表面增强拉曼光谱在食品质量与安全检测中的应用

马春华

（武夷学院 茶与食品学院 ，福建 武夷山 354300）

民以食为天，食以安为先，安以质为本，食品质量与安全关系到广大人民群众的身体健康和生命安全。近年来，中国食品安全事件频发，食品质量与安全引起广泛关注。目前，一些常用的检测技术，如高效液相色谱（HPLC）、气相色谱（GC）、气相色谱-质谱（GCMS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等存在着操作比较繁琐，样品前处理过程复杂，消耗溶剂且费时等不足。与这些常用的技术方法相比，拉曼光谱技术能较好克服这些方法的一些缺点，具有响应特异性高、水溶液兼容性好、不需要复杂的样品前处理和检测快速[1]等优点，拉曼光谱技术在食品成分与安全检测方面的研究和应用，开始受到人们的广泛关注[2-3]。

早在1928年，印度科学家C.V.Raman发现了拉曼散射效应[4]。拉曼光谱是一种散射光谱，通过与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子的结构研究。目前拉曼光谱现已成为一种比较成熟的光谱方法，并发展出现了多种不同的拉曼光谱方法，如傅里叶拉曼光谱 （FTRaman）、表面增强拉曼光谱（SERS）、激光共振拉曼光谱（RRS）和共焦显微拉曼光谱（MCRS）等，本文主要综述近几年来SERS在食品质量安全检测中的应用。

一、表面增强拉曼光谱

由于拉曼散射效应较弱，通常传统的拉曼光谱信号不强，检测灵敏度较低，SERS方法能够有效地克服了这个弱点。SERS方法中，在金属胶粒或粗糙金属表面作用下，材料的拉曼截面可以增大107倍。1974年，Fleishmann等[5]人在对光滑银电极表面进行粗糙化处理后，首次获得了吸附在银电极表面上单分子层吡啶分子的高质量拉曼光谱。随后M.Grant Albrech[6]等发现在银电极表面，吡啶的拉曼信号有显著增强。比较常规的拉曼光谱方法，这种能够体现分子固有特征的SERS方法、具有较高光谱的分辨率和较高的检测灵敏度[7]。目前SERS技术在许多领域包括农业和食品、医药和生物和生物化学等开始得到应用。

自SERS现象发现以来，其增强机理一直是该领域中最基本的问题。目前，普遍认可的SERS机理大致可分为两类：电磁效应和化学效应。电磁效应是由于金属表面与激发光的相互作用使分析物电场强度增大的结果，其中较重要的效应是金属表面等离激元的激发；化学效应是由于分析物与金属波函数重叠而发生，与电磁效应相比，化学反应作用范围较短，而且与分析物性质相关性较强[8]。

二、SERS基底的研究

分子所吸附基底的表面形态是SERS效应能否发生和SERS信号强弱的重要因素，SERS基底的制备一直是SERS领域的研究热点。一种性能优良的SERS基底应具备制备简单、使用方便、增强因子高和重复性好等特点。SERS信号增大只发生在直接吸附在金属表面上的物质，银和金是最常使用的金属材料[9]。对SERS的基底材料及其研究的发展趋势，Dana Cialla[10]等进行了详细的综述（Fig.1）。一般对SERS基底的要求为：1.基底材料的金属纳米离子应该规则有序地排列。2.基底的制备具有可重复性。3.制备基底的批与批间拉曼信号增强具有一致性。4.基底性质能长期稳定。5.金属基底不易受环境影响。6.基底有比较大的增强系数。7.有很好的生物兼容性。8.容易制备，成本低。9.基底可以被检测到拉曼信号。

三、SERS在食品质量与安全上的应用

由于SERS分析方法的快速、相对简单的样品前处理以及与水相兼容应用的特性，SERS技术在食品分析上的应用开始得到人们的关注，本文主要综述SERS在以下两个方面的应用。

3.1 食品质量和成份分析

Sang Kyu Kim等[11]用银胶为基底，研究了芳香族氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸及它们的氨基乙酰基二肽的SERS光谱，并和普通拉曼光谱做比较。研究结果显示两种光谱之间有很好的相关性，在930cm-1和1390 cm-1处，因为C-COO-和 COO-拉伸振动，拉曼信号强度有显著的提高。Cheng等[12]用滤纸制备出高灵敏度的SERS底物-Ag纳米粒子，并用以检测水中酪氨酸含量，通过优化检测条件，其RSD小于8%，增强倍数在107左右，检测限是625nM，限性范围0-100μM。

西红柿的干燥、加工和质量控制中，快速准确分析西红柿主要营养成分对产品质量的判断非常重要。R.Malekfar[13]等运用SERS的技术评估了西红柿汁的质量参数。为避免样品中类胡萝卜素和荧光背景的干扰，测定前将样品离心，并用银胶增强的方法检测出番茄中碳水化合物在738 cm-1、1333 cm-1和2930 cm-1处的三个峰，蛋白质的一个峰也能够被检出，SERS可以快速检测碳水化合物和蛋白质。

茶叶是我们国家重要的经济作物，可靠可信的茶叶品质鉴别和分析手段是当前茶叶研究的一个重要方向。利用SERS方法进行一些影响茶叶品质成分的快速测定，可以为茶叶品质的鉴定提供简单和快速的手段。陈永坚等[14]以乌龙茶铁观音为代表，从增强拉曼信号能力、背景噪声、光谱重复性和信噪比等方面研究探讨铁观音茶叶的SERS光谱，并探讨了不同活性基底和吸附时间对光谱测试的影响。结果表明以柠檬酸三钠还原硝酸银制得的银溶胶为活性基底的增强效果最好，吸附时间对于铁观音茶叶光谱的测试没有直观的影响。

在利用SERS方法进行转基因食物的检测方面，Chen[15]等利用SERS方法检测了苏云金杆菌基因修饰的大米表达含杀虫的蛋白，通过用金纳米、硅联合有目标DNA的寡核苷酸合成SERS条形纳米传感带，可以检测出正常大米中混有0.1%的转基因大米，检测限可达0.1 pg/mL。

3.2 有毒有害物质的检测

乌洛托品，是一种重要的化工产品，可用作树脂和塑料固化剂、橡胶硫化促进剂、纺织品防缩剂、食品防腐剂等，部分违法者将其掺入腐竹、粉丝、水产品等食品中，起到增白、保鲜、增加口感、防腐的效果，并可掩盖食品的腐败变质。刘春伟等[16]建立腐竹中乌洛托品的SERS分析方法。将样品粉碎，经乙腈提取，正己烷除脂，盐析后，用激光拉曼光谱仪进行测定。乌洛托品在0.050-1.000 mg/kg的范围内线性关系良好，相关系数R2=0.9821，检出限为0.050 mg/kg。马君等[17]采用化学还原法制备的金溶胶作为SERS散射活性基底，对不同浓度的萘、菲、芘溶液样品，进行了SERS检测，最低检测浓度分别为20、4和4 nmol/L。 特征峰强度与浓度呈线性关系，线性拟合相关系数均在0.985以上 ，三者混合溶液的光谱可清晰分辨出各自的特征峰。Chen等[18]用巯基乙烷磺酸钠改性的银纳米粒子的SERS光谱，检测水样品中的Hg(Ⅱ)含量，线性范围是0.01-2μmol/L，相关系数是0.996，检测限可达0.0024μmol/L。在杀虫剂的检测方面，Tang[19]等用银溶胶为SERS基底，以吡啶为内标，进行了水稻中三环唑的含量的检测，方法的线性范围为0.05-0.7 mg/L，最低检测限为0.002 mg/L，相对标准偏差是3.36%-4.64%，重现性良好。

在奶制品中三聚氰胺检测中，刘峰等[20]利用纳米增敏SERS法，研发了便携式三聚氰胺速检仪，三聚氰胺的定量检出限为0.5mg/kg。仪器应用用于原奶、消毒奶、酸奶和奶粉中三聚氰胺检测，线性关系良好。样品前处理步骤简单，平均单样检测时间小于2 min，仪器检测时间小于30 s，适用于现场快速分析。Wen等[21]使用银钠米适配体 (AgssDNA)SERS探针，进行了了三聚氰胺含量的检测研究。通过AgssDNA探针和三聚氰胺结合，释放银钠米颗粒，使SERS在240 cm-1增强，信号强度在一定范围 (6.3-403.6μg/L)内与三聚氰胺浓度成正比。赵宇翔[22]等用SERS方法快速检测牛奶中的三聚氰胺，三聚氰胺位于708 cm-1-714cm-1的拉曼光谱特征峰及其强度，对三聚氰胺进行定性及半定量的快速测定。检测限为 2.0 mg/L，检测时间从样品制备到结果显示一般只需10 min。Cheng等[23]以金纳米为基底的SERS法，结合偏最小二乘法进行蛋品中三聚氰胺的快速检测。在蛋白和蛋黄样品溶液中，三聚氰胺含量在2.5-100 mg/kg和5.0-200 mg/kg范围内与SERS信号强度有良好的线性关系，方法检测限分别为1.1 mg/kg和2.1 mg/kg，整个检测过程不超过30 min。SERS方法除了可应用于乳及乳制品中三聚氰胺含量速测外，还成功应用于橄榄油中掺假成分快速鉴别、养殖水中孔雀石绿快速检测。顾振华等[24]使用便携式拉曼光谱仪，对水产品养殖和运输过程中水样的孔雀石绿进行快速测定。利用孔雀石 绿 在 432-437cm-1，1166-1170cm-1， 和 1613-1617cm-1的拉曼光谱特征峰及其强度，对其进行定性及半定量的检测，方法检测限为5.0μg/L，样品的整个检测时间只需3 min，利用SERS方法实现了孔雀石绿的快速检测。He等[25]通过自制的金纳米基底，利用SERS检测开展了食物样品中的结晶紫和孔雀石绿的研究。所研制基底的放大因子可达到4×107，最低检测浓度可达0.2μg/L，结果说明SERS方法可以快速、灵敏的测定食品中痕量污染物。SERS结合多变量分析的方法可用于检测调味品中的苏丹红I，Di Anibal等[26]对比了普通拉曼、傅立叶转换拉曼和SERS检测苏丹红的结果，表明SERS更适合复杂基质的分析。为了去除背景和噪声，他们采用了Savitzky-Golay平滑处理和多项基线校正，采用主成分分析的方法区分掺杂样品和正常样品。张宗绵等[27]研究活性硅加入量对所形成的Au@SiO2纳米颗粒的SERS活性的影响，制备了具有最佳SERS活性的Au@SiO2核壳结构，并以此为SERS基底，建立了食品中的酸性橙II的分析方法。实现了对瓜子表面浓度为0.01 mg/g酸性橙 II的SERS检测。

对具有生理活性物质如茶碱的SERS检测，也有一些研究报道。Liu等[28]在银钠米粒子表面合成分子印迹物，利用SERS方法检测茶碱含量。茶碱和识别位点重新连接的过程，能够定量地通过拉曼信号准确测得，方法应用于绿茶样品加标实验。莱克多巴胺是一种人工合成的肾上腺受体激动剂，可增长肌肉，减少脂肪蓄积，正被作为一种新型瘦肉精被一些养猪场使用，中国和欧盟因为其残留的健康风险，是禁止使用的。Zhai[29]等通过猪尿中莱克多巴胺含量的SERS检测，并结合主成分分析和偏最小二乘对数据进行处理，使用液液萃取和液液萃取-固相萃取方法解决了离心方法的不足，检测方法的检出限为0.8和0.4μg/L。 翟福丽[30]等用SERS结合化学计量学的方法检测猪尿中的β-兴奋剂，包括克伦特罗、舒喘灵和莱克多巴胺，克伦特罗、舒喘灵等物质，方法的最低检测限为2μg/L，莱克多巴胺的检测限为0.1 mg/L，真实值和预测值的R2范围是0.9134-0.9368。

3.3 其他

除了在食品质量、成份、有毒有害物质方面的应用，SERS检测方法还可以应用于检测食物中的病原菌。Ravindranath等[31]利用拉曼和紫外-可见光谱法同时检测三种病原菌：沙门氏菌、金黄色葡萄球菌和埃希氏杆菌属O157：H7，Au、Ag和 Ag-Au壳分别修饰功能化的沙门氏菌、金黄色葡萄球菌、埃希氏杆菌属O157：H7抗体，并且标明拉曼报道分子，检测时间小于45min，检测范围为102-103CFU/ml。

四、结语

SERS技术具有操作简便、无需消耗化学试剂、灵敏度高等特点，可用于物质结构分析和含量分析，目前利用SERS方法进行食品质量和安全检测的应用，已有不少成功的事例，这方面的研究和应用也开始越来越受到人们的关注。在SERS应用中，改方法仍受一些因素的限制：SERS基底对不同材料的吸附性能不同，定量分析结果尚不尽人意；基底的重现性和稳定性控制的难度较大；检测对象通常需要含有芳环、杂环、氮原子硝基、氨基、羰基或磷和硫原子，这使得检测对象受到一定的限制。目前，SERS应用于食品分析还处于起步阶段，上述问题的解决，SERS在食品质量与安全的检测中的应用将得到快速的发展。

[1]YANG D T，YING Y B.Applications of Raman Spectroscopy in Agricultural Products and Food Analysis：A Review[J].Applied Spectroscopy Reviews，2011,46：539-560.

[2] ZOU M Q，ZHANG X F，QI X H et al.Rapid Authentication of Olive Oil Adulteration by Raman Spectrometry [J].J Agric Food Chem.2009，57：6001-6006.

[3] El-Abassy R M,Eravuchira P J,Donfack P et al.Direct Determination of Unsaturation，Level of Milk Fat Using Raman Spectroscopy [J].Applied Spectroscopy,2012，66（5）：538-544.

[4] Raman C V，Krishman K S.A new type of secondary radiation[J].Nature，1928，(121)：501-502.

[5] Fleischmann M，Hendra P J，McQuillan AJ.Raman spectra of pyridine adsorbed at a silver electrode[J].Chem Phys Lett，1974，26(2)：163-166.

[6]M.Grant Albrecht，J.Alan Creighton.Anomalously Intense Raman Spectra of Pyridine at a Silver Electrode [J].JAm Chem Soc，1977，(7)：5215-5217.

[7] Malekfar R，Nikbakht A M，Abbasian S et al.Evaluation of tomato juice quality using surface enhanced Raman spectroscopy[J].Acta Phys Pol，2010,117(6)： 971-973.

[8] 杨序纲，吴琪琳著.拉曼光谱的分析与应用[M].国防工业出版社（第一版）2008：26-27.

[9]Merga G，Saucedo N，Cass LCetal“Naked”gold nanoparticles：synthesis，characterization,catalytic hydrogen evolution and SERS[J].JPhys Chem C，2010，114(35)：14811-14818.

[10] Cialla D& M ärz A &Böhme R et al.Surface-enhanced Raman spectroscopy(SERS)：progress and trends[J].Anal Bioanal Chem ，2012，403：27-54.

[11] Kim SK，Kim MS，Suh SE.Surface-enhanced Raman Scattering (SERS)of Aromatic Amino Acids and Their Glycyl Dipeptides in Silver Sol[J].JRaman Spectrosc，1987，(18)：171-175.

[12]Cheng ML，Tsai BC，Yang J.Silver nanoparticle-treated filter paper as a highly sensitive surface-enhanced Raman scattering (SERS)substrate for detection of tyrosine in aqueous solution [J].Analytica Chimica Acta， 2011，708：89-96.

[13]Malekfar R，Nikbakht AM，SAbbasian et al.Evaluation of Tomato Juice Quality Using Surface Enhanced Raman Spectroscopy [J]. ACTA PHYSICA POLONICA A,2010，117(6)：971-973.

[14] 陈永坚，冯尚源 ，郭小林，等，茶叶表面增强拉曼光谱的初步研究[J].光谱学与光谱分析，2012（10）：2702-2705.

[15] Chen K，Han H Y，Luo Z H et al.A practicable detection system for genetically modified rice by SERS-barcoded nanosensors [J].Biosens Bioelectron，2012，34：118-124.

[16]刘春伟，仲 雪，马宁.激光拉曼光谱法快速测定腐竹中的微量乌洛托品 [J].食品安全质量检测学报，2012，3(4)：306-308.

[17] 马君，刘澍，史晓凤，等.多环芳烃的表面增强拉曼光谱探测与分析[J].光谱学与光谱分析，2012，32(9)：2452-2457.

[18] Chen Y，Wu L H，Chen Y H et al.Determination of mercury(II)by surface-enhanced Raman scattering spectroscopy based on thiol-functionalized silver nanoparticles [J].Microchim Acta ，2012，177：341-348.

[19] Tang H R,Fang D M,Li Q Q et al.Determination o f Tricyclazole Content in Paddy Rice by Surface Enhanced Raman Spectroscopy[J].J Food Sci，2012，77：105-109.

[20] 刘峰，邹明强，张孝芳，等.便携式三聚氰胺快速检测仪的研制与应用[J].分析化学，2011，39(10)：1531-1536.

[21] Wen G Q，Zhou L P， Li T S et al.A sensitive Surfaceenhanced Raman Scattering Method for Determination of Melamine with Aptamer-modified Nanosilver Probe[J].Chin J Chem ，2012，30：869-874.

[22] 赵宇翔，彭少杰，赵建丰，等.表面增强拉曼光谱法快速检测牛奶中的三聚氰胺[J].乳业科学与技术，2011(1)：27-29.

[23]Cheng Y，Dong Y Y.Screening melamine contaminant in eggs with portable surface-enhanced Raman Spectroscopy based on gold nanosubstrate [J].Food Control，2011，22 ：685-689.

[24] 顾振华，赵宇翔，吴卫平，等.表面增强拉曼光谱法快速检测水产品中的孔雀石绿 [J].化学世界，2012(1)：14-17.

[25] HE L L，JUNGKIM N，LI H et al.Use of a Fractal-like Gold Nanostructure in Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for Detection of Selected Food Contaminants[J].J Agric Food Chem ，2008， 56(21)：9843-9847.

[26]Carolina V ， Di Anibal，Lluís F et al.Surface Enhanced Raman Spectroscopy (SERS)and multivariate analysis as a screening tool for detecting Sudan I dye in culinary spices[J].Spectrochimica Acta Part A，2012，87：135-141.

[27] 张宗绵，刘睿，徐敦明，等.Au@SiO2核壳结构-表面增强拉曼光谱原位检测食品中的酸性橙II [J].化学通报，2012，70 ：1686-1689.

[28]Liu P，Liu R Y，Guan G Jet al.Surface-enhanced Raman scattering sensor fortheophylline determination by molecular imprinting on silver nanoparticles [J].Analyst，2011，136：4152-4158.

[29] Zhai F L，Huang Y Q，Li C Y et al.Rapid Determination of Ractopamine in Swine Urine Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy [J].J Agric Food Chem ，2011，59：10023-10027.

[30]翟福丽，黄轶群，王锡昌，等.应用表面增强拉曼光谱技术快速检测尿样中的 β-兴奋剂[J].分析化学，2012，40（5）：718-723.

[31] Ravindranath S P，Wang Y L，Irudayaraj J.SERS driven cross-platform based multiplex pathogen detection[J].Sensors and Actuators B，2011，152：183-190.