表面增强拉曼光谱技术在食品安全检测领域中的应用

王留留 孙方涛

(1. 郑州市食品药品检验所,河南 郑州 450000;2. 郑州市质量技术监督检验测试中心,河南 郑州 450000)

近年来,随着大众食品安全意识的增强,对微量物质的快速检测手段提出了较高要求,如对果蔬残留物的快速现场分析,对农产品的新鲜度和成分的即时检测,对致病微生物及毒素的实时筛查等。传统的检测方法如色谱法[1]、质谱法[2]、酶联免疫吸附法[3]等具有检测精度高的优点,成为众多食品质量安全检验的国家标准方法。但是,这些方法大多属于破坏性检测方法,且样品预处理、制备和检测等操作复杂、耗时。此外,这些测量系统一般体积庞大、复杂,设备投资和维护成本高,且需要对操作人员进行专业培训。

拉曼散射现象是由印度物理学家Raman发现,根据被测物在振动频率和强度方面的特征,提供被测物的分子“指纹”光谱[4]。由于对样品处理要求高、被分析物的拉曼散射截面较小、原始拉曼信号强度低等,导致其在一段时间内未被推广和应用。直至20世纪70年代,表面增强拉曼光谱现象(SERS)被证实能够显著增强信号强度[5],这主要归因于SERS衬底对拉曼信号的增强作用。一般来讲,SERS的增强机制包括化学增强机制(CEM)和电磁增强机制(EM)[6]。CEM主要由3种机制引起:① 吸附物与底物之间的化学键引起非共振增强;② 吸附分子和表面吸附原子形成表面络合物而引起的共振增强;③ 激发光诱导分子金属系统的电荷转移导致的共振增强。EM是在入射光照射下,由纳米结构金属表面的电子振动产生的。

SERS作为一种新兴的超灵敏检测方法,具有操作简单、耗时短、灵敏度高等优点,在化学、食品和环境等[7]领域取得了显著成就。目前,SERS技术主要被用于检测农药残留[8]、双酚A[9]、食源性致病菌[10]和真菌毒素[11]等。研究拟对国内外近年来SERS的衬底开发及SERS技术在食品安全检测领域中的研究成果进行全面总结,并分析SERS技术应用所面临的挑战和未来发展趋势,以期为SERS技术在食品安全检测领域中全面、深入的研究提供依据。

1 SERS衬底

根据近年SERS技术在食品安全检测中的应用报道,鉴于SERS衬底在制备方式、功能特性和经济性的差异,将当前报道的衬底主要分为胶体纳米颗粒衬底、纳米结构模板衬底、柔性衬底和可重复使用衬底四类。

1.1 胶体纳米颗粒衬底

对于SERS检测,通常利用胶体贵金属纳米颗粒产生大量的“热点”,进而出现显著的SERS效应。此外,胶体贵金属纳米颗粒也可以分散并附着在玻璃(石英)或金属板上,形成由聚集纳米颗粒组成的薄膜。这也会促进金属纳米颗粒内部电子的振荡,形成表面等离子体,从而形成基于EM机制的热点。除了常见的银/金球形纳米粒子外,还合成了各种形状和尺寸的纳米颗粒基衬底,如纳米棒[12]、金银双面纳米粒子[13]、纳米星[14]等。纳米颗粒的形状影响其光学性质,特别是纳米颗粒的边缘和弯角可以起到显著的增强效果,从而提高其灵敏度。Lin等[15]制备了金纳米星衬底,实现了绿茶中百草枯的检测,检测限可达0.2 mg/kg。此外,核壳金属纳米颗粒也被广泛用于设计SERS标签,如Au@Ag NPs[16]和Au(core)@Au-Ag(shell)[17]。Chen等[18]合成了核壳型金/银纳米棒(Au@Ag NRs)作为双金属SERS活性衬底,并用于新鲜苹果汁和桃汁中的噻苯咪唑检测。胶体贵金属纳米颗衬底具有制备工艺简单、成本低、易于贮藏、增强能力强等优点。然而,由于纳米颗粒不可控地聚集,使得定量或可重复地测量变得困难。此外,目标分子对纳米颗粒的吸附能力也会影响SERS活性。

1.2 纳米结构模板衬底

SERS衬底也可以通过纳米结构模板制备。模板法的优点是可以通过模板形态的设计和调控来获得所需SERS衬底的尺寸和形态。此方法所制备的SERS衬底的边缘锐度、间隙大小、开口和壁厚等形态特征可调,从而使基底具有良好的均匀性。在纳米模板的基础上,可以将贵金属纳米颗粒物理或化学沉积在纳米模板上,从而实现大规模均匀的SERS衬底制备。常用的模板方法有阳极氧化铝模板、聚苯乙烯微球模板、多孔硅模板等模板。Muhammad等[19]采用阳极氧化铝模板辅助电化学沉积方法开发出了新型AgNP阵列透明SERS衬底,实现了牛奶中四环素和双氰胺的快速检测,检测的最低浓度分别可达1×10-9,1×10-7mol/L。Luo等[20]制备了连续层金芯—SERS标签—银壳—金壳(Au@label@Ag@Au NPs)组成的金纳米颗粒,通过适体被固定分散在平面硅基底上,获得了不对称Au纳米花SERS衬底;可用于由蓝藻菌产生的微囊藻毒素MC-LR和MC-RR的检测,与其他基于SERS的MC-LR检测方法相比,该方法显著降低了单独MC-LR检测和多重检测的检测限。然而,此类SERS衬底多存在柔性欠佳问题,限制了其应用范围。

1.3 柔性衬底

对于食品表面微量化学品的SERS检测,还可以采用纸张、胶带、高分子材料等柔性材料制作SERS基板,使其具有柔性、体积小、成本低、便于现场检测等特殊应用特点。柔性SERS衬底的应用可以通过直接用柔性衬底擦拭样品表面或将柔性SERS衬底粘贴在样品表面来实现。与传统方法相比,柔性衬底可以直接从表面收集目标分子。因此,由柔性基板制成的SERS传感器在农产品安全和质量控制方面具有巨大潜力。Gong等[21]将银纳米颗粒固定于胶带表面制备柔性衬底,用于农药检测。该方法对苹果皮中三唑磷的检出限为0.022 5 mg/kg(扣除不利条件计算所得),比国家规定的最大残留限量(MRL,0.2 mg/kg)低一个数量级。Wang等[22]使用壳聚糖海绵作为柔性材料,将其浸泡在银纳米颗粒悬浮液中,形成柔性SERS衬底对三唑磷的检测限低至10-4。虽然柔性SERS衬底传感器在应用中显示出巨大的潜力,但也存在许多挑战,例如荧光干扰和测量的可重复性低,这阻碍其向工业应用的转化。后续研究应以降低制备成本,优化制备方法,实现商业化为目标。

1.4 可重复使用衬底

SERS衬底是否可以重复使用对该技术的应用也非常重要。Zhang等[23]通过疏水改性制备了一种可重复使用的纸基SERS衬底用于检测牛奶中的三聚氰胺。疏水改性可以防止样品的水溶液渗入滤纸,可直接测量液态牛奶样品,无需等待样品干燥,提高了检测速度和效率。该方法对三聚氰胺的检测限低至10-6。磁性纳米颗粒(MNPs)具有易于制造、高表面积/体积等特性,在SERS传感器中备受关注。在磁辅助下可以方便地完成洗涤过程,无需繁琐重复的工作。此外,还可以利用MNPs富集复杂样品中的目标,进一步提高分析性能。Wang等[24]利用AgMNPs开发了磁性SERS衬底用于检测金黄色葡萄球菌。AgMNPs不仅具有磁响应性,还具有良好的SERS活性。此外,在一些感应传感器中,磁珠的表面被保护层所覆盖,可提高MNPs的稳定性和生物相容性。重复使用衬底的开发,可降低SERS检测技术的成本,但保证重复使用时检测的高效率性和稳定性还需深入研究。

2 SERS技术在食品安全检测领域的应用

2.1 致病性微生物检测

致病性微生物是危害食品安全的因素之一。目前,SERS已被广泛应用于致病微生物的检测中(表1)。通过胶体金或银纳米颗粒衬底,依据不同微生物的特征峰,结合多元统计分析,可以快速、准确地对致病微生物如大肠杆菌、粮食作物中的黑曲霉、酿酒酵母、镰刀菌和绿色木霉进行快速检测[25-26]。随着SERS衬底制备技术的不断发展,将贵金属纳米颗粒进行特定的功能化处理,结合统计分析算法可以实现对致病微生物的痕量检测。Li等[27]制备了链霉亲和素修饰的磁性纳米颗粒金@银—异硫氰酸荧光素抗体(AuMB@Ag-anti-FITC)信号探针,用于定量检测和分析食源性单核增生李斯特菌(L.monocytogenes)。在1.0 h内,干酪中L.monocytogenes在2.0×101～2.0×106CFU/mL范围内均可灵敏检测,检出限为7.8 CFU/mL。Dayalan等[28]以拉曼报告分子4-巯基苯甲酸为连接分子制备万古霉素功能化金纳米星(GNSs-4-MBA-van)传感器,用于食品致病菌的特异性和敏感性定量;其对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌的检出限分别为5.7,8.2 CFU/mL。Zhao等[29]将优化了的金纳米晶的Fe3O4@SiO2-Au与特定的适体进行功能化作为捕获探针,用拉曼报告分子和适体修饰的氧化石墨烯-Au纳米星(GO-AuNSs)作为SERS标记,建立了一种新型SERS三明治策略生物传感平台。在最佳条件下,SERS平台可同时检测大肠杆菌和金黄色葡萄球菌,检出限低至10 CFU/mL。该方法为同时检测多种病原体提供了一种高选择性、高灵敏度的新思路。基于SERS技术对单一致病微生物的痕量分析的研究较多,但单次同时实现多重致病微生物的定性定量检测还处于探索阶段,这也是使SERS检测技术大规模商业应用成为可能的要求。因此,单次同时实现多重致病微生物的定性定量检测将成为后续研究的热点。

表1 SERS技术在致病性微生物检测中的应用†

2.2 微生物毒素检测

真菌毒素作为天然污染物广泛存在于谷物、水果和蔬菜等食品中,尤其是在食品加工、贮藏和运输过程中,真菌毒素很容易在适宜的温度和湿度环境中产生。Chen等[30]采用Au@SiO2衬底结合标记物,建立了一种基于SERS的横向流动免疫分析法,可同时测定黄曲霉毒素B1(AFB1)和赭曲霉毒素A (OTA)。通过系统优化试验条件,该生物传感器具有较高的灵敏度和复用性,AFB1检测限为0.24 pg/mL,OTA检测限为0.37 pg/mL,远远低于欧盟委员会规定的检测限。Guo等[31]制备了以介孔二氧化硅表面负载金纳米复合材料的基底,并通过适体功能化获得SERS适体传感器(MSN-Rh6G-AuNPs@apt),实现了对玉米赤霉烯酮(ZEN)的定量、灵敏检测,检测限为0.006 4 ng/mL。

Juneja等[32]利用富含纳米银的硅藻土作为衬底检测海洋神经毒素软骨藻酸(DA),检测可在1 min内完成,检测限可达10-6,远低于海鲜的监管DA水平。并将该方法应用到蟹肉的DA检测中,提出了一种简单、灵敏、经济的现场评估海产品中的生物毒素检测方法。Xu等[33]通过调控pH,制备了金—银两面@金纳米颗粒(Au-Ag Janus@AuNPs)SERS活性衬底,该衬底具有可调的空心纳米结构,实现了对食品中的微量葡萄球菌肠毒素灵敏可靠的检测,检出限低至0.55 pg/mL。SERS技术在微生物毒素检测方面的研究报道相对较少,可能与目前食品贮藏和加工技术的不断完善使食品免受真菌等微生物污染有关。

2.3 农药和抗生素残留检测

覃重阳等[34]采用花状银SERS衬底对不同茶类中的敌百虫与百草枯进行了定性与定量检测,对绿茶、红茶、黑茶茶汤中百草枯的检出限为1.86×10-2mg/kg,对乌龙茶茶汤中百草枯的检出限为1.86×10-1mg/kg;在敌百虫的检测中,绿茶、红茶、乌龙茶茶汤中的检出限为2.57×10-2mg/kg,黑茶汤中的检出限为2.57×10-1mg/kg。Bai等[35]将银纳米颗粒(AgNP)装载于水性聚氨酯(WPU),制备了高黏性柔性WPU@AgNPs衬底胶带,用于检测梨、苹果和香蕉表面的噻苯咪唑残留,检出限分别为1.44,1.12,1.63 ng/cm2,可作为现场快速、超灵敏检测噻苯咪唑残留的常用方法。周玮等[36]以金纳米溶胶为增强衬底,样品经预处理后快速检测叶菜类蔬菜中噻虫嗪残留,检出限可达1 mg/kg,在噻虫嗪质量浓度为0.5～15.0 mg/kg时线性关系良好,回收率为90.7%～121.7%。此外,金/银纳米颗粒与乙酰胆碱酯酶[37]、细菌纳米纤维素[38]和聚二甲基硅氧烷[39]结合制备柔性衬底,实现了不规则水果表面的有机磷和有机硫农药残留的高灵敏度痕量检测,大大简化了前处理步骤,为农药残留检测提供了一种很有前景的思路。

抗生素被广泛应用于水产养殖、畜牧生产、家禽生产和农业等行业,以提高经济生产力。抗生素残留经常在多种食品中被检出,如肉、鱼、牛奶、鸡蛋和水果。这些残留物通过食物链在人体内积累,进而对人体器官造成损害,导致贫血和心血管疾病。Zhao等[40]构建了柔性均匀等离子体Au纳米锥@Ag纳米棒的全无机铯卤化铅(CsPbX3,X为Cl、Br、I)衬底(AuNBP@AgNR-CsPbX3),对食品基质中氯霉素、地西泮和孔雀石绿的定量、准确、多重检测具有良好的灵敏度和高重现性。Li等[41]在聚酯纤维膜(PFM)上组装三维ZnO@Ag纳米花制备SERS柔性衬底(ZnO@Ag NFs-PFM),用于鸡肉中抗生素氟苯尼考的检测,检出限低至2.23×10-10mol/L,回收率为97%～101%。班晶晶等[42]将SERS技术与二维相关光谱法结合用于检测鸡肉中恩诺沙星残留,相比于竞争性正自适应加权算法,该方法更能使复杂的拉曼光谱分析更加简单、可靠。徐婧等[43]采用磁性氧化石墨烯复合纳米材料(Fe3O4@SiO2-GO)为SERS衬底,成功实现了饮用水中1.0 ng/L恩诺沙星和5.0 ng/L环丙沙星的加标检出,回收率为77.5%～91.5%,满足当前饮用水水质检测的要求。SERS技术在农药残留和抗生素残留检测中取得了一定成效,柔性衬底展现出简单便捷的优异特性,但其成本和稳定性问题仍制约着其大规模的实际应用。重复使用以降低成本、提高检测的稳定性仍是亟待解决的问题。

2.4 非法添加物检测

在食品的生产、加工等过程中,有些商贩贪图利益,违反规定,将非法添加剂添加到食品中,严重危害了食品安全和人们的身体健康。因此,寻求快速、高通量的检测方法是急需解决的问题。Yang等[44]开发了羧基功能化的银纳米颗粒(AgNP-COF-COOH)材料作为SERS衬底,用于检测三聚氰胺掺假。该方法灵敏度高,可靠性好,检出限为0.68 μg/L。董祥辉等[45]采用胶体金纳米颗粒实现了猪肉中齐帕特罗(瘦肉精)残留的快速检测,对不同加标浓度的实际样品进行检测,平均回收率为90.39%～101.24%,RSD值为7.90%～8.94%。胡家勇等[46]制备胶体金SERS衬底用于保健酒中那非类药物的筛查,西地那非、他达那非、硫代西地那非和乙酰伐地那非的最低检出质量浓度分别为0.05,0.5,0.05,0.1 mg/L。该方法对模拟样品的定性检测结果与高效液相色谱—质谱法的一致。

2.5 其他方面的检测应用

由于可实现实时无损检测,且具有灵敏度和准确率高等优点,SERS技术被用于食品新鲜度[47]及其他影响食品安全物质的检测中,如增塑剂[48]、抗氧化剂[49]、丙烯酰胺[50]、过敏原[51]等(表2)。在贵金属纳米颗粒基础上,对SERS进行功能化的改性,可实现有害物质高灵敏度的痕量检测,进一步保障食品安全。

表2 SERS技术在食品安全检测领域其他方面的应用

3 结论与展望

表面增强拉曼光谱技术作为一种新兴的超灵敏检测方法,具有操作简单、耗时短、灵敏度高,可实现现场实时无损检测等优点,在食品安全检测领域具有可观的应用潜力。表面增强拉曼光谱衬底对增强被测物质分子的指纹信号,提高检测分析的灵敏度、准确性和可重复性起着至关重要的作用。不同类型的表面增强拉曼光谱衬底呈现不同的特性,在应用中也具有一定的局限性。近年来,表面增强拉曼光谱技术在食品中的致病性微生物、农药和抗生素残留、毒素、非法添加物等检测方面开展了广泛研究,并取得了一定成效。

然而,表面增强拉曼光谱技术在食品安全检测领域实现从实验室研究到大规模商业应用还面临诸多挑战:① 对残留物痕量分析中易受背景噪声的干扰,难以保证检测结果的稳定性和重复性;② 未能实现同时对多种有害物质的精准、可靠检测;③ 高成本限制了其广泛应用。因此,开发重复性好、稳定性强、均匀性高的衬底,同时,引入化学计量学去除干扰,以保证表面增强拉曼光谱信号的灵敏度和再现性是未来研究的一个重点。此外,加强对多种有害物质同时检测方法的研究和开发,探索构建基于表面增强拉曼光谱技术的小型、低成本、操作简单的智能分析平台,如微流控芯片等,也将是未来研究的趋势。