表面增强拉曼光谱在痕量残留检测方面的应用

汪 伟， 褚振华， 郑兴伟

(上海海洋大学工程学院，上海 201306)

1 前言

拉曼光谱是通过拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光进行分析以获得分子振动和转动方面信息的一种散射光谱[1]。不同分子具有不同结构及振动和转动方式，能获得特定的拉曼特征峰信息，因此具有“指纹特性”[2]。与传统分析检测方法相比，表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS)分析技术作为一种快速、无损分析研究工具，在物质成分鉴定和分子结构分析方面具有不可替代的作用[3]。目前关于SERS分析技术在化学污染物、食品添加剂，以及其他痕量有害化学物质等的检测和鉴别方面的应用研究报道越来越多，这表明SERS作为一种快速分析检测技术具有巨大潜力。

2 表面增强拉曼光谱技术在痕量残留检测方面的应用

SERS能够较好的检测食品中的非法添加剂、农药残留等。随着现代科技的发展，一些商家为提高产品的产量和销量，往往会在食品生产和加工过程中非法添加上述有害物质，给食品安全带来了巨大威胁。因此，快速监测食品中是否含有化学污染物和药物残留对食品安全的保障具有重要意义，而SERS技术可满足这一检测要求，并已在食品痕量残留检测中得到广泛应用。

2.1 农药残留

农药被广泛应用于现代农业以控制杂草和防治病虫害。然而过量用药或者不对症下药等，将导致土壤、水资源污染等一系列问题。这些药物在动植物中的残留可以通过食物链进入人体内从而对健康产生危害[4]。为了保障食品安全和人体健康，减少环境污染等问题，提取和检测食品中的农药残留意义重大。但已有的农药残留检测方法操作复杂，难以满足现场快速、实时检测的需求[5]。SERS是拉曼光谱结合纳米增强材料实现高灵敏检测分析的光谱技术，可以实现无损条件下的现场实时检测。该方法操作简单，敏捷快速，已经在食品表面残留污染物检测方面大量运用。Zhu等[6]利用银镜反应原理将Ag纳米颗粒(Ag NPs)沉积到滤纸制成的基底纸上，以此种基底纸擦拭果皮后，由拉曼检测仪检测基底纸，检测了果皮上农药残留。He等[7]利用树枝状Ag纳米基底，采用擦拭法实现了对苹果表皮上的噻苯咪唑的快速无损检测，回收率在59.4%～76.6%之间。研究表明这种拭子-SERS方法简单、快速、灵敏，还可以扩展到检测其他食品，如梨、胡萝卜和瓜等的农药残留。杨永安等[8]以毛细管壁吸附Ag NPs为增强基底，在酸性条件下可以检测农药乐果，浓度为0.1 mg/kg。何强等[9,10]以Au/Ag核-壳复合粒子为增强基底，获得了乐果及氧化乐果在酸碱条件下一系列浓度的SERS，考察了乐果和氧化乐果分子在该增强基底表面的吸附状态及酸碱条件产生的影响，发现氧化乐果主要以磷酸酯结构与增强基底表面作用。此研究为研究其他有机磷农药的形态转化提供有益的参考。

Luo等[11]通过迭代播种法在伪纸膜(PPFs)上原位合成Au NPs，并将其作为SERS基片用于表面农药残留检测，可同时检测苹果皮上的福美双、甲基对硫磷和孔雀绿，其中福美双的检出限为1.1 ng/cm2。黄双根等[12]以Au NPs 为基底，首先对不同浓度西维因标准溶液进行SERS采集，其次采用多元散射校正(MSC)法对采集的SERS进行预处理，建立了小白菜中西维因农药残留的PLS预测模型。该模型对浓度低于0.976 mg/L时，在西维因仍具有良好的预测性能，预测回收率为95.73%～107.28%，相对误差为1.98%～7.28%。Zhai等[13]以Ag胶作为SERS基底，将提取苹果上单一农药的拉曼信息结合自建预测模型，实现定量监测混合状态下的啶虫脒和多菌灵，SERS强度与农药啶虫脒(0.0012～15.31 mg/kg)和多菌灵(0.0081～10.53 mg/kg)的浓度具有良好线性关系，相关系数分别为0.988和0.986。

Yang等[14]探究一种快速生成Ag纳米壳的方法，通过SERS并结合该Ag纳米壳实现了农药残留的免标记检测。Luo等[15,16]通过对比不同纳米材料对不同农药的SERS响应特性，获得最优尺寸纳米材料，并对苹果及苹果汁中农药残留进行了分析，方法对亚胺硫磷和噻菌灵的最低检测浓度分别为0.5 μg/g和0.1 μg/g。Luo等[15]通过SERS技术与Au NPs 联合应用于测定苹果汁中百草枯的含量，表明它作为一种快速、简单、超灵敏的检测方法，在多种食品中检测百草枯或其他污染物方面有巨大的实用潜力。Luo等[16]研究了一种新的、快速和灵敏的检测方法，用于分析苹果中痕量农药残留，该方法对于分析其他痕量污染物具有很大的潜力。应方等[17]以Au NPs作为增强基底，实现了倍硫磷与对硫磷等常用有机磷农药的多靶标同时检测，倍硫磷和对硫磷检测限分别可达0.01、0.025 μg/mL。在对实际菠菜样品的检测中，检测限达到0.05 μg/mL。Kubackova等[18]将SERS增强基底表面功能化，克服了SERS增强基底与分析物结合能力差的问题，在检测有机氯农药残留中显示出强大的能力，检出限均低于10-8mol/L。Tang等[19]采用SERS对三唑磷、百草枯和氟硅唑进行了分析检测，SERS对单一农药的检测限分别为0.01、0.1和2.85 mg/L；3种农药混合时，在低浓度下它们的特征峰仍然可以从混合物的SERS光谱中识别出来，可实现农药种类的定性判别。

2.2 色素和染料类添加物

食品安全问题一直是社会关注的焦点问题，对于人民健康具有非常重要的意义[20]。然而近些年来食品安全现状较为严峻，不仅危害消费者的身体健康，同时对市场风气以及我国对外食品贸易中的信誉都有极大损害[21]。运用SERS技术结合固体表面基底可快速检测色素和染料类添加物。Lee等[22]用Ag溶胶作为基底，采用SERS技术可测到1～2 ng/mL孔雀石绿和结晶紫的SERS特征峰。此外，传统分析方法的一些问题，如样品制备时间长、测量时间长、间接测量等，都可以用这种SERS微流传感器来解决。同时作者预计这种分析技术可以成功地应用于其他敏感的痕量分析。He等[23]报道了基于SERS对结晶紫和孔雀石绿及两者混合物的快速检测方法，检测限为0.2 ng/mL，Au NPs 表面增强基底的增强效应达到了4.0×107倍。

Zhang等[24]用Au NPs固体表面基底，采用三种不同的样品前处理方法检测鱼肉中的孔雀石绿，结果表明运用SERS最低能检测到鱼肉中1 ng/mL的孔雀石绿，定量分析模型的预测值与实际值的R2为0.79～0.98，简化前处理后分析时间可从2 h左右缩短到40 min。Ou等[25,26]基于SERS结合Au纳米棒及Au@Ag纳米材料，对饮料及辣椒中多种色素类染料进行了SERS分析，并对比了不同样品处理方法及基底稳定性。Ou等[25]运用SERS与Au纳米棒相结合，分析食品着色剂和其他食品添加剂，方法快速、简便、灵敏。该方法可以实现对饮料中诱惑红和日落黄进行的定量分析，仅需少量样品，整个过程方便简单，成本低，高效快捷。同时该方法可作为进一步调查的基础，以确定复杂系统中超痕量的特定物种。Ou等[26]研究表明，采用简化的样品制备方法，将Au@Ag作为SERS基底用于苏丹Ⅰ～Ⅳ的定性定量分析具有很大的潜力，同时通过开发的PLS模型为辣椒片中苏丹染料提供了相对较好的可预测性。通过更好地控制SERS基底的表面结构和稳定性，最大限度地提高目标分子的SERS增强效果，从而扩展分析痕量化合物的能力和范围。Hu等[27]研究了ZnO/Ag混合基底的合成制备，利用自制基底结合SERS对苏丹红Ⅱ和苏丹红Ⅳ进行了探索性检测，检出浓度为1.0×10-12mol/L。

2.3 抗生素

为了作物生长实现高产量及家禽养殖过程中防病治病，大量种类繁多的抗生素被滥用于作物和禽畜水产养殖的过程中[28]。这些药物在动植物中的残留可以通过食物链进入人体内从而对人体健康产生危害[4]。因此，加强食品检测技术的研究对于作物和禽畜水产养殖安全显得尤为重要，而应用SERS分析技术对食品中抗生素的快速检测也是目前食品安全研究领域的热点之一。Lai等[29,30]用Au NPs固体表面基底能检测到溶液中50 ng/mL的氯霉素和5～10 ng/mL左右的磺胺类抗生素。该研究表明利用SERS技术检测和测定微量违禁或限制药物有巨大的潜力。Zhang等[31]采用Au NPs固体表面基底对呋喃唑酮标液的检出浓度为800 ng/mL，并对罗非鱼中呋喃唑酮残留进行了检测，检出限为1 μg/g，定量分析模型的R2为0.92。陆冬莲等[32]研究了呋喃唑酮在自制银镜基底表面的吸附状态，证明了呋喃唑酮分子主要是通过C=N吸附于Ag NPs表面，获得了良好的增强效果。

Xie等[33]运用Au NPs溶胶作为增强基底，基于SERS检测了2种呋喃类抗生素及其混合物，通过特征峰分析可识别呋喃它酮和呋喃妥因，最低检出浓度为5 mg/L。结果表明该SERS方法能够识别和表征糠醛酮和呋喃丹酮，这对于进一步应用于食品样品中抗生素残留的检测是有价值的。此外，所提出的检测微量硝基呋喃抗生素的方法在检测食品样品中禁用抗生素方面具有很大的潜力。He等[34]采用SERS结合树枝状Ag纳米表面增强基底，对3类禁用抗生素恩诺沙星、环丙沙星和氯霉素进行了快速准确的定性定量分析，最低检测浓度可达到了20 ng/mL。结果表明，使用SERS与树枝状Ag纳米表面增强基底结合用于化学污染物的快速检测、分类和定量方面具有很大的潜力。然而，研究也表明还需要更多的研究来提高SERS的灵敏度，通过优化激光波长等条件来探索测量其他食品污染物的可行性，并将该方法应用于实际食品中化学污染物的检测。

2.4 三聚氰胺和瘦肉精类添加剂

SERS分析技术作为一种快速、便捷、无损的检测方法，在检测食品中三聚氰胺已有大量应用。Zhang等[35]运用SERS技术结合Ag溶胶对牛奶中的三聚氰胺进行了检测，实现了至少105倍的拉曼信号增强，对牛奶中三聚氰胺的检出限为0.5 μg/mL。Cheng等[36]利用便携式拉曼光谱仪，结合Au纳米增强基底，对鸡蛋中的三聚氰胺进行检测，蛋白和蛋黄中三聚氰胺的检出限分别为1.1 mg/kg和2.1 mg/kg。用偏最小二乘法对蛋白和蛋黄中添加的微量三聚氰胺进行了表征和定量，获得了较好的蛋白浓度三聚氰胺模型，用留一法进行验证，所得模型预测值与真实值相关系数(R2)为0.98。该SERS是传统色谱和免疫分析的一种很有前途的互补方案，可提供一种快速、超灵敏的检测和表征鸡蛋中三聚氰胺污染物的工具，适用于现场鸡蛋产品质量控制和市场监控。Mecker等[37]采用便携式拉曼光谱仪，对奶粉、配方奶等8种食品中三聚氰胺的检出限为100～200 μg/L。Yazgan等[38]采用SERS技术结合磁性纳米材料对牛奶中的三聚氰胺进行检测，检出限和定量分析限分别为0.39 mg/L和1.30 mg/L。结果表明，SERS技术是一种简单、快捷的检测方法，适用于真实样品中三聚氰胺的检测。

克仑特罗俗称瘦肉精，是一种非法食品添加剂，我国已经明令禁止在饲料及动物饮用水中使用该添加剂[39]。Zhu等[40]基于Au NPs的SERS纳米探针标记与克伦特罗抗体连接，通过修饰的玻璃基板竞争吸附克伦特罗-BSA抗原，与SERS纳米探针结合作为SERS基底，对猪尿样品中克伦特罗进行了分析检测，检出限为0.1 pg/mL。该检测方法为制备简单、快速、经济的SERS纳米探针检测小分子提供了一个很有前途的平台。莱克多巴胺作用与克仑特罗类似，是一种新型人工合成的瘦肉精类非法食品添加剂[41]。Zhai等[42]基于SERS结合Au纳米基底对猪尿中莱克多巴胺残留进行了检测，尿样中莱克多巴胺的提取和净化采用液-液萃取和固相萃取法，检测限为0.4 μg/mL。省去净化步骤后，由于尿素的强烈干扰，使得莱克多巴胺特征峰的强度相对减弱，检测限为0.8 μg/mL，定量分析模型的R2为0.73～0.74，虽然简化前处理有基质峰的干扰，但定量分析结果差异不大。

3 前景与展望

通过分析基于SERS技术在痕量残留检测方面应用的研究现状表明：该技术在微量和痕量物质的检测具有快速、无损和可靠的优异特性。相对食品复杂组分基质(蛋白质、脂肪、糖、酸等)对目标分析物检测的干扰，飞机待涂装表面干扰因素更为简单明确，对特征谱图的影响更少，因此，表面残留污染物直接检测更具可行性。另外，飞机待涂装表面清洁度状态检测和食品安全微量物质检测具有很高的相似性。两者检测对象都具有微量特性，且要求检测技术具有快速、无损和可靠性特性。这些共同特性为基于SERS检测技术应用到飞机零件喷涂前清洁度检测提供了可行性的理论和技术支撑。

SERS技术作为高灵敏的拉曼指纹光谱分析技术，其在痕量物质检测领域的研究报道逐年增加，随着科技的进一步发展，SERS分析技术在表面痕量残留检测领域及其他应用领域中将具有更为广阔的应用前景。