表面增强拉曼散射在外源性有害物质检测中应用研究进展

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(1.中国医学科学院北京协和医学院药用植物研究所，中草药物质基础与资源利用教育部重点实验室,北京 100193;2.吉林农业大学中药材学院 吉林长春 130118;3.吉林农业科技学院中药学院,吉林吉林 132109)

1 前言

环境污染、食品及药品安全历来是人们关注的焦点。当今，三聚氰胺、孔雀石绿、农兽药残留、冰毒等外源性有毒有害物质已成为危害人类健康的重要安全风险因子。该类物质往往具有隐蔽性强、污染性大、残留量久、痕量、检测难度大等特点[1]，其常用的检测方法主要是气相或气/质联用、液相或液/质联用等仪器分析方法，但这些方法样品制备繁琐、检测成本高。目前，表面增强拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering，SERS)已广泛应用于微量，甚至痕量外源性有毒有害物质的快速筛查，已成为化学和生物分子领域最敏锐和极具前景的光谱方法之一[2]。

本文系统综述SERS研究进展，包括增强机理、常用及新型基底，同时针对其在外源性有害物质检测实例中探讨了SERS的应用前景。基于此，展望SERS技术在外源性有害物质筛检中面临的机遇和挑战，旨在为实现该技术准确、灵敏、定量的快速检测发展提供参考。

2 SERS增强机理及活性基底分类

大多数科学家认为，SERS强大光谱信号主要是由增强基底和待测物质之间的相互作用引起，其机理包括电磁场增强(ElectromagneticEnhancement,EE)与化学增强(ChemicalEnhancement,CE)。电磁场增强主要源于吸附分子跃迁矩与入射光在基底表面产生表面等离子体耦合，具有方向性，但针对靶标是非选择性的，其模型为解释SERS效应提供了重大贡献，但不足以说明完整的SERS现象。因此，有人提出化学增强模型，该模型增加了吸附在金属表面上分析物的散射截面，通过吸附物和金属间特定作用(电子耦合、电荷转移等)，使分子产生新的振动激发态[3]。众多研究表明，电磁场增强与化学增强共同影响SERS信号，只是贡献有所差异，因此，找到两者间增强效应最大化平衡点至关重要。

SERS检测效果主要取决于活性基底，表面状态、粗糙度一致的均匀性基底更易产生良好拉曼效应。目前已制备的基底主要分为刚性和柔性材料。刚性基底采用固体材料为载体，如金属电极、石英片、InAs/GaAs、ZnO、TiO2和α-Fe2O3半导体等。为了克服刚性基底结构单一、灵活性差、适用性窄等不足，研究者将纳米粒子固定在柔性材质上，不仅优化了拉曼散射性能，同时使基底具有良好机械韧性、便于携带及运输等特点。常用柔性基底主要是基于纤维纸、石墨烯、柔性聚合物、碳纳米管(CNTs)等材质制备而成。Zhang等[4]于滤纸上沉积银纳米颗粒(AgNPs)得到柔性试纸，不仅操作方便，且极大节约成本。Gottesman等[5]制备的试纸基底，具有一定的生物可降解性，避免污染。相比单一材料，复合基底的性能相对更稳定、重复性和灵敏度更优异。Qiu等[6]制备Ag纳米棒(AgNFs)，同时使用石墨烯模板(PMMA)，制备成单层石墨烯基底(G/AgNFs/PMMA)，最小检测浓度可低至1.0×10-14mol·L-1。Zhang等[7]将多层AgNPs引入聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯中得到复合物，增强因子高达1.29×107。目前复合活性基底主要由Au、Ag等贵金属与柔性载体相结合，克服了贵金属的生物毒性、固有形状的局限性，同时保留了柔性特点，是当前研究最活跃的增强基底[8 - 18]。Xu等[19]在硅晶片表面形成以双金属(Au和Ag)纳米棒为核心、以异丙基丙烯酰胺为壳，成功制备了复合微凝胶(Au@AgNR@PNIPAM)，其呈现出高稳定性、较好柔性、透明性及生物兼容性特点。为改变Ag与碳纳米管的界面性能，Sun等[20]将CNTs交叉堆叠制得多孔碳纳米管薄膜，沉积AgNPs，并引入中间层SiO2获得掺杂基底(Ag/SiO2/CNTs)，重复性好、增强因子高、价格低廉。SERS柔性基底不仅具有柔韧多变、灵敏稳定等优势，同时保留着硬性基底固有的特性，在未来研发中更具应用价值。

3 SERS在外源性有害物质检测中应用研究

SERS可提供靶分子的特征指纹信息，针对待测物分子特性，优选适宜基底，通过功能化修饰出高活性基底，极大拓展了SERS的应用领域[21 - 39]。

3.1 食品非法添加剂

利用SERS技术可快速、无损地从食品中鉴别出非法添加剂，如孔雀石绿鱼、苏丹红鸭蛋、三聚氰胺奶(MEL)等。Li等[40]用聚乙烯吡咯烷酮改性AgNPs单层膜以增强其均匀性和化学稳定性，用其为基底检测牛奶中MEL，最小检测浓度低至1.0mg·L-1。Hu等[41]以Fe3O4为核，SiO2为壳，与AgNPs制备成复合磁性银纳米微球基底，检测MEL时最低检测浓度可低至126ng·mL-1。吴棉棉等[42]用NaBH4还原AgNPs自组装成SERS基底，实现了多类别的有害物质的定性检测。SERS技术虽在快速检测食品添加剂中具有良好应用前景，但在此领域进行标准化检测及商业推广时，仍面临诸多困难，如少量商业化SERS基底失效快、稳定性差。

3.2 环境污染物

环境污染物如多环芳烃、农药等具有高积累、高致癌等特性，利用简单、快捷的SERS技术检测环境中此类痕量污染物具有重要意义。龙亿涛等[43]基于SERS可实现芳香类有机污染物现场快速定性及半定量分析。Chi等[44]建立了一种以Ag/ITO为基底的SERS系统，能灵敏、快速测定未经处理水样中低浓度硝酸盐/亚硝酸盐(1.0和0.1μg·mL-1)。Liou等[45]用4-氨基苯硫酚(p-ATP)表征涂有AgNPs的纤维素纳米纤维(CNF)作为SERS活性基底检测苹果中噻苯达唑(TBZ)杀虫剂。杨良保团队[46]制备了“海胆状”基底检测有机污染物，结果呈现高灵敏度和高重现性。除检测液体基质中的污染物残留水平，SERS还可直接用于固体基质中的残留物测定，如Hong等[47]将AuNPs固定于超滤(UF)膜上，制备成重复性极好的等离子SERS基底，可检测橙皮中低至0.125μg·g-1噻菌灵农药。

选材对基底响应增强的影响毋庸置疑，此外在现有材料上提高接触面积也可实现信号增强，Tang等[48]使用ZnO纳米棒阵列表面与尖端组装AgNPs和银纳米球，制备成三维混合基底，大大增加了表面积，改善了信号增强效果。目前，虽然SERS应用较多，但由于实际环境存在的特殊性与复杂性限制了SERS的应用。因此，Yu等[49]用纸色谱分离与SERS相结合检测罗丹明6G(Rh6G)，不仅简便、快捷、灵敏度高，同时在复杂样品基质情况下也能够识别Rh6G。故在环境污染检测中将SERS与快速分离技术相结合，提高灵敏度同时还可增加选择性，有助于推广应用于环境领域。

3.3 兽药添加

兽药处方非法添加情况复杂，利用痕量、快速的SERS技术，从兽药中筛检出此类物质越来越受到重视。Zhu等[50]用“竞争性”SERS基底，检测牛尿液中盐酸克仑特罗，通过基底上固定抗体与SERS探针上标记抗体竞争性结合目标物，最低检测浓度可低至0.1pg·mL-1。徐宁宁等[51]制备的Au@PVP纳米单层SERS基底，检测罗非鱼肉中孔雀石绿(MG)含量，最低检测浓度可低至1.0×10-12mol·L-1。SERS用于兽药，其拉曼信号易受荧光干扰，掩盖待测物信号，因此，如何克服背景基质干扰是目前解决其在兽药检测领域的关键突破口。

3.4 毒品

简便、快速的SERS逐渐成为精准检验毒品的新技术。张建红等[52]把SERS用于毒品海洛因的快速筛检，并协助海关检测20批毒品海洛因样品，展现了SERS在海洛因筛检中具有快捷、准确的优势。Yang等[53]建立了银纳米阵列基底检测麻醉品氯胺酮方法，该方法可在3s内完成检测，是一种快速、非破坏性跟踪检测，可成为法医实验室的重要分析技术。Sgmller等[54]将SERS与高效液相色谱(HPLC)技术结合用于可卡因、海洛因等检测，检测限低至1mg·mL-1，相比常规光谱该方法对可卡因、海洛因等可进行独特鉴定，可用于验证其他识别技术。杨良保团队[55-56]提倡动态SERS技术，实现了现场、痕量、原位非损伤检测，同时也可现场筛检吸毒人员尿液[57-58]。目前关于毒品的检测报道相对较少，但SERS具有简便、快速、痕量等特性，使其在该领域具有潜在的应用前景。

4 结论

由于集高灵敏度、高选择性、高效于一体，以及痕量、单分子检测等优势，SERS技术在外源性有害物质污染筛检中发展迅速。SERS已从简单定性升级至准确定量水平，其配备的便携式光谱系统为实现准确定量及快速筛检提供了便利，此外单一SERS筛查逐渐转化为与其他技术相结合，极大地提高SERS检测效果，有助于实现复杂基质中痕量物质的筛查。然而，由于SERS检测会受分析环境、对象等影响，因此商品化基底的研究还需不断拓展思路，研发应用广阔的复合柔性基底，优化更适于多数基底的制备方法。建立适合当今市场需求的快速筛检设备，确立可靠检测标准，为实现现场大规模外源性有害物筛查奠定基础。