翟文磊,韦迪哲,王 蒙
(北京市农林科学院质量标准与检测技术研究所,北京 100097)
随着人民生活水平的显著改善,人们对于食品质量安全问题的关注度也越来越高。农产品在种植、生长、采收、贮藏和加工过程中都有可能受到农药残留、致病菌、真菌毒素、重金属等多类有毒有害物质的污染,导致食品安全事件时有发生。加强对农产品产地、加工和交易场所中典型污染物的现场快检和日常筛查,从源头控制受污染农产品,是解决食品安全问题的重要手段。因此,研究和建立准确、可靠、快速的农产品污染物检测技术,对于提高我国食品安全监管水平,保障人民生命健康有着至关重要的意义和作用。然而,农产品和食品检测存在成分复杂、基质干扰大的问题,这为相应的快检技术开发带来诸多挑战。
表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)是由表面增强拉曼散射现象发展而来的一种新兴分析技术。1974年Fleischmann等首次报道了在粗糙银电极表面采集到单层吡啶分子的拉曼散射谱图。此后,Jeanmaire、van Duyne和Albrecht、Creighion等证实了被粗糙银表面吸附的吡啶分子拉曼信号比溶液中游离分子信号增强了6个数量级,这一现象被命名为表面增强拉曼散射。经40余年的研究,目前对SERS机理有了较深入的认识,被广泛接受的理论包括电磁增强和化学增强。电磁增强是通过粗糙贵金属表面激发出的局域表面等离激元共振(localized surface plasmon resonance,LSPR)产生电磁场,极大地增强了电磁场中分子的拉曼信号;化学增强是SERS基底与吸附在其表面的分子之间发生电荷转移引起的信号增强。目前认为电磁增强起主要作用,两者共同决定了最终的SERS效应。随着纳米加工和仪器性能的提高,SERS研究发展迅速。1997年Nie Shuming和Kneipp等均利用SERS实现了单分子检测,标志着SERS成为最灵敏的分析技术之一。
SERS的主要优势包括:检测灵敏度高;分析速度快;适用于微量分析;可实现无损检测;不受水的干扰;光谱覆盖范围广;谱图特征明显,易于定性分析;仪器可便携,适用于现场检测等。因此,该技术已被用于临床中病原微生物、疾病标志物,安检中危化品、违禁物质,环境中重金属、有机污染物,食品中农药、毒素、非法添加剂等多场景、多目标物的检测研究。受限于电磁增强和化学增强的作用方式,只有当目标分子吸附在贵金属表面或距离其很近(<10 nm)时,才能产生理想的SERS效应。为保证检测灵敏度,多数研究致力于提高SERS基底与待测分子的结合能力。例如通过金硫键、静电作用等方式将待测分子吸附在贵金属表面。然而,被吸附分子难以清除,因此目前商品化的SERS基底均为一次性使用,增加了检测成本。另一方面,单一的贵金属基底存在均一性和批次间稳定性差的问题,限制了该技术的实际应用。此外,SERS的主要检测对象包括农药残留、病原菌、环境污染物等有毒有害物质,若处理不当会对环境造成进一步危害。
近年来,随着基于光催化降解的自清洁纳米材料的开发和应用,针对光催化剂-贵金属复合SERS基底的研究十分活跃,并在食品安全等多个领域有应用潜力。本文重点关注近5 年内SERS-光催化技术联用的发展及其用于典型食品污染物的可循环检测的研究。根据SERS基底的种类,分别从二氧化钛(TiO)、氧化锌(ZnO)、其他无机和有机半导体4 类光催化剂与贵金属纳米材料的复合展开讨论,涉及的检测对象主要包括福美双、乙酰甲胺磷、甲基对硫磷、对氧磷、乐果、毒死蜱、吡蚜酮、硫丹等农药,孔雀石绿、结晶紫、罗丹明B、糖精钠等添加剂以及氨苄西林、盐酸四环素等抗生素。
光催化自清洁材料是在一定光源激发下,可通过光催化反应将附着在其表面的污染物降解去除,从而维持表面洁净的一类材料,在抗菌和环保等领域已有应用,近期在食品安全领域也有相关的研究报道。基于光催化原理开发具有自清洁能力的多功能SERS基底,可实现基底材料的循环利用,改善传统基底在信号均一性、批次间一致性、制备成本等方面的不足,并为有毒有害分析物的降解提供有效方案。SERS-光催化技术用于食品污染物循环检测的示意图如图1所示。
图1 SERS-光催化技术用于食品污染物循环检测和降解示意图Fig. 1 Schematic illustration of SERS-photocatalysis for recyclable detection and degradation of food contaminants
特定的无机半导体纳米材料在光照射下可产生超氧自由基和羟基自由基等强氧化性物质,将有机物氧化分解。常见的无机半导体光催化剂包括纳米TiO、ZnO、氧化亚铜(CuO)、二硫化钼(MoS)等。其中,纳米TiO具有紫外光吸收能力强、带间能隙大、光生电子和空穴的还原性和氧化性强、原料丰富等优势,是应用最广泛的光催化材料。
通过化学还原法在纳米TiO表面沉积Ag,可获得具有自清洁功能的SERS基底。Zhang Maofeng等在锐钛矿/金红石TiO异质结构上通过银镜反应制备致密的Ag纳米颗粒,紫外光照下,TiO-Ag杂化界面的电荷转移增强,可产生光诱导增强拉曼光谱(photo induced enhanced Raman spectroscopy,PIERS)效应(图2)。该基底可用于检测食品非法添加剂孔雀石绿和结晶紫,以及农药福美双和乙酰甲胺磷,且可循环检测次数高达15 次。Peng Yumei等在介孔TiO上杂化AgCu用于氨苄西林抗生素的SERS检测,灵敏度可达2.86×10mol/L,且该基底至少可循环使用3 次。除化学还原外,Dai Haichao等报道了水热-光还原-高温退火三步法制备TiO/Ag纳米颗粒复合材料,实现了苹果汁中农药福美双残留的SERS检测,检测限低于美国环保署设定的7 mg/kg的限量标准,且基底经4 次循环检测后仍能保持与初始状态接近的SERS活性。
图2 Ag纳米颗粒修饰的锐钛矿/金红石TiO2杂化阵列制备和PIERS检测示意图[34]Fig. 2 Schematic illustration of the fabrication of anatase nanosheets/rutile nanorods TiO2 heterostructure decorated with Ag nanoparticles and its application for PIERS detection[34]
柔性SERS基底的开发和应用近年来受到越来越多的关注,通过简单的粘贴或擦拭的方式即可提取农产品表面残留的农药,充分发挥了柔性材料在现场快检中的优势。Mandrile等在聚二甲基硅氧烷柔性衬底上沉积多孔TiO薄层,并在其上负载Au纳米颗粒得到柔性透明的SERS基底。使用时,将该柔性材料附着在不平整的生物样品表面,可实现对叶片表面嘧霉胺农药残留的SERS检测。Ge Fengyan等在棉布上沉积TiO薄膜并修饰Ag纳米颗粒,同样得到了柔性可循环检测的SERS基底。通过简单的擦拭取样,实现了梨表面10mol/L农药西维因残留的SERS检测。Wang Yong等通过水热法在碳纸表面制备有序TiO纳米片阵列,并在纳米片上原位沉积Ag纳米颗粒,得到具有自清洁功能的基底,经5 次循环检测后SERS活性未见明显变化。他们利用该材料实现了农药毒死蜱的SERS检测,检测限为0.5×10mol/L。
在纳米TiO-Ag复合材料的基础上引入氧化石墨烯(graphene oxide,GO)可进一步提高基底的SERS活性及对待测分子的吸附能力,从而提高检测灵敏度。Parvathi等报道了TiO/Ag/GO复合基底的制备及用于食品着色剂结晶紫和刚果红的SERS检测和光催化降解的研究。Zhang Maofeng等通过在三维TiO纳米孔阵列中均匀沉积Ag纳米颗粒,并在其表面包裹GO,得到TiO-Ag-GO复合基底(图3),利用便携式拉曼光谱仪实现了对鱼鳞上低至10mol/L的结晶紫以及香蕉皮上10mol/L的福美双残留的检测,且循环检测6 次后仍保持较好的SERS性能。此外,将TiO-贵金属与磁性材料相结合,可制备出均一稳定的SERS基底用于食品添加剂的检测和降解。Tian Yiran等以糖精钠和胭脂红酸为检测对象,首先在FeO磁颗粒上包裹TiO壳,在其表面修饰Au和Ag纳米颗粒,然后在外加磁场的作用下,将磁性颗粒均匀旋涂在硅片上,最后在其表面包裹GO薄膜,得到GO包裹的FeO@TiO@AuAg复合基底(图4)。该材料可实现对低至1.02×10mol/L和9.97×10mol/L的糖精钠和胭脂红酸的SERS检测,以TiO在149 cm处的拉曼信号为内标,经校正后,对实际样品的加标检测回收率达75%以上。同样通过光催化降解可实现基底材料的循环利用,重复8 次后基底仍可保持86.4%的SERS强度。
图3 TiO2-Ag-GO纳米孔阵列的制备及鱼鳞上药物残留的便携式SERS检测示意图[42]Fig. 3 Schematic illustration of the preparation of TiO2-Ag-GO nanopore arrays and portable SERS detection of drug residues in fish scales[42]
图4 Fe3O4@TiO2@AuAg-GO杂化基底的构建和SERS可循环检测示意图[43]Fig. 4 Formation procedure of Fe3O4@TiO2@AuAg-GO hybrid substrate and recyclable quantitative SERS-based detection[43]
除常见的纳米TiO-贵金属外,近期也有少量不含贵金属的复合SERS基底用于食品污染物检测和降解的研究报道。Quan Yingnan等制备了MoS纳米花和TiO纳米颗粒的杂化材料,得益于杂化界面上的电荷转移机制,该材料表现出优异的SERS和光催化活性以及稳定性,对亚甲基蓝的检测灵敏度达10mol/L,并可在180 s内达到97.2%的降解率。利用该材料,可实现对孔雀石绿和农药硫丹的SERS检测和降解。相比于传统的贵金属SERS基底,该材料在稳定性和制备成本上具有一定优势,为SERS-光催化技术在食品和环境监测中的应用开辟了新的思路。
通过纳米TiO与金(Au)或银(Ag)杂化制备可循环检测SERS基底用于检测食品中非法添加剂和农药残留的研究报道汇总如表1所示。
表1 TiO2-贵金属复合SERS基底的种类、分析物和灵敏度Table 1 Summary of different types of TiO2-noble metal composite SERS substrates and their analytes and sensitivity
作为一种能隙较大、光学性质优良的N型半导体,纳米ZnO的制备及光催化研究已有较多报道。近年来,若干课题组报道了纳米ZnO也可通过与吸附分子之间的电荷转移产生SERS效应。相比于贵金属SERS基底,ZnO纳米材料制备成本低。然而,由于其不具有等离激元性质,仅依靠化学增强模式产生的SERS强度有限,现阶段还难以替代传统基底。针对该问题,通过模板法制备阵列式ZnO-贵金属复合纳米材料,可实现对食品污染物的灵敏检测和高效降解。例如,Huo Dexian等制备了Ag纳米颗粒修饰的ZnO纳米棒三维有序阵列,对福美双和甲基对硫磷的检测限分别为0.79×10mol/L和1.51×10mol/L。经紫外光照降解后,循环检测3 次仍保持SERS活性。Quan Yingnan等报道了一种负载Ag纳米颗粒的ZnO微米棒三维阵列用于果汁中农药残留的SERS检测和光催化降解(图5),对福美双的检出限低至10mol/L。益于Ag纳米颗粒对光催化过程中电子-空穴分离效率的提高,经30 min光照即可将农药完全降解,且4 次循环检测后仍可用于福美双的定性检测。此外,该课题组在镁掺杂的ZnO微米棒阵列上修饰Ag纳米颗粒,同样获得了可循环检测4 次的SERS基底。
除纳米棒阵列外,还可通过在三维花状结构的ZnO纳米材料上杂化贵金属纳米颗粒,构建兼具SERS和光催化功能的基底材料。例如,Zhai yan等制备了三维ZnO/Ag@Au复合基底材料,用于牛奶中磺胺吡啶抗生素的SERS检测,检测限可达10mol/L,并且在紫外光照射下可实现对待测分子的光催化降解和基底的回收利用,5 次循环检测间的相对标准偏差为9.68%。Barveen等在花状ZnO微晶上沉积Ag纳米颗粒,利用该基底检测了罗丹明6G、日落黄和柠檬黄等着色剂,检测限分别为10、10mol/L和10mol/L。经紫外光照射30~60 min后,高浓度的待测物分子可被完全降解,且基底经4 次循环检测后仍保持较好的SERS活性。
图5 三维ZnO微米棒/Ag杂化阵列用于果汁中农药残留SERS检测的示意图[47]Fig. 5 Schematic illustration of 3D ZnO micron rods/Ag hybrid array for the recyclable SERS detection of pesticides in juice[47]
图6 基于ZnO-Ag纳米颗粒和纸层析分离的SERS可循环检测流程示意图[51]Fig. 6 Schematic illustration of the fabrication of ZnO-Ag nanoparticles modified filter paper based separation channel for recyclable SERS detection[51]
图7 Ag-ZnO纳米颗粒修饰石墨烯纳米网的制备和应用示意图[53]Fig. 7 Schematic illustration of the fabrication and applications of graphene nano-mesh-Ag-ZnO nanohybrid[53]
通过引入简便的分离技术,可以提高SERS分析的准确性,扩大检测范围。例如,Jin Xiangying等在亲水性纸基通道内修饰Ag和ZnO纳米颗粒,利用纸层析原理实现对多种农药的分离、检测和光催化降解(图6),对福美双、乐果和毒死蜱的检测限分别为19.16、54.57 μg/L和48.53 μg/L,且循环检测5 次后仍保持SERS和光催化活性。同样类似于TiO,通过ZnO-Ag与石墨烯的复合也可达到SERS检测和基底循环检测的目的。Bharadwaj等利用水热还原和热退火制备了Ag-ZnO纳米颗粒修饰的石墨烯纳米网(图7),实现了甲基橙、罗丹明6G和百草枯的灵敏SERS检测,5 次循环检测后材料的SERS和光催化活性几乎未见变化。此外,该材料还具有较好的抗菌性能。
近期ZnO-贵金属复合SERS基底的种类、分析物和灵敏度研究汇总如表2所示。
表2 ZnO-贵金属复合SERS基底的种类、分析物和灵敏度Table 2 Summary of different types of ZnO-noble metal composite SERS substrates and their analytes and sensitivity
除纳米TiO和ZnO外,还可过将贵金属与其他具有光催化性能的金属氧化物/硫化物半导体材料复合,制备兼具检测和降解功能的SERS基底。CuO是一种典型的P型半导体,带隙2.17 eV,可用于光催化反应。Xu Yi等开发了一种具有自清洁功能的SERS芯片用于茶叶中农药残留的SERS检测和降解(图8)。以修饰Ag纳米颗粒的介孔CuO球为SERS增强材料,通过抽滤将其与样品共同富集在纸基芯片上进行SERS信号采集,并利用化学计量模型分析数据。该方法可检出茶叶中低至0.1 ng/g的吡蚜酮和福美双,远低于欧盟的限量标准。同时也可实现两种农药的光催化降解,经至少5 次重复使用后,该基底的SERS强度未见明显减弱。Wu Yiping等报道了一种制备多功能CuO/Ag微纳米复合材料的方法。在光照条件下CuO催化剂产生的电子转移至Ag纳米颗粒,提高了电子-空穴分离效率,从而产生更强的光催化活性,可用于结晶紫的降解和SERS检测。Xu Kaichen等制备了类似刺猬结构的Ag/CuO纳米线/CuO杂化材料,其对可见光有很好的吸收能力,以孔雀石绿为检测对象,经7 次循环检测后仍能保持85%以上的SERS活性。Ji Shangdong等先通过电化学沉积在氧化铟锡(indium tin oxide,ITO)电极表面制备CuO纳米金字塔阵列,再以其为模板还原硝酸银得到Ag/CuO/ITO复合材料,对罗丹明B的检测灵敏度可达10mol/L,且循环检测4 次后SERS强度保持在初始水平的84.6%。
图8 介孔Cu2O@Ag SERS基底的构建以及基于多元校正的农残检测与光催化降解示意图[54]Fig. 8 Schematic illustration of mesoporous Cu2O@Ag nanoparticles SERS sensor and detection and photocatalytic degradation of pesticides using it coupled with multivariate calibration[54]
MoS纳米材料具有类似石墨烯的层状结构,能吸收可见光进行光催化降解。Chen Ying等报道了一种花状结构的MoS@Ag复合材料,并用于4种水果和蔬菜中农药残留的SERS检测(图9),对福美双和甲基对硫磷的检测限分别为2.66×10mol/L和3.72×10mol/L,且经6 次循环检测后仍可检出4.16×10mol/L的福美双。由于Ag纳米颗粒与MoS之间形成的肖特基势垒对电子-空穴复合的抑制作用,该材料具有优异的光催化降解能力。Zhao Xiaofei等报道了在金字塔结构的硅表面生长MoS纳米腔阵列,并在纳米腔内原位还原Au纳米颗粒作为SERS基底。该材料可用于结晶紫和罗丹明6G的SERS检测。得益于复合材料的纳米腔结构对光捕获和表面等离激元耦合的协同作用,该基底具有灵敏度高、均一性和稳定性好的优点。此外,纳米腔的光捕获和复合材料的快速转移电子能力提高了光催化效率,可实现对有机污染物的降解,3 次循环检测后未见SERS强度变化。
图9 花状MoS2@Ag复合基底的制备及其应用于农残SERS可循环检测示意图[58]Fig. 9 Schematic illustration of the fabrication of flower-like MoS2@Ag hybrid matrix and its application in recyclable SERS detection of pesticide residues[58]
近期其他无机半导体-贵金属复合SERS基底的种类、分析物和灵敏度研究汇总如表3所示。
表3 其他无机半导体-贵金属复合SERS基底的种类、分析物和灵敏度Table 3 Summary of different types of other inorganic semiconductorsnoble metal composite SERS substrates and their analytes and sensitivity
相比于传统的纳米TiO、ZnO等仅吸收紫外光进行光催化反应的半导体材料,CuO、MoS等纳米材料对可见光的吸收和利用效率更高。通过对材料组成和结构的不断优化,有望在不依赖外加光源的条件下实现对有毒有害物质的催化降解和SERS基底的回收利用,这一优势使其在现场快检中具有更好的应用前景。
近年来,纳米导电聚合物的光催化活性的发现是光催化领域一项重要的突破,在污染物降解和太阳能电池等多个领域都有潜在的应用价值。Ghosh等以3,4-乙烯二氧噻吩为单体合成了聚合物纳米纤维聚乙烯二氧噻吩,通过与Au纳米颗粒的杂化,成功地制备了一种高效的光捕获纳米材料。在杂化界面上,Au增强了电荷分离和光诱导电子转移的过程,提高了光催化降解有机物的活性,比传统的Au/TiO催化剂高46 倍,且经5 次循环检测后,该材料仍可保持95%~98%的光催化性能。另一方面,Au颗粒在纳米纤维上的高密度分布使其具有SERS活性。通过对罗丹明B的检测,计算出增强因子为10,且3 次循环检测间的SERS强度无较大差异(相对标准偏差=6.7%)。
作为一种有机聚合物半导体,类石墨相氮化碳(g-CN)的光催化性质自报道以来便受到广泛关注。相比于传统光催化材料,g-CN对光的吸收范围更广,能利用可见光活化氧分子,产生超氧自由基降解有机物;此外,该材料的热稳定性和化学稳定性好,对环境无毒无污染。目前已有利用g-CN的光催化活性构建SERS可循环检测基底的研究报道。Qu Lulu等通过倾斜角沉积法制备了Ag纳米棒阵列,并在其顶部修饰g-CN纳米片作为SERS基底(图10),实现对盐酸四环素抗生素的SERS可循环检测,检测限可达7.2×10mol/L,且经至少4 次循环检测后仍保持稳定性能。Zhao Lei等通过对Ag纳米颗粒、g-CN纳米片和GO的复合制备了可循环检测SERS基底(图11),利用GO与有机分子之间的π-π堆积作用,在抽滤时将样品中残留的农药吸附在SERS基底上,实现了对浓度低至nmol/L水平的农药对氧磷的SERS检测和可见光催化降解。Song Yingshuang等通过水热反应“一锅法”制备了三维Ag/g-CN/还原型GO气凝胶复合材料,该材料表现出优异的SERS活性及高效吸附和可见光催化性能,对罗丹明6G的检测灵敏度为10mol/L,吸附和降解效率分别达44%和93%,且经4 次循环检测后光催化能力仅有略微下降。在另一研究中,Sheng Wenbo等通过光聚合法在g-CN纳米片上接枝聚合物分子刷,并在分子刷上还原生成Ag纳米颗粒,同样制备了兼具SERS和光催化活性的多功能复合材料。
图10 三维Ag纳米颗粒/O-g-C3N4基底的制备和SERS可循环检测示意图[63]Fig. 10 Schematic illustration of the fabrication of 3D Ag nanoparticles/O-g-C3N4 substrate and its application for recyclable SERS detection[63]
图11 GO/g-C3N4/Ag纳米颗粒复合基底的制备、SERS检测和光催化降解过程示意图[64]Fig. 11 Schematic illustration of the preparation of GO/g-C3N4/Ag membrane and its application for SERS detection and photocatalytic degradation[64]
有机半导体-贵金属复合基底用于SERS可循环检测是近几年出现的新方向,相比于以纳米TiO、ZnO为代表的无机半导体复合材料,目前该方向的研究报道较少。然而,通过分析相关文献不难看出,这类材料的应用潜力巨大。除了具备可媲美传统无机材料的SERS活性及光催化活性,有机半导体光催化剂还具备能级可调,可利用可见光,可制备成气凝胶、柔性薄膜等材料,对环境更友好等突出优势,特别是以g-CN纳米片作为光催化剂,通过与贵金属纳米颗粒和GO载体的复合,既可以通过静电吸附、π-π堆积等相互作用增强对待测分子的吸附能力,提高检测灵敏度,同时也有望用于柔性SERS基底的开发。柔性SERS基底是食品快检技术中的重要发展方向,将制备好的柔性基底在果蔬等农产品表面进行擦拭或粘贴的简单操作,即可提取残留在果蔬表面的农药等污染物,用于SERS谱图的采集和定性定量分析。该方法具有操作简便、检测速度快等优势,是一种比较理想的果蔬表面农药残留快检方式。而通过引入g-CN纳米片等有机半导体光催化剂,使柔性基底具有SERS可循环检测的功能,很大程度上可以节约该方法在材料制备上的成本,提高其在实际应用中的竞争力。
作为一种新兴的分析技术,SERS凭借诸多优势在食品污染物的检测上展现出应用潜力。然而,现阶段该技术尚存在可重复性较差、准确定量难、检测成本高等亟需突破的瓶颈。SERS检测的可重复性受基底材料均一性和批次间稳定性的影响,常用的Au或Ag溶胶难以控制颗粒的聚集程度,导致SERS“热点”分布不均,影响检测的稳定性。而后续开发的一些基底制备方法过于复杂,仅适于实验室制备,不利于批量生产和应用。另一方面,传统SERS基底主要为单一的Au或Ag,且无法重复利用,增加了检测成本。
本文介绍的一系列SERS-光催化技术联用研究,为SERS检测结果稳定性和成本问题的解决提供了一定的思路。通过与Au或Ag纳米颗粒复合,借助贵金属的LSPR效应可大幅提高半导体材料的SERS效应。另一方面,利用TiO、ZnO等半导体纳米材料的光催化活性,使得SERS基底具有自清洁功能,可被循环使用从而减少批次间差异,大幅降低检测成本。此外,实验和理论计算均证实贵金属与半导体界面上的电荷转移有助于光催化过程中的电子-空穴分离,进一步提高了复合材料的光催化效率。可以预见,凭借其在检测性能和成本上的优势,半导体-贵金属复合基底将成为SERS应用研究的重要方向。一是优化材料组成,提高杂化界面上电荷转移的效率,进一步提升SERS和光催化性能;二是发展可利用可见光进行催化降解的材料,便于在现场快检中应用;三是精准调控基底的微观结构和表面形貌,提高其LSPR特性和光吸收能力,获得最优的检测和降解性能。针对食品检测技术的研究,目前SERS仍存在缺乏相关标准、可检测对象较少、通量较低等突出问题,仍需要更多的探索和尝试。相信在食品安全、分析化学、纳米材料等领域研究人员的共同努力下,SERS技术必将在食品安全检测中发挥更重要的作用。