表面增強(qiáng)拉曼光譜在痕量殘留檢測(cè)方面的應(yīng)用

汪 偉， 褚振華， 鄭興偉

(上海海洋大學(xué)工程學(xué)院，上海 201306)

1 前言

拉曼光譜是通過(guò)拉曼散射效應(yīng)，對(duì)與入射光頻率不同的散射光進(jìn)行分析以獲得分子振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)方面信息的一種散射光譜[1]。不同分子具有不同結(jié)構(gòu)及振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)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(tǒng)分析檢測(cè)方法相比，表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS)分析技術(shù)作為一種快速、無(wú)損分析研究工具，在物質(zhì)成分鑒定和分子結(jié)構(gòu)分析方面具有不可替代的作用[3]。目前關(guān)于SERS分析技術(shù)在化學(xué)污染物、食品添加劑，以及其他痕量有害化學(xué)物質(zhì)等的檢測(cè)和鑒別方面的應(yīng)用研究報(bào)道越來(lái)越多，這表明SERS作為一種快速分析檢測(cè)技術(shù)具有巨大潛力。

2 表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在痕量殘留檢測(cè)方面的應(yīng)用

SERS能夠較好的檢測(cè)食品中的非法添加劑、農(nóng)藥殘留等。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，一些商家為提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和銷量，往往會(huì)在食品生產(chǎn)和加工過(guò)程中非法添加上述有害物質(zhì)，給食品安全帶來(lái)了巨大威脅。因此，快速監(jiān)測(cè)食品中是否含有化學(xué)污染物和藥物殘留對(duì)食品安全的保障具有重要意義，而SERS技術(shù)可滿足這一檢測(cè)要求，并已在食品痕量殘留檢測(cè)中得到廣泛應(yīng)用。

2.1 農(nóng)藥殘留

農(nóng)藥被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)以控制雜草和防治病蟲(chóng)害。然而過(guò)量用藥或者不對(duì)癥下藥等，將導(dǎo)致土壤、水資源污染等一系列問(wèn)題。這些藥物在動(dòng)植物中的殘留可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)從而對(duì)健康產(chǎn)生危害[4]。為了保障食品安全和人體健康，減少環(huán)境污染等問(wèn)題，提取和檢測(cè)食品中的農(nóng)藥殘留意義重大。但已有的農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法操作復(fù)雜，難以滿足現(xiàn)場(chǎng)快速、實(shí)時(shí)檢測(cè)的需求[5]。SERS是拉曼光譜結(jié)合納米增強(qiáng)材料實(shí)現(xiàn)高靈敏檢測(cè)分析的光譜技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)損條件下的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)檢測(cè)。該方法操作簡(jiǎn)單，敏捷快速，已經(jīng)在食品表面殘留污染物檢測(cè)方面大量運(yùn)用。Zhu等[6]利用銀鏡反應(yīng)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(cè)儀檢測(cè)基底紙，檢測(cè)了果皮上農(nóng)藥殘留。He等[7]利用樹(shù)枝狀A(yù)g納米基底，采用擦拭法實(shí)現(xiàn)了對(duì)蘋果表皮上的噻苯咪唑的快速無(wú)損檢測(cè)，回收率在59.4%～76.6%之間。研究表明這種拭子-SERS方法簡(jiǎn)單、快速、靈敏，還可以擴(kuò)展到檢測(cè)其他食品，如梨、胡蘿卜和瓜等的農(nóng)藥殘留。楊永安等[8]以毛細(xì)管壁吸附Ag NPs為增強(qiáng)基底，在酸性條件下可以檢測(cè)農(nóng)藥樂(lè)果，濃度為0.1 mg/kg。何強(qiáng)等[9,10]以Au/Ag核-殼復(fù)合粒子為增強(qiáng)基底，獲得了樂(lè)果及氧化樂(lè)果在酸堿條件下一系列濃度的SERS，考察了樂(lè)果和氧化樂(lè)果分子在該增強(qiáng)基底表面的吸附狀態(tài)及酸堿條件產(chǎn)生的影響，發(fā)現(xiàn)氧化樂(lè)果主要以磷酸酯結(jié)構(gòu)與增強(qiáng)基底表面作用。此研究為研究其他有機(jī)磷農(nóng)藥的形態(tài)轉(zhuǎn)化提供有益的參考。

Luo等[11]通過(guò)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(nóng)藥殘留檢測(cè)，可同時(shí)檢測(cè)蘋果皮上的福美雙、甲基對(duì)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(duì)不同濃度西維因標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行SERS采集，其次采用多元散射校正(MSC)法對(duì)采集的SERS進(jìn)行預(yù)處理，建立了小白菜中西維因農(nóng)藥殘留的PLS預(yù)測(cè)模型。該模型對(duì)濃度低于0.976 mg/L時(shí)，在西維因仍具有良好的預(yù)測(cè)性能，預(yù)測(cè)回收率為95.73%～107.28%，相對(duì)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(nóng)藥的拉曼信息結(jié)合自建預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)定量監(jiān)測(cè)混合狀態(tài)下的啶蟲(chóng)脒和多菌靈，SERS強(qiáng)度與農(nóng)藥啶蟲(chóng)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(guān)系，相關(guān)系數(shù)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(guò)SERS并結(jié)合該Ag納米殼實(shí)現(xiàn)了農(nóng)藥殘留的免標(biāo)記檢測(cè)。Luo等[15,16]通過(guò)對(duì)比不同納米材料對(duì)不同農(nóng)藥的SERS響應(yīng)特性，獲得最優(yōu)尺寸納米材料，并對(duì)蘋果及蘋果汁中農(nóng)藥殘留進(jìn)行了分析，方法對(duì)亞胺硫磷和噻菌靈的最低檢測(cè)濃度分別為0.5 μg/g和0.1 μg/g。Luo等[15]通過(guò)SERS技術(shù)與Au NPs 聯(lián)合應(yīng)用于測(cè)定蘋果汁中百草枯的含量，表明它作為一種快速、簡(jiǎn)單、超靈敏的檢測(cè)方法，在多種食品中檢測(cè)百草枯或其他污染物方面有巨大的實(shí)用潛力。Luo等[16]研究了一種新的、快速和靈敏的檢測(cè)方法，用于分析蘋果中痕量農(nóng)藥殘留，該方法對(duì)于分析其他痕量污染物具有很大的潛力。應(yīng)方等[17]以Au NPs作為增強(qiáng)基底，實(shí)現(xiàn)了倍硫磷與對(duì)硫磷等常用有機(jī)磷農(nóng)藥的多靶標(biāo)同時(shí)檢測(cè)，倍硫磷和對(duì)硫磷檢測(cè)限分別可達(dá)0.01、0.025 μg/mL。在對(duì)實(shí)際菠菜樣品的檢測(cè)中，檢測(cè)限達(dá)到0.05 μg/mL。Kubackova等[18]將SERS增強(qiáng)基底表面功能化，克服了SERS增強(qiáng)基底與分析物結(jié)合能力差的問(wèn)題，在檢測(cè)有機(jī)氯農(nóng)藥殘留中顯示出強(qiáng)大的能力，檢出限均低于10-8mol/L。Tang等[19]采用SERS對(duì)三唑磷、百草枯和氟硅唑進(jìn)行了分析檢測(cè)，SERS對(duì)單一農(nóng)藥的檢測(cè)限分別為0.01、0.1和2.85 mg/L；3種農(nóng)藥混合時(shí)，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(shí)別出來(lái)，可實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥種類的定性判別。

2.2 色素和染料類添加物

食品安全問(wèn)題一直是社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)問(wèn)題，對(duì)于人民健康具有非常重要的意義[20]。然而近些年來(lái)食品安全現(xiàn)狀較為嚴(yán)峻，不僅危害消費(fèi)者的身體健康，同時(shí)對(duì)市場(chǎng)風(fēng)氣以及我國(guó)對(duì)外食品貿(mào)易中的信譽(yù)都有極大損害[21]。運(yùn)用SERS技術(shù)結(jié)合固體表面基底可快速檢測(cè)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(shù)可測(cè)到1～2 ng/mL孔雀石綠和結(jié)晶紫的SERS特征峰。此外，傳統(tǒng)分析方法的一些問(wèn)題，如樣品制備時(shí)間長(zhǎng)、測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、間接測(cè)量等，都可以用這種SERS微流傳感器來(lái)解決。同時(shí)作者預(yù)計(jì)這種分析技術(shù)可以成功地應(yīng)用于其他敏感的痕量分析。He等[23]報(bào)道了基于SERS對(duì)結(jié)晶紫和孔雀石綠及兩者混合物的快速檢測(cè)方法，檢測(cè)限為0.2 ng/mL，Au NPs 表面增強(qiáng)基底的增強(qiáng)效應(yīng)達(dá)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(cè)魚(yú)肉中的孔雀石綠，結(jié)果表明運(yùn)用SERS最低能檢測(cè)到魚(yú)肉中1 ng/mL的孔雀石綠，定量分析模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值的R2為0.79～0.98，簡(jiǎn)化前處理后分析時(shí)間可從2 h左右縮短到40 min。Ou等[25,26]基于SERS結(jié)合Au納米棒及Au@Ag納米材料，對(duì)飲料及辣椒中多種色素類染料進(jìn)行了SERS分析，并對(duì)比了不同樣品處理方法及基底穩(wěn)定性。Ou等[25]運(yùn)用SERS與Au納米棒相結(jié)合，分析食品著色劑和其他食品添加劑，方法快速、簡(jiǎn)便、靈敏。該方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)飲料中誘惑紅和日落黃進(jìn)行的定量分析，僅需少量樣品，整個(gè)過(guò)程方便簡(jiǎn)單，成本低，高效快捷。同時(shí)該方法可作為進(jìn)一步調(diào)查的基礎(chǔ)，以確定復(fù)雜系統(tǒng)中超痕量的特定物種。Ou等[26]研究表明，采用簡(jiǎn)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(shí)通過(guò)開(kāi)發(fā)的PLS模型為辣椒片中蘇丹染料提供了相對(duì)較好的可預(yù)測(cè)性。通過(guò)更好地控制SERS基底的表面結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性，最大限度地提高目標(biāo)分子的SERS增強(qiáng)效果，從而擴(kuò)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(jié)合SERS對(duì)蘇丹紅Ⅱ和蘇丹紅Ⅳ進(jìn)行了探索性檢測(cè)，檢出濃度為1.0×10-12mol/L。

2.3 抗生素

為了作物生長(zhǎng)實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量及家禽養(yǎng)殖過(guò)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(chǎn)養(yǎng)殖的過(guò)程中[28]。這些藥物在動(dòng)植物中的殘留可以通過(guò)食物鏈進(jìn)入人體內(nèi)從而對(duì)人體健康產(chǎn)生危害[4]。因此，加強(qiáng)食品檢測(cè)技術(shù)的研究對(duì)于作物和禽畜水產(chǎn)養(yǎng)殖安全顯得尤為重要，而應(yīng)用SERS分析技術(shù)對(duì)食品中抗生素的快速檢測(cè)也是目前食品安全研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。Lai等[29,30]用Au NPs固體表面基底能檢測(cè)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(shù)檢測(cè)和測(cè)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(duì)呋喃唑酮標(biāo)液的檢出濃度為800 ng/mL，并對(duì)羅非魚(yú)中呋喃唑酮?dú)埩暨M(jìn)行了檢測(cè)，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(tài)，證明了呋喃唑酮分子主要是通過(guò)C=N吸附于Ag NPs表面，獲得了良好的增強(qiáng)效果。

Xie等[33]運(yùn)用Au NPs溶膠作為增強(qiáng)基底，基于SERS檢測(cè)了2種呋喃類抗生素及其混合物，通過(guò)特征峰分析可識(shí)別呋喃它酮和呋喃妥因，最低檢出濃度為5 mg/L。結(jié)果表明該SERS方法能夠識(shí)別和表征糠醛酮和呋喃丹酮，這對(duì)于進(jìn)一步應(yīng)用于食品樣品中抗生素殘留的檢測(cè)是有價(jià)值的。此外，所提出的檢測(cè)微量硝基呋喃抗生素的方法在檢測(cè)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(jié)合樹(shù)枝狀A(yù)g納米表面增強(qiáng)基底，對(duì)3類禁用抗生素恩諾沙星、環(huán)丙沙星和氯霉素進(jìn)行了快速準(zhǔn)確的定性定量分析，最低檢測(cè)濃度可達(dá)到了20 ng/mL。結(jié)果表明，使用SERS與樹(shù)枝狀A(yù)g納米表面增強(qiáng)基底結(jié)合用于化學(xué)污染物的快速檢測(cè)、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(lái)提高SERS的靈敏度，通過(guò)優(yōu)化激光波長(zhǎng)等條件來(lái)探索測(cè)量其他食品污染物的可行性，并將該方法應(yīng)用于實(shí)際食品中化學(xué)污染物的檢測(cè)。

2.4 三聚氰胺和瘦肉精類添加劑

SERS分析技術(shù)作為一種快速、便捷、無(wú)損的檢測(cè)方法，在檢測(cè)食品中三聚氰胺已有大量應(yīng)用。Zhang等[35]運(yùn)用SERS技術(shù)結(jié)合Ag溶膠對(duì)牛奶中的三聚氰胺進(jìn)行了檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)了至少105倍的拉曼信號(hào)增強(qiáng)，對(duì)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(jié)合Au納米增強(qiáng)基底，對(duì)雞蛋中的三聚氰胺進(jìn)行檢測(cè)，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(duì)蛋白和蛋黃中添加的微量三聚氰胺進(jìn)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(jìn)行驗(yàn)證，所得模型預(yù)測(cè)值與真實(shí)值相關(guān)系數(shù)(R2)為0.98。該SERS是傳統(tǒng)色譜和免疫分析的一種很有前途的互補(bǔ)方案，可提供一種快速、超靈敏的檢測(cè)和表征雞蛋中三聚氰胺污染物的工具，適用于現(xiàn)場(chǎng)雞蛋產(chǎn)品質(zhì)量控制和市場(chǎng)監(jiān)控。Mecker等[37]采用便攜式拉曼光譜儀，對(duì)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(shù)結(jié)合磁性納米材料對(duì)牛奶中的三聚氰胺進(jìn)行檢測(cè)，檢出限和定量分析限分別為0.39 mg/L和1.30 mg/L。結(jié)果表明，SERS技術(shù)是一種簡(jiǎn)單、快捷的檢測(cè)方法，適用于真實(shí)樣品中三聚氰胺的檢測(cè)。

克侖特羅俗稱瘦肉精，是一種非法食品添加劑，我國(guó)已經(jīng)明令禁止在飼料及動(dòng)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(biāo)記與克倫特羅抗體連接，通過(guò)修飾的玻璃基板競(jìng)爭(zhēng)吸附克倫特羅-BSA抗原，與SERS納米探針結(jié)合作為SERS基底，對(duì)豬尿樣品中克倫特羅進(jìn)行了分析檢測(cè)，檢出限為0.1 pg/mL。該檢測(cè)方法為制備簡(jiǎn)單、快速、經(jīng)濟(jì)的SERS納米探針檢測(cè)小分子提供了一個(gè)很有前途的平臺(tái)。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(jié)合Au納米基底對(duì)豬尿中萊克多巴胺殘留進(jìn)行了檢測(cè)，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(cè)限為0.4 μg/mL。省去凈化步驟后，由于尿素的強(qiáng)烈干擾，使得萊克多巴胺特征峰的強(qiáng)度相對(duì)減弱，檢測(cè)限為0.8 μg/mL，定量分析模型的R2為0.73～0.74，雖然簡(jiǎn)化前處理有基質(zhì)峰的干擾，但定量分析結(jié)果差異不大。

3 前景與展望

通過(guò)分析基于SERS技術(shù)在痕量殘留檢測(cè)方面應(yīng)用的研究現(xiàn)狀表明：該技術(shù)在微量和痕量物質(zhì)的檢測(cè)具有快速、無(wú)損和可靠的優(yōu)異特性。相對(duì)食品復(fù)雜組分基質(zhì)(蛋白質(zhì)、脂肪、糖、酸等)對(duì)目標(biāo)分析物檢測(cè)的干擾，飛機(jī)待涂裝表面干擾因素更為簡(jiǎn)單明確，對(duì)特征譜圖的影響更少，因此，表面殘留污染物直接檢測(cè)更具可行性。另外，飛機(jī)待涂裝表面清潔度狀態(tài)檢測(cè)和食品安全微量物質(zhì)檢測(cè)具有很高的相似性。兩者檢測(cè)對(duì)象都具有微量特性，且要求檢測(cè)技術(shù)具有快速、無(wú)損和可靠性特性。這些共同特性為基于SERS檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到飛機(jī)零件噴涂前清潔度檢測(cè)提供了可行性的理論和技術(shù)支撐。

SERS技術(shù)作為高靈敏的拉曼指紋光譜分析技術(shù)，其在痕量物質(zhì)檢測(cè)領(lǐng)域的研究報(bào)道逐年增加，隨著科技的進(jìn)一步發(fā)展，SERS分析技術(shù)在表面痕量殘留檢測(cè)領(lǐng)域及其他應(yīng)用領(lǐng)域中將具有更為廣闊的應(yīng)用前景。