表面增強拉曼散射在外源性有害物質(zhì)檢測中應用研究進展

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(1.中國醫(yī)學科學院北京協(xié)和醫(yī)學院藥用植物研究所，中草藥物質(zhì)基礎與資源利用教育部重點實驗室,北京 100193;2.吉林農(nóng)業(yè)大學中藥材學院 吉林長春 130118;3.吉林農(nóng)業(yè)科技學院中藥學院,吉林吉林 132109)

1 前言

環(huán)境污染、食品及藥品安全歷來是人們關注的焦點。當今，三聚氰胺、孔雀石綠、農(nóng)獸藥殘留、冰毒等外源性有毒有害物質(zhì)已成為危害人類健康的重要安全風險因子。該類物質(zhì)往往具有隱蔽性強、污染性大、殘留量久、痕量、檢測難度大等特點[1]，其常用的檢測方法主要是氣相或氣/質(zhì)聯(lián)用、液相或液/質(zhì)聯(lián)用等儀器分析方法，但這些方法樣品制備繁瑣、檢測成本高。目前，表面增強拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering，SERS)已廣泛應用于微量，甚至痕量外源性有毒有害物質(zhì)的快速篩查，已成為化學和生物分子領域最敏銳和極具前景的光譜方法之一[2]。

本文系統(tǒng)綜述SERS研究進展，包括增強機理、常用及新型基底，同時針對其在外源性有害物質(zhì)檢測實例中探討了SERS的應用前景?；诖耍雇鸖ERS技術(shù)在外源性有害物質(zhì)篩檢中面臨的機遇和挑戰(zhàn)，旨在為實現(xiàn)該技術(shù)準確、靈敏、定量的快速檢測發(fā)展提供參考。

2 SERS增強機理及活性基底分類

大多數(shù)科學家認為，SERS強大光譜信號主要是由增強基底和待測物質(zhì)之間的相互作用引起，其機理包括電磁場增強(ElectromagneticEnhancement,EE)與化學增強(ChemicalEnhancement,CE)。電磁場增強主要源于吸附分子躍遷矩與入射光在基底表面產(chǎn)生表面等離子體耦合，具有方向性，但針對靶標是非選擇性的，其模型為解釋SERS效應提供了重大貢獻，但不足以說明完整的SERS現(xiàn)象。因此，有人提出化學增強模型，該模型增加了吸附在金屬表面上分析物的散射截面，通過吸附物和金屬間特定作用(電子耦合、電荷轉(zhuǎn)移等)，使分子產(chǎn)生新的振動激發(fā)態(tài)[3]。眾多研究表明，電磁場增強與化學增強共同影響SERS信號，只是貢獻有所差異，因此，找到兩者間增強效應最大化平衡點至關重要。

SERS檢測效果主要取決于活性基底，表面狀態(tài)、粗糙度一致的均勻性基底更易產(chǎn)生良好拉曼效應。目前已制備的基底主要分為剛性和柔性材料。剛性基底采用固體材料為載體，如金屬電極、石英片、InAs/GaAs、ZnO、TiO2和α-Fe2O3半導體等。為了克服剛性基底結(jié)構(gòu)單一、靈活性差、適用性窄等不足，研究者將納米粒子固定在柔性材質(zhì)上，不僅優(yōu)化了拉曼散射性能，同時使基底具有良好機械韌性、便于攜帶及運輸?shù)忍攸c。常用柔性基底主要是基于纖維紙、石墨烯、柔性聚合物、碳納米管(CNTs)等材質(zhì)制備而成。Zhang等[4]于濾紙上沉積銀納米顆粒(AgNPs)得到柔性試紙，不僅操作方便，且極大節(jié)約成本。Gottesman等[5]制備的試紙基底，具有一定的生物可降解性，避免污染。相比單一材料，復合基底的性能相對更穩(wěn)定、重復性和靈敏度更優(yōu)異。Qiu等[6]制備Ag納米棒(AgNFs)，同時使用石墨烯模板(PMMA)，制備成單層石墨烯基底(G/AgNFs/PMMA)，最小檢測濃度可低至1.0×10-14mol·L-1。Zhang等[7]將多層AgNPs引入聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯中得到復合物，增強因子高達1.29×107。目前復合活性基底主要由Au、Ag等貴金屬與柔性載體相結(jié)合，克服了貴金屬的生物毒性、固有形狀的局限性，同時保留了柔性特點，是當前研究最活躍的增強基底[8 - 18]。Xu等[19]在硅晶片表面形成以雙金屬(Au和Ag)納米棒為核心、以異丙基丙烯酰胺為殼，成功制備了復合微凝膠(Au@AgNR@PNIPAM)，其呈現(xiàn)出高穩(wěn)定性、較好柔性、透明性及生物兼容性特點。為改變Ag與碳納米管的界面性能，Sun等[20]將CNTs交叉堆疊制得多孔碳納米管薄膜，沉積AgNPs，并引入中間層SiO2獲得摻雜基底(Ag/SiO2/CNTs)，重復性好、增強因子高、價格低廉。SERS柔性基底不僅具有柔韌多變、靈敏穩(wěn)定等優(yōu)勢，同時保留著硬性基底固有的特性，在未來研發(fā)中更具應用價值。

3 SERS在外源性有害物質(zhì)檢測中應用研究

SERS可提供靶分子的特征指紋信息，針對待測物分子特性，優(yōu)選適宜基底，通過功能化修飾出高活性基底，極大拓展了SERS的應用領域[21 - 39]。

3.1 食品非法添加劑

利用SERS技術(shù)可快速、無損地從食品中鑒別出非法添加劑，如孔雀石綠魚、蘇丹紅鴨蛋、三聚氰胺奶(MEL)等。Li等[40]用聚乙烯吡咯烷酮改性AgNPs單層膜以增強其均勻性和化學穩(wěn)定性，用其為基底檢測牛奶中MEL，最小檢測濃度低至1.0mg·L-1。Hu等[41]以Fe3O4為核，SiO2為殼，與AgNPs制備成復合磁性銀納米微球基底，檢測MEL時最低檢測濃度可低至126ng·mL-1。吳棉棉等[42]用NaBH4還原AgNPs自組裝成SERS基底，實現(xiàn)了多類別的有害物質(zhì)的定性檢測。SERS技術(shù)雖在快速檢測食品添加劑中具有良好應用前景，但在此領域進行標準化檢測及商業(yè)推廣時，仍面臨諸多困難，如少量商業(yè)化SERS基底失效快、穩(wěn)定性差。

3.2 環(huán)境污染物

環(huán)境污染物如多環(huán)芳烴、農(nóng)藥等具有高積累、高致癌等特性，利用簡單、快捷的SERS技術(shù)檢測環(huán)境中此類痕量污染物具有重要意義。龍億濤等[43]基于SERS可實現(xiàn)芳香類有機污染物現(xiàn)場快速定性及半定量分析。Chi等[44]建立了一種以Ag/ITO為基底的SERS系統(tǒng)，能靈敏、快速測定未經(jīng)處理水樣中低濃度硝酸鹽/亞硝酸鹽(1.0和0.1μg·mL-1)。Liou等[45]用4-氨基苯硫酚(p-ATP)表征涂有AgNPs的纖維素納米纖維(CNF)作為SERS活性基底檢測蘋果中噻苯達唑(TBZ)殺蟲劑。楊良保團隊[46]制備了“海膽狀”基底檢測有機污染物，結(jié)果呈現(xiàn)高靈敏度和高重現(xiàn)性。除檢測液體基質(zhì)中的污染物殘留水平，SERS還可直接用于固體基質(zhì)中的殘留物測定，如Hong等[47]將AuNPs固定于超濾(UF)膜上，制備成重復性極好的等離子SERS基底，可檢測橙皮中低至0.125μg·g-1噻菌靈農(nóng)藥。

選材對基底響應增強的影響毋庸置疑，此外在現(xiàn)有材料上提高接觸面積也可實現(xiàn)信號增強，Tang等[48]使用ZnO納米棒陣列表面與尖端組裝AgNPs和銀納米球，制備成三維混合基底，大大增加了表面積，改善了信號增強效果。目前，雖然SERS應用較多，但由于實際環(huán)境存在的特殊性與復雜性限制了SERS的應用。因此，Yu等[49]用紙色譜分離與SERS相結(jié)合檢測羅丹明6G(Rh6G)，不僅簡便、快捷、靈敏度高，同時在復雜樣品基質(zhì)情況下也能夠識別Rh6G。故在環(huán)境污染檢測中將SERS與快速分離技術(shù)相結(jié)合，提高靈敏度同時還可增加選擇性，有助于推廣應用于環(huán)境領域。

3.3 獸藥添加

獸藥處方非法添加情況復雜，利用痕量、快速的SERS技術(shù)，從獸藥中篩檢出此類物質(zhì)越來越受到重視。Zhu等[50]用“競爭性”SERS基底，檢測牛尿液中鹽酸克侖特羅，通過基底上固定抗體與SERS探針上標記抗體競爭性結(jié)合目標物，最低檢測濃度可低至0.1pg·mL-1。徐寧寧等[51]制備的Au@PVP納米單層SERS基底，檢測羅非魚肉中孔雀石綠(MG)含量，最低檢測濃度可低至1.0×10-12mol·L-1。SERS用于獸藥，其拉曼信號易受熒光干擾，掩蓋待測物信號，因此，如何克服背景基質(zhì)干擾是目前解決其在獸藥檢測領域的關鍵突破口。

3.4 毒品

簡便、快速的SERS逐漸成為精準檢驗毒品的新技術(shù)。張建紅等[52]把SERS用于毒品海洛因的快速篩檢，并協(xié)助海關檢測20批毒品海洛因樣品，展現(xiàn)了SERS在海洛因篩檢中具有快捷、準確的優(yōu)勢。Yang等[53]建立了銀納米陣列基底檢測麻醉品氯胺酮方法，該方法可在3s內(nèi)完成檢測，是一種快速、非破壞性跟蹤檢測，可成為法醫(yī)實驗室的重要分析技術(shù)。Sgmller等[54]將SERS與高效液相色譜(HPLC)技術(shù)結(jié)合用于可卡因、海洛因等檢測，檢測限低至1mg·mL-1，相比常規(guī)光譜該方法對可卡因、海洛因等可進行獨特鑒定，可用于驗證其他識別技術(shù)。楊良保團隊[55-56]提倡動態(tài)SERS技術(shù)，實現(xiàn)了現(xiàn)場、痕量、原位非損傷檢測，同時也可現(xiàn)場篩檢吸毒人員尿液[57-58]。目前關于毒品的檢測報道相對較少，但SERS具有簡便、快速、痕量等特性，使其在該領域具有潛在的應用前景。

4 結(jié)論

由于集高靈敏度、高選擇性、高效于一體，以及痕量、單分子檢測等優(yōu)勢，SERS技術(shù)在外源性有害物質(zhì)污染篩檢中發(fā)展迅速。SERS已從簡單定性升級至準確定量水平，其配備的便攜式光譜系統(tǒng)為實現(xiàn)準確定量及快速篩檢提供了便利，此外單一SERS篩查逐漸轉(zhuǎn)化為與其他技術(shù)相結(jié)合，極大地提高SERS檢測效果，有助于實現(xiàn)復雜基質(zhì)中痕量物質(zhì)的篩查。然而，由于SERS檢測會受分析環(huán)境、對象等影響，因此商品化基底的研究還需不斷拓展思路，研發(fā)應用廣闊的復合柔性基底，優(yōu)化更適于多數(shù)基底的制備方法。建立適合當今市場需求的快速篩檢設備，確立可靠檢測標準，為實現(xiàn)現(xiàn)場大規(guī)模外源性有害物篩查奠定基礎。