),利用主成分分析方法,在20分鐘內(nèi)分離和檢測出牛奶中的蓖麻毒素,檢測限為4 μg/mL。
隨著金屬納米基底的快速發(fā)展,SERS技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。獨特的“指紋”圖譜、“無標(biāo)記特點”、高靈敏度、高選擇性、快速、高分辨率的化學(xué)圖像等優(yōu)點,都使得SERS技術(shù)成為食品現(xiàn)場無損取樣和快速檢測的重要工具之一。目前,SERS技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域中的商業(yè)化推廣還存在一些需要解決的問題。
第一,SERS基底制備的工序較為復(fù)雜、成本較高,制約著SERS技術(shù)的推廣應(yīng)用,其理論與實踐還需不斷深入。
第二,食品是由多組分構(gòu)成的復(fù)雜物質(zhì),由于基底的特異性,目前SERS技術(shù)對多組分成分的檢測能力有限。
第三,目前不同的基底、相同的物質(zhì)顯示的拉曼信號可能不同,不同的物質(zhì)顯示的拉曼信號可能相同,因此,要想實現(xiàn)SERS技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用,需要建立標(biāo)準(zhǔn)化基底和操作程序,以及建立食品SERS圖譜數(shù)據(jù)庫。
介紹了SERS技術(shù)、基底的分類及其在食品安全檢測中的應(yīng)用。在未來,更多功能化的SERS基底、SERS技術(shù)與其他技術(shù)的聯(lián)合應(yīng)用可以顯著提升食品安全的檢測性能,SERS技術(shù)會成為食品安全檢測的有力工具,得到更大范圍的推廣。