表面增強拉曼光譜技術(shù)在食品安全檢測中的應(yīng)用

◎ 章 潔，吳 鑫，占忠旭，袁美芳，朱應(yīng)飛

（江西省食品檢驗檢測研究院，江西 南昌 330001）

食品安全是重大的民生問題，關(guān)系人們的身體健康和生命安全。對于食品中的食源性致病菌、真菌毒素、藥物殘留、食品添加劑及非法化學(xué)添加物、重金屬等問題，常用的檢測方法有微生物培養(yǎng)法、分子生物學(xué)技術(shù)、毛細(xì)管電泳技術(shù)、高效液相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法、薄層色譜法以及酶聯(lián)免疫吸附等[1-6]。這些方法檢測過程煩瑣、耗時，所需儀器設(shè)備復(fù)雜，并且對檢驗人員有一定的要求，難以滿足現(xiàn)場快速檢測和大規(guī)模樣品篩選?；诖耍_發(fā)靈敏、高通量且快速無損的食品檢測技術(shù)迫在眉睫。

表面增強拉曼光譜（Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS）是指將待測分子吸附在粗糙的納米金屬材料表面，從而使待測物拉曼信號增強的光譜現(xiàn)象，該技術(shù)靈敏度比普通拉曼光譜技術(shù)高，可實現(xiàn)對痕量物的超靈敏檢測，且該技術(shù)不受被測樣品形態(tài)影響，操作簡便、快速無損、便于攜帶，被認(rèn)為是最有前景的食品安全分析技術(shù)[7]。近年來，隨著納米技術(shù)的發(fā)展，研究者們基于SERS技術(shù)，在常見食品污染物中（食源性致病菌、真菌毒素、藥物殘留、食品添加劑及非法化學(xué)添加物等）建立了一系列快速靈敏的檢測方法[8-10]，并取得了較好的應(yīng)用。本文對SERS的基本原理、基底類型進行了系統(tǒng)論述，同時綜述了SERS技術(shù)在食品安全檢測中的最新應(yīng)用，并對目前SERS技術(shù)存在的問題和今后的研究趨勢進行了總結(jié)和展望，為SERS技術(shù)在食品安全快速檢測領(lǐng)域的應(yīng)用提供借鑒和參考。

1 SERS基本原理

1974年，F(xiàn)LEISCHMAN等[11]對粗糙化銀電極表面的吡啶進行研究時，首次發(fā)現(xiàn)了表面增強拉曼散射現(xiàn)象，后來Van Duyne和Creighion領(lǐng)導(dǎo)的兩個研究小組分別重復(fù)這個實驗并證實了這一現(xiàn)象。通過計算，銀電極表面吡啶分子的拉曼信號是其水溶液的106倍，這一嶄新的現(xiàn)象被稱之為表面增強拉曼散射[12]。

SERS增強機制主要有物理增強和化學(xué)增強，物理增強是電磁場增強，主要是由吸附在金屬納米粒子表面的等離子體發(fā)生共振所產(chǎn)生的[13]。物理增強不需要金屬底物和分析物分子的接觸，但需要分析物分子足夠接近底物，基于此特性，SERS可用于分析物和金屬基質(zhì)距離較短時使用[7]。化學(xué)增強主要受化學(xué)物質(zhì)變化的影響，通過金屬基質(zhì)和分析物之間的電荷轉(zhuǎn)移引起的極化率起作用[14]。物理增強和化學(xué)增強這兩種機制同時作用，可以極大增強SERS信號[15]。

2 基底材料類型

SERS活性基底的制備是獲得較高拉曼信號的前提，而SERS活性基底的材料、納米顆粒的形狀及尺寸、探測物在活性基底上的吸附量和距離等因素都會影響SERS的增強效果[16]。隨著納米技術(shù)的發(fā)展，SERS基底的制備方法取得了巨大的進展。

2.1 金屬納米材料基底

最初，SERS效應(yīng)是通過粗糙的電極表面觀察到的。隨著對SERS研究的深入，金屬金、銀和銅被發(fā)現(xiàn)可以產(chǎn)生強烈的SERS效應(yīng)。在可見光和近紅外光的激發(fā)下，貴金屬金或銀納米結(jié)構(gòu)具有較強的表面等離子體共振效應(yīng)，可以產(chǎn)生較強的電磁場。因此，金、銀納米顆粒及其制備的納米結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于SERS檢測[17-18]。過渡金屬材料如鉑（Pt）、釕（Ru）、銠（Rh）、鈀（Pd）、Fe、鈷（Co）和鎳（Ni）也被證明具備高質(zhì)量的SERS增強現(xiàn)象[19]。

2.2 非金屬納米材料基底

與傳統(tǒng)的金屬SERS納米材料不同，非金屬納米材料如半導(dǎo)體[20]、石墨烯量子點[21]以及光子晶體光纖[22]等已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)和制備，它們表現(xiàn)出獨特的性能。例如，較高的化學(xué)穩(wěn)定性、良好的生物相容性、較高的載流子遷移率、良好的可控性以及可回收能力等，使其成為SERS基底材料中的新星[21]。

2.3 復(fù)合材料基底

與單種納米材料相比，由兩種或兩種以上材料組成的復(fù)合材料SERS活性性能顯著提高，具有較大的應(yīng)用價值，應(yīng)用領(lǐng)域也更廣闊。金、銀納米對比，納米銀具有更強的表面等離子體共振，但由于納米銀的化學(xué)穩(wěn)定性較弱，在一些領(lǐng)域其應(yīng)用受到限制。若將其設(shè)計成核殼結(jié)構(gòu)，不但穩(wěn)定性問題能夠解決，而且內(nèi)核和外殼均可被人為設(shè)計和可控制備，這種復(fù)合型納米材料能夠很好地體現(xiàn)多功能特性。此外，核殼式結(jié)構(gòu)的納米顆粒被負(fù)載到半導(dǎo)體、石墨烯或其他三維結(jié)構(gòu)物質(zhì)上組成新型SERS活性復(fù)合基底，能夠克服單獨非金屬納米材料增強效應(yīng)弱的缺點，且良好的回收率和優(yōu)異的性能也使其成為SERS研究的熱點[23-25]。總之，SERS復(fù)合基底的發(fā)展大大擴展了SERS基底材料的適用范圍，復(fù)合基底的設(shè)計和開發(fā)也對SERS的理論和應(yīng)用研究作出了重要貢獻。

3 SERS在食品檢測中的應(yīng)用

SERS具有操作簡便、靈敏、快速無損及能夠?qū)崿F(xiàn)單分子“指紋”光譜信息識別的特點，在食源性致病菌、真菌毒素、藥物殘留、食品添加劑及非法化學(xué)添加物等檢測方面具有較好的應(yīng)用前景，研究者們基于此建立了一系列檢測方法。

3.1 食源性致病菌

食源性致病菌可通過污染水或食物進入人體，從而導(dǎo)致人類疾病。目前，食源性疾病在全球各個國家被認(rèn)為是最重要的公共衛(wèi)生問題[7]。

WANG等[26]基于M13噬菌體構(gòu)建了特異性SERS納米探針用于檢測水性介質(zhì)中的金黃色葡萄球菌，該方法對金黃色葡萄球菌檢測范圍為101～106CFU·mL-1。此外，該SERS探針對金黃色葡萄球菌還具有滅活能力，可同時選擇性檢測和滅活金黃色葡萄球菌。YANG等[27]開發(fā)了一種基于三維DNA Walker的新型SERS技術(shù)，用于鼠傷寒沙門氏菌的定量分析。當(dāng)加入鼠傷寒沙門氏菌時，適配體與菌結(jié)合，并釋放出與其互補的DNA，進而引發(fā)金納米粒子（AuMNPs）表面的“DNA Walker”，產(chǎn)生單鏈DNA用于搭載大量的SERS探針，最后通過磁分離去除體系中游離的SERS探針，并對SERS信號進行分析。在最優(yōu)的條件下，該方法對鼠傷寒沙門氏菌檢測限為4 CFU·mL-1。DUAN等[28]結(jié)合兩條適配體，開發(fā)出一種高度選擇性和敏感性的SERS傳感器用于副溶血性弧菌的檢測。以合成的SiO2@Au核殼狀納米顆粒為基底，并在AU-S鍵的作用下將適配體1固定在Au殼表面，并將氰基染料3（Cy3）修飾在另一條適配體2上。當(dāng)體系中加入副溶血性弧菌，適配體與菌結(jié)合，從而形成SiO2@Au-Apt1-副溶血性弧菌-Apt2-Cy3復(fù)合物，進而拉近Cy3和Au的距離，從而SERS強度發(fā)生變化。最優(yōu)條件下，副溶血性弧菌在101～106CFU·mL-1呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系，檢測限為10 CFU·mL-1。

3.2 真菌毒素

霉菌毒素是真菌產(chǎn)生的次生代謝產(chǎn)物，有較強的毒性[29]。據(jù)報道[30]，全球平均25%的糧食受到真菌毒素的污染，發(fā)展高通量、高靈敏和快速無損檢測技術(shù)成為食品和農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)安全檢測領(lǐng)域的研究熱點。

LI等[29]受花椰菜啟發(fā)制備了一種3D-納米SERS底物，通過在聚二甲基硅氧烷包陽極氧化鋁（PDMS@AAO）復(fù)合襯底的表面上濺射金納米顆粒，達到較高的SERS活性。在最佳條件下，該SERS底物對4-巰基苯甲酸（4-MBA）的檢測限為10-12mol·L-1。此外，該3D納米SERS底物還可實現(xiàn)無標(biāo)記同步檢測3種霉菌毒素（黃曲霉毒素B1、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇和玉米赤霉烯酮），檢測限分別為1.8 ng·mL-1、47.7 ng·mL-1和24.8 ng·mL-1（S/N=3）。DING等[31]報道了一種基于SERS技術(shù)的競爭性免疫分析技術(shù)用于赭曲霉毒素A（Ochratoxin A，OTA）的檢測，使用赭曲霉毒素A-牛血清白蛋白共軛SERS納米標(biāo)記和抗OTA功能化的磁珠進行高靈敏和特異性檢測OTA，當(dāng)OTA存在時，OTA和SERS納米標(biāo)記對磁珠進行競爭性反應(yīng)，利用吸附在磁珠上的SERS納米標(biāo)記的特征峰對OTA進行定量分析，在1～1 000 pg·mL-1范圍內(nèi)有良好的線性關(guān)系，檢測限為0.61 pg·mL-1。ZHANG等[32]研發(fā)了基于多重SERS的傳感器用于同時檢測玉米中的6種真菌毒素，該傳感器檢測限遠低歐盟、美國和中國對于真菌檢測標(biāo)準(zhǔn)所設(shè)定的霉菌毒素限量，且檢測時間少于20 min。最優(yōu)條件下，該方法對黃曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮、伏馬菌素B1，脫氧雪腐鐮刀菌烯醇、赭曲霉毒素A和T-2毒素檢測限分別為0.96 pg·mL-1、6.2 pg·mL-1、0.26 ng·mL-1、0.11 ng·mL-1、15.7 pg·mL-1和8.6 pg·mL-1，檢測結(jié)果與液相色譜-質(zhì)譜法一致。

3.3 藥物殘留

為確保水果、蔬菜等農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量和大量供應(yīng)，殺蟲劑等藥物在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)和貯存中被廣泛使用，因此導(dǎo)致果蔬中的殺蟲劑等藥物殘留問題日趨增多，為保障國民飲食安全，對果蔬等農(nóng)產(chǎn)品中有害殘留物進行檢測至關(guān)重要[33]。

HASSAN等[34]提出了基于銀納米顆粒結(jié)合固相萃取的SERS傳感器，用于快速定量檢測綠茶中滅多威、啶蟲脒和2,4-D殘留量。該SERS傳感器信號強度與滅多威、啶蟲脒和2,4-D濃度之間存在良好的線性關(guān)系，相關(guān)回歸系數(shù)分別為0.997 4、0.995 6和0.998 2，檢 測 限 分 別 為5.58×10-4μg·mL-1、1.88×10-4μg·mL-1和4.72×10-3μg·mL-1，相 對 標(biāo) 準(zhǔn) 偏 差 值 小 于5%。ZHAO等[35]開發(fā)了3D銀枝晶（SD）/電聚合分子標(biāo)識符構(gòu)建（EMI）/銀納米顆粒構(gòu)建的多層紙質(zhì)SERS傳感器，用于檢測食品和農(nóng)產(chǎn)品中吡蟲啉的殘留，其檢測限低至0.028 11 ng·mL-1。LEE等[36]采用非熱自旋涂層溶膠-凝膠法制備化學(xué)穩(wěn)定的二氧化鋯納米顆粒（ZrO2NFs），然后沉積金納米顆粒，形成整體金納米顆粒/二氧化鋯納米顆粒（Au NPs/ZrO2NFs）基底。優(yōu)化后的Au NPs/ZrO2NFs（0.3 mol·L-1二氧化鋯濃度）具有很高的SERS活性，可以區(qū)分亞胺硫磷、甲萘威、氯菊酯和氯氰菊酯4種農(nóng)藥殘留的特征拉曼峰，檢測限分別為10-8mol·L-1、10-7mol·L-1、10-7mol·L-1和10-6mol·L-1。

3.4 食品添加劑及非法化學(xué)添加物

隨著世界人口的增加和食品工業(yè)的發(fā)展，食品消費正在迅速增長，與此同時，食品生產(chǎn)過程中濫用或過量使用添加劑、頻繁加入非法化學(xué)添加物，已成為主要的食品質(zhì)量安全問題之一。非法食品添加物是指危害性未知或者因毒性較大而被禁止的化學(xué)合成物[37]，如三聚氰胺、孔雀石綠、蘇丹化合物和吊白塊等。在食品中使用非法添加劑將損害人類健康，影響社會穩(wěn)定。因此，建立一種快速靈敏的先進檢測技術(shù)對于食品工業(yè)健康發(fā)展十分重要。

WU[38]等合成了八面體晶體結(jié)構(gòu)的金屬有機骨架（MOF，UiO-66(NH2)），通過在MOF表面種植金納米顆粒，制造UiO-66(NH2)通用SERS傳感器，可快速靈敏地測定食品中的胭脂紅和橙黃II。與金納米顆粒相比，UiO-66(NH2)@Au具有更好的SERS性能，胭脂紅和橙黃II的檢測限低至0.401 5 mg·L-1和0.054 6 mg·L-1，相 關(guān) 回 歸 系 數(shù)R2分 別 為0.968 4和0.991 2。AI等[39]在聚乙烯吡咯烷酮表面活性劑下，采用抗壞血酸的硝酸銀水相還原法，成功地合成了花形銀納米顆粒。該花狀銀納米結(jié)構(gòu)的SERS底物活性高且穩(wěn)定性強，用于檢測濃度僅為10-9mol·L-1的羅丹明6G（R6G），其SERS信號仍然清晰。對4種不同食用色素（亮藍、檸檬黃、日落黃和胭脂紅）進行SERS分析，并確定了特征譜帶，使用主成分分析法，在約10-8mol·L-1的濃度下對食品著色劑的含量進行了定量分析，亮藍、檸檬黃、日落黃和胭脂 紅 的 檢 測 限 分 別 為79.285 μg·L-1、5.3436 μg·L-1、45.238 μg·L-1和50.244 μg·L-1。ZHAO等[40]合 成 了 銀納米顆粒作為SERS基底，將樣品與銀膠體基底混合后加入鹽酸，可以實現(xiàn)痕量蘇丹黑B的快速定量檢測，檢測濃度低至0.05 mg·L-1。ZHANG等[41]通過基于衍生反應(yīng)的SERS技術(shù)與自制便攜式吹掃采樣裝置相結(jié)合，開發(fā)了一種簡單的現(xiàn)場快速定量測定水產(chǎn)品中痕量甲醛的方法。通過吹掃采樣程序從復(fù)雜的水基質(zhì)中分離出痕量甲醛與衍生試劑反應(yīng)生成拉曼活性分析物，用于后續(xù)的SERS分析，Au/SiO2納米顆粒被用作增強基質(zhì)，以實現(xiàn)拉曼信號強度的顯著增強。在最佳條件下，該方法可實現(xiàn)0.17 μg·L-1的極低檢測限。在新鮮的魷魚和蝦樣品中可以發(fā)現(xiàn)痕量揮發(fā)性甲醛，而沒有明顯的基質(zhì)干擾，上述方法的定量檢測范圍為0.13～0.21 mg·kg-1，加標(biāo)水產(chǎn)品樣品的回收率為70.0%～89.1%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為2.3%～7.2%（n=3）。

4 結(jié)語

SERS因其操作簡便、靈敏、快速無損且能夠提供單分子“指紋”光譜信息的優(yōu)勢，在檢測食品成分、食源性致病菌、真菌毒素、藥物殘留、食品添加劑及非法化學(xué)添加物等方面具有良好的應(yīng)用前景。然而，在食品安全檢測的實際應(yīng)用中，現(xiàn)階段SERS技術(shù)還處于試驗探索階段，雖然SERS基底的制備方法和材料種類繁多，但仍然存在著穩(wěn)定性、重現(xiàn)性差等問題，因此SERS技術(shù)應(yīng)用于食品安全檢測中的定量分析仍然是一個挑戰(zhàn)。隨著SERS技術(shù)的發(fā)展，SERS的未來可能會著重于開發(fā)各種靈敏度高、穩(wěn)定性好和重現(xiàn)性優(yōu)異的活性基底，同時，操作簡便、快速靈敏、模型穩(wěn)定、抗干擾、低成本的小型便攜式拉曼光譜分析儀也將是儀器研發(fā)的重點。SERS技術(shù)作為一種新興的檢測技術(shù)和分析手段，未來在人類健康、食品安全和社會經(jīng)濟等方面將發(fā)揮重要作用和貢獻。