表面增強(qiáng)拉曼光譜檢測技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測中的應(yīng)用

邱琦珍，潘興魯，劉振江，3，吳小虎，徐 軍，董豐收*，鄭永權(quán)

（1.天津農(nóng)學(xué)院園藝園林學(xué)院，天津 300384；2.中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院植物保護(hù)研究所，植物病蟲害生物學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，北京 100193；3.江蘇大學(xué)環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212013；）

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中，農(nóng)藥在病蟲草害有效防治方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。然而，農(nóng)藥的大量或不合理施用給環(huán)境及農(nóng)產(chǎn)品安全造成嚴(yán)重影響[1-2]。因此，實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品中痕量農(nóng)藥殘留的準(zhǔn)確快速檢測具有重要的意義。傳統(tǒng)的農(nóng)藥殘留分析方法主要以儀器分析技術(shù)為主，其中包括氣相色譜分析技術(shù)[3]、高效液相色譜分析技術(shù)[4]和超高效液相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜分析技術(shù)[5]等。上述分析方法雖然具有較高的靈敏度和精密度，但往往需要復(fù)雜的前處理過程（如樣品破碎處理、化學(xué)提取過程和凈化富集等）[6]和專業(yè)技術(shù)人員，且檢測過程時間較長，通常需要昂貴的大型儀器設(shè)備，不能適應(yīng)現(xiàn)場快速、實時檢測的需求[7]。因此，發(fā)展快速檢測農(nóng)藥殘留的技術(shù)是非常必要的。目前，農(nóng)藥殘留快速檢測技術(shù)中的酶抑制法可實現(xiàn)對某類農(nóng)藥的快速篩查，但無法實現(xiàn)農(nóng)藥準(zhǔn)確定性和定量分析，而酶聯(lián)免疫法可實現(xiàn)農(nóng)藥的特異性快速檢測，其定性準(zhǔn)，但需針對不同農(nóng)藥開發(fā)與集成多個試劑盒，成本高且缺乏普適性[8]。

拉曼光譜檢測法因具有對農(nóng)藥快速、無損的檢測特征而受到廣泛關(guān)注。然而，農(nóng)產(chǎn)品中表面農(nóng)藥殘留的含量在整個農(nóng)藥殘留含量占比率較低，產(chǎn)生相對比較低的光譜信號，所以檢測結(jié)果需要大型儀器進(jìn)行測定，這不利于現(xiàn)場測定使用。隨著便攜式拉曼光譜儀的發(fā)展，采用表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）檢測技術(shù)不僅能夠極大增強(qiáng)相關(guān)污染物分子的特異性拉曼光譜峰，還可以現(xiàn)場無損地檢測微量甚至更低水平的污染物殘留，因此該技術(shù)被應(yīng)用于食品安全、環(huán)境檢測等眾多領(lǐng)域，在農(nóng)藥殘留檢測方面也有相關(guān)報道[9-12]。

本文重點(diǎn)介紹了SERS檢測技術(shù)的原理，并從農(nóng)藥殘留表面增強(qiáng)拉曼基底研究、SERS與其他技術(shù)相結(jié)合的應(yīng)用2個方面總結(jié)了近年來其在農(nóng)藥殘留快速檢測領(lǐng)域的研究進(jìn)展，探討了該技術(shù)存在的主要問題，并展望了SERS技術(shù)在農(nóng)藥殘留快速檢測應(yīng)用方面的發(fā)展趨勢，以期為SERS技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)、收獲、儲存和運(yùn)輸?shù)热^程中農(nóng)藥殘留污染的有效監(jiān)測和安全控制提供理論參考。

1 農(nóng)藥殘留SERS檢測技術(shù)研究進(jìn)展

1.1 SERS檢測技術(shù)原理

印度物理學(xué)家Raman最早發(fā)現(xiàn)拉曼散射現(xiàn)象[13]并由此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。隨著激光器激發(fā)效率大幅度提高，檢測光源更為理想，有關(guān)拉曼散射的研究進(jìn)入全新時期。目前，拉曼光譜技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于石油化工、高分子材料、有機(jī)污染物殘留分析、環(huán)保等行業(yè)[14]。有機(jī)污染物SERS檢測技術(shù)原理是基于拉曼散射效應(yīng)。當(dāng)一定頻率的入射光照射到有機(jī)污染物分子表面時，其造成不同結(jié)構(gòu)的污染物分子具有不同的分子運(yùn)動方式（包括振動方式和轉(zhuǎn)動方式），不同結(jié)構(gòu)的分子將會產(chǎn)生相對應(yīng)頻率的散射光譜，故可以通過測定特異性拉曼光譜來實現(xiàn)對不同結(jié)構(gòu)污染物的定性、定量分析[15]。然而，檢測農(nóng)藥等有機(jī)小分子的拉曼散射效應(yīng)非常弱，只能達(dá)到入射光的10-8～10-6[8]，且SERS檢測技術(shù)易受噪聲和熒光背景的干擾，存在靈敏度較低的缺點(diǎn)，難以達(dá)到對農(nóng)藥痕量檢測需求，在一定程度上制約著該技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用[16]。

Fleischmann等[17]發(fā)現(xiàn)吸附在粗糙金屬銀電極表面上的吡啶分子的拉曼信號獲得極大增強(qiáng)，這種現(xiàn)象歸因于粗糙銀電極有較大比表面積，可以吸附大量吡啶分子，從而導(dǎo)致信號增強(qiáng)。隨后，Jeanmaire和Albrecht等[18-19]重復(fù)Fleischmann的實驗方案發(fā)現(xiàn)，與游離于溶液中的相等數(shù)量吡啶比較，吸附在粗糙銀電極上的吡啶分子的拉曼散射信號提高了4～6個數(shù)量級，故將這種現(xiàn)象命名為“增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)”，簡稱SERS效應(yīng)。農(nóng)藥殘留SERS檢測技術(shù)是一種基于農(nóng)藥分子與粗糙金屬（金、銀、銅或少數(shù)堿金屬等）或半導(dǎo)體表面相互作用后使拉曼光譜強(qiáng)度極大增強(qiáng)的表面光譜技術(shù)[20]。相比于常規(guī)的拉曼光譜檢測技術(shù)，SERS檢測技術(shù)不僅克服了常規(guī)拉曼光譜中存在的不足[21-22]，而且具有顯著的增強(qiáng)效果。據(jù)文獻(xiàn)報道，拉曼基底可實現(xiàn)1014～1015的增強(qiáng)效果[23]。為了擴(kuò)大農(nóng)藥檢測范圍和提高農(nóng)藥測定的準(zhǔn)確性，SERS檢測技術(shù)結(jié)合其他技術(shù)（不同類型的材料技術(shù)、適配體技術(shù)和酶抑制法等）引起了廣泛關(guān)注，這對食品安全的保障具有重要的應(yīng)用價值。

1.2 基于金屬納米材料的SERS農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)

基底是SERS農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)極其重要的一部分，也是影響SERS信號強(qiáng)弱的關(guān)鍵因素[24]，能顯著提高農(nóng)殘檢測的靈敏度和重現(xiàn)性。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，利用納米基底的組成、尺寸、形貌、聚集狀態(tài)制備出的各種高活性SERS基底已引起許多科研工作者的廣泛關(guān)注。

（1）金和銀納米材料由于制備方法簡單和增強(qiáng)效果好，常用于制備SERS活性基底，顆粒尺寸一般在10～100 nm。一般來說，金納米粒子粒徑均一可控、穩(wěn)定性好、易于儲存，而銀納米粒子則制備工藝更簡單，且具有較好的提升SERS信號的功能。如Xu等[25]以毒死蜱（Chlorpyrifos）的分子特定基團(tuán)（磷酸鹽或氯基團(tuán)）與金納米棒的特異性作用為基礎(chǔ)，利用金納米棒作為SERS活性基底，構(gòu)建了毒死蜱的SERS分析方法，發(fā)現(xiàn)其檢出限達(dá)到了1.0μmol/L；Zhao等[26]首先將碳點(diǎn)與銀納米顆粒通過化學(xué)反應(yīng)制備Ag NPs/CDs復(fù)合物，然后利用Ag NPs/CDs作為SERS活性基底構(gòu)建了氨基苯硫酚的分析方法，發(fā)現(xiàn)氨基苯硫酚檢測限可達(dá)到10-9mol/L。

（2）利用核殼型貴金屬納米復(fù)合材料制備的SERS基底也被廣泛應(yīng)用，其優(yōu)點(diǎn)是外殼與內(nèi)核粒子的相互作用使其呈現(xiàn)出分散性好、穩(wěn)定性高的優(yōu)良性能。其中，金銀核殼納米粒子（Au-Ag NPs）兼具金納米粒子的良好穩(wěn)定性和銀納米粒子的高增強(qiáng)效應(yīng)，且形狀可控，結(jié)構(gòu)可調(diào)，應(yīng)用范圍更加廣泛。徐念薇[24]報道了78±8 nm的金銀納米顆粒Au-Ag NPs（43 nm金核）對蘋果汁中亞胺硫磷的檢測具有很好的增強(qiáng)效果，受到非目標(biāo)成分的干擾較小，可檢測至濃度為0.05 mg/L。該研究還發(fā)現(xiàn)，Au和Au-Ag NPs的粒徑大小、金銀比例對SERS的影響顯著，顯示了篩查具有適當(dāng)粒徑和組成的納米粒子基底應(yīng)用于SERS的重要性。

（3）貴金屬納米材料與其他材料復(fù)合制備的基底顯示出優(yōu)于單一貴金屬納米材料增強(qiáng)基底的特性。Zhang等[27]首先將金納米顆粒與多孔材料硅藻有機(jī)結(jié)合，制備高效、易商業(yè)化的貴金屬納米材料復(fù)合基底，然后以此作為SERS信號增強(qiáng)基底發(fā)展了一種拉曼光譜分析方法，其檢測限達(dá)到了0.2 mg/kg。Li等[28]通過將金納米顆粒和氧化鋅進(jìn)行復(fù)合，制備了一種雙功能貴金屬納米復(fù)合材料，用于SERS拉曼信號增強(qiáng)基底。這種新型的雙功能貴金屬納米復(fù)合材料實現(xiàn)了對分析物的檢測和降解一體化，不僅能直接測定吸附的污染物樣品，檢測限可達(dá)0.241nmol/L，而且在紫外光照射下，還能夠利用光照實現(xiàn)有機(jī)污染物的氧化降解。

（4）陣列SERS結(jié)構(gòu)由于檢測結(jié)果具有均勻性、一致性與準(zhǔn)確性等優(yōu)點(diǎn)，也被應(yīng)用于農(nóng)藥殘留檢測。具有強(qiáng)電磁場耦合效應(yīng)的銀納米棒簇有序陣列的SERS增強(qiáng)效果極高，增強(qiáng)因子可達(dá)到108。同時，其分析特性在信號均勻性和重現(xiàn)性方面也極其顯著，可以同步檢測甲基對硫磷和2,4-二氯苯氧乙酸等多種農(nóng)藥殘留[6]。因此，開發(fā)低成本、便攜快速、制備方法簡單、高靈敏度的增強(qiáng)基底以及多種結(jié)構(gòu)陣列化耦合技術(shù)是進(jìn)一步研究SERS檢測技術(shù)的目標(biāo)和方向。

1.3 基于適配體的SERS農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)

適配體是體外篩選出來的一小段寡核苷酸序列，其能與相應(yīng)的農(nóng)藥等配體較強(qiáng)地特異性結(jié)合，為農(nóng)藥等污染物高效快速檢測提供了一種創(chuàng)新性的手段。適配體SERS農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)原理：隨著待測農(nóng)藥濃度升高，農(nóng)藥分子與適配體特異性結(jié)合增多，導(dǎo)致適配體的構(gòu)型發(fā)生相應(yīng)變化，SERS的信號也隨之發(fā)生對應(yīng)變化?；赟ERS的信號變化量即可計算待測農(nóng)藥的濃度，如Nie等[29]基于上述原理，利用馬拉硫磷與其適配體特異性結(jié)合導(dǎo)致SERS的信號變化，開發(fā)了一種檢測馬拉硫磷的SERS分析技術(shù)；Li等[30]同樣利用上述原理，發(fā)展了一種檢測啶蟲脒的適配體SERS分析方法，利用不同濃度啶蟲脒農(nóng)藥，導(dǎo)致適配體的構(gòu)象發(fā)生不同程度的變化，進(jìn)而影響金顆粒聚集程度的變化，從而實現(xiàn)綠茶中啶蟲脒的測定，其檢出限是1.76×10-8mol/L。

1.4 基于酶抑制法的SERS農(nóng)藥殘留檢測技術(shù)

酶抑制法和SERS相結(jié)合可實現(xiàn)有機(jī)磷農(nóng)藥殘留的快速篩查、定性與定量分析，達(dá)到快速、大批量檢測的要求[8]。Alami等[31]將拉曼光譜技術(shù)與酶抑制法有機(jī)結(jié)合，開發(fā)了一種新型的分析技術(shù)，用于有機(jī)磷農(nóng)藥的檢測。首先將待測農(nóng)藥與乙酰膽堿酯酶反應(yīng)，導(dǎo)致乙酰膽堿酯酶的活性降低，進(jìn)一步降低乙酰膽堿酯酶對反應(yīng)底物乙酰膽堿的催化含量；然后以金納米顆粒作為信號增強(qiáng)基底，測定乙酰膽堿的特征拉曼光譜；最后確定待測農(nóng)藥的含量。其中，對氧磷的檢測限達(dá)到了0.04 pmol/L。基于以上試驗結(jié)果，王冬偉等[32]認(rèn)為利用這種生物傳感器，未來可以用于非選擇性檢測乙酰膽堿酯酶氨基甲酸酯類農(nóng)藥和有機(jī)磷類農(nóng)藥。

2 農(nóng)藥殘留SERS檢測技術(shù)存在的問題

（1）SERS檢測技術(shù)基底組裝過程復(fù)雜。目前已有研究將金屬納米材料基底成功用于果蔬表面SERS農(nóng)殘的檢測，但這些基底的制作過程都比較復(fù)雜且成本較高，不利于普及和推廣。制備結(jié)構(gòu)、分布和穩(wěn)定性較高的金屬納米材料用于SERS基底，對于提高檢測的靈敏度和可重復(fù)性至關(guān)重要。因此，發(fā)展一種靈活和便捷制備SERS基底的技術(shù)具有十分重要的意義。

（2）定量檢測結(jié)果精度不高。目前SERS檢測技術(shù)對果蔬表面農(nóng)殘的定量分析大多數(shù)都是基于對農(nóng)藥的單個特征峰進(jìn)行線性定量，但在實際檢測過程中，農(nóng)藥污染物的拉曼特征峰易受到儀器和環(huán)境噪聲等非線性因素的影響發(fā)生少量偏移。所以，基于單個特征峰進(jìn)行分析會影響定量精度，為此需要借助多變量模型以及非線性建模手段進(jìn)行定量分析。

3 結(jié)論與展望

相對于其他快速檢測方法，SERS檢測技術(shù)以其優(yōu)異的特性引起人們廣泛關(guān)注，包括檢測效率較高，可實現(xiàn)現(xiàn)場測定，靈敏度和重現(xiàn)性得到極大提升等。因此，SERS檢測技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測中越來越受到研究者的青睞。然而，該技術(shù)仍然存在一些問題亟需解決。發(fā)展一種靈活便捷制備SERS基底的技術(shù)和借助多變量模型以及非線性建模手段進(jìn)行定量分析，對推進(jìn)拉曼光譜技術(shù)在農(nóng)藥殘留檢測領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展具有重要意義，也為監(jiān)測農(nóng)藥殘留污染提供檢測技術(shù)支持。