表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

梁營(yíng)芳,周化嵐,王 燕,王 鋒

(上海理工大學(xué) 醫(yī)療器械與食品學(xué)院,上海200093)

隨著商品產(chǎn)業(yè)化的快速發(fā)展,大規(guī)模的食品生產(chǎn)可以在短時(shí)間內(nèi)迅速完成。然而在追求高效率的過程中,發(fā)生了許多食品安全事故,例如食品中含有來自非法成分的有害物質(zhì)、農(nóng)藥獸藥殘留、來自機(jī)械或生物濃縮的重金屬污染以及長(zhǎng)期儲(chǔ)存產(chǎn)生的毒素。在這種情況下,開發(fā)快速、可靠的檢測(cè)食品安全與質(zhì)量問題的方法和技術(shù)迫在眉睫。常用的測(cè)定方法主要有高效液相色譜法(HPLC)、氣相色譜法(GC)、薄層色譜法(TLC)、質(zhì)譜法、酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)等[1-3]。然而,上述測(cè)定方法均需要昂貴的儀器、訓(xùn)練有素的操作人員,一般在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行,但操作較為耗時(shí),使這些方法對(duì)樣品的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)存在巨大障礙。

表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)是一種與納米尺度效應(yīng)相關(guān)的拉曼散射現(xiàn)象。一般情況下,樣品的拉曼信號(hào)非常微弱。但當(dāng)待測(cè)樣品吸附于具有納米量級(jí)粗糙度的金屬(常用金或銀)結(jié)構(gòu)表面時(shí),樣品分子的拉曼信號(hào)將得到極大的增強(qiáng),這就是所謂的表面增強(qiáng)拉曼散射現(xiàn)象[4]。SERS因具有靈敏度高、響應(yīng)迅速以及“指紋”識(shí)別等特點(diǎn),在快速檢測(cè)食品污染物等方面具有巨大的應(yīng)用前景[5]。本文介紹了SERS的增強(qiáng)機(jī)理、基底種類與聯(lián)用方法以及其檢測(cè)技術(shù)在重金屬離子、農(nóng)獸藥殘留、食品添加劑、非法添加物、食源性致病微生物等方面的應(yīng)用。

1 SERS增強(qiáng)機(jī)理

目前,人們對(duì)于SERS的增強(qiáng)機(jī)理還沒有特別清晰的認(rèn)識(shí),這主要是因?yàn)榫哂蠸ERS效應(yīng)的體系非常復(fù)雜,體系表面形貌和表面電子結(jié)構(gòu)、光和粗糙表面的相互作用、光和分子的相互作用、分子在表面的取向、成鍵作用以及分子和表面的周邊環(huán)境、入射光的強(qiáng)度、頻率、偏振度和偏振方向等因素對(duì)SERS譜圖的影響均比較復(fù)雜[6]。研究表明SERS增強(qiáng)機(jī)理主要有兩種:電磁場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理(EM)和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理(CM)。電磁場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理是由吸附在粗糙金屬表面的等離子體共振引起的,可使散射強(qiáng)度倍增至1014[7]。但是,電磁場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理的推導(dǎo)中未考慮分子的特性,因此電磁場(chǎng)增強(qiáng)對(duì)所有分子的拉曼散射的放大應(yīng)當(dāng)是相同的。然而,大量研究表明待測(cè)樣品的SERS光譜上特征峰的相對(duì)強(qiáng)度與其常規(guī)拉曼光譜差別很大[4]。而化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理與電磁增強(qiáng)機(jī)理不同,它是由金屬納米表面與待測(cè)分子之間的電荷轉(zhuǎn)移引起的,其增強(qiáng)的量級(jí)一般為10～1 000。這兩種機(jī)制同時(shí)作用,可以增加SERS的增強(qiáng)因子。

2 SERS基底

SERS檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展主要是由于越來越多基于納米結(jié)構(gòu)的SERS基底的出現(xiàn)。目前,制備SERS活性基底的材料有金屬納米材料(貴金屬和過渡金屬)和非金屬納米材料(半導(dǎo)體、石墨烯和量子點(diǎn)等)[8],而且隨著納米技術(shù)的進(jìn)步,具有不同尺寸、形狀和組成的基底被廣泛應(yīng)用于食品分析。SERS的增強(qiáng)不僅與活性納米結(jié)構(gòu)有關(guān),還與目標(biāo)分析物和底物之間的相互作用以及基片的功能化有關(guān)[9]。研究表明SERS基底可分為膠體基底和固體表面基底。膠體基底是獲得SERS信號(hào)最直接的方法,但在溶液體系中,很難控制其組裝和定位。相反,固體表面基片可以很好地控制熱點(diǎn)的形成和分析物的位置,從而表現(xiàn)出更好的增強(qiáng)性和重現(xiàn)性[10]。食品是一個(gè)復(fù)雜多組分的體系,根據(jù)不同樣品的性質(zhì)選擇合適的基底對(duì)于SERS檢測(cè)來說是十分必要的。

2.1 膠體基底

金、銀膠體是最常用的SERS基底,其顆粒直徑為10～200 nm。這些金屬納米粒子制備簡(jiǎn)單、材料便宜、穩(wěn)定性好,同時(shí)其SERS性能優(yōu)良。金納米溶膠的制備通常采用FRENS等[11]的方法,使用檸檬酸鈉還原氯金酸來制備金納米顆粒。其中,金納米顆粒的粒徑大小可通過檸檬酸鈉的添加量來調(diào)節(jié);銀納米溶膠則通常采用LEE等[12]的方法來制備,煮沸條件下向硝酸銀溶液中加入檸檬酸鈉,劇烈攪拌1 h便能得到。

由于納米顆粒的尺寸和形狀可以影響其等離子體共振吸收特性,因此合成合適的納米粒子對(duì)于其SERS性能的優(yōu)化具有重要意義。金屬納米粒子可分為兩類:一類具有光滑的表面形貌,包括納米棒、納米線[13]等,另一類包括納米星[14]、納米薄片[15],具有鋒利的邊緣,比表面光滑的納米粒子具有更大的電場(chǎng)。HUY等[16]通過銀納米粒子SERS檢測(cè)三聚氰胺,結(jié)果證實(shí)SERS增強(qiáng)效應(yīng)因子取決于銀顆粒的結(jié)構(gòu)形式,在幾種不同類型的銀納米結(jié)構(gòu)中,樹莓狀的銀納米粒子表現(xiàn)出最強(qiáng)的信號(hào)。但是,由于金、銀納米粒子在環(huán)境中不穩(wěn)定,特別是銀納米粒子,為了克服這些缺點(diǎn),研究人員通過不同材料制備了不同結(jié)構(gòu)的SERS基底。2010年LI等[17]研發(fā)了殼隔離納米粒子增強(qiáng)拉曼光譜,在金納米顆粒外面包裹一層二氧化硅或三氧化二鋁,超薄涂層防止納米粒子團(tuán)聚,將其與被探測(cè)材料直接接觸分離,使納米粒子符合不同的基片輪廓;SIVASHANMUGAN等[18]采用了聚焦離子束和納米壓痕的方法制備了金/銀/金納米棒和金納米刻度陣列,研究發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的該納米陣列有較強(qiáng)的SERS效應(yīng),增強(qiáng)因子為2.15×108;YASEEN等[19]通過銀包金SERS檢測(cè)方法檢測(cè)樣品中的農(nóng)藥殘留,Au＠Ag納米顆粒中金核尺寸為26 nm,銀殼層厚度為6 nm,表現(xiàn)出明顯的拉曼增強(qiáng),特別是Au＠Ag納米顆粒與靶分子相連,引起了納米顆粒聚集產(chǎn)生熱點(diǎn)。研究結(jié)果表明,采用該方法可以準(zhǔn)確識(shí)別農(nóng)藥(噻氯啉、丙硫磷和惡唑)的特征波數(shù)。

另一方面,由于金屬納米顆粒表面的靜電排斥作用能使膠體穩(wěn)定下來,液體食品樣品的電荷很大程度上會(huì)影響目標(biāo)物與納米離子之間的吸附,食品樣品容易影響金屬膠體的pH[5]。因此,需要提高膠體底物的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性。

2.2 固體表面基底

在實(shí)際應(yīng)用中需要儲(chǔ)存穩(wěn)定性和重現(xiàn)性均較強(qiáng),便于攜帶且不易受外界環(huán)境影響的SERS基底。為克服這些問題,將納米顆粒組裝在固體襯底上制備固體SERS基底,以提高基底的穩(wěn)定性和便攜性[4]。不同材料與結(jié)構(gòu)的基底表現(xiàn)出不同的特性,NGUYEN等[20]制備了3種新型基片來檢測(cè)農(nóng)藥:石墨烯-金膜-金納米棒(G-Au-Au NR)基片、金膜-金納米棒(Au-Au NR)和與金納米棒耦合的石墨烯(GAu NR),結(jié)果表明G-Au-Au NR底物能在百萬分之一的水平上檢測(cè)3種農(nóng)藥,檢出限分別在5,5,9 mg·L－1左右,這表明金納米棒和石墨烯結(jié)合制備的基板在SERS檢測(cè)中具有巨大的潛力。石墨烯由于其優(yōu)異的光學(xué)和電子特性被廣泛應(yīng)用于SERS領(lǐng)域。KANG等[21]綜述了石墨烯相關(guān)的襯底,包括石墨烯增強(qiáng)拉曼散射(GERS)和石墨烯介導(dǎo)的拉曼散射(G-SERS)。

納米點(diǎn)陣列是典型的零維(0D)納米結(jié)構(gòu),金屬納米點(diǎn)的尺寸與金屬材料的厚層是增強(qiáng)SERS的關(guān)鍵[10]。相比0D納米結(jié)構(gòu),一維結(jié)構(gòu)如單金屬、雙金屬納米棒陣列具有更強(qiáng)的SERS活性。常智義等[22]通過靜電紡絲工藝,將修飾了β-環(huán)糊精的Au NPs聚合液制備成靜電紡絲薄膜,并以此金納米陣列薄膜作為SERS基底,以羅丹明6G作為探針分子,獲得了優(yōu)異的SERS效果,增強(qiáng)因子約為105,檢測(cè)限達(dá)到10－6級(jí)以下,且基底材料的重復(fù)性較為優(yōu)越。在研發(fā)二維結(jié)構(gòu)的過程中,LEE等[23]通過對(duì)納米材料的表面化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行調(diào)控,制備出了3種不同排列模式的正八面體二維陣列作為SERS基底,近年來,復(fù)雜的三維納米結(jié)構(gòu)得到了很大的關(guān)注,其在三維空間能提供高密度的“熱點(diǎn)”,ZHANG等[24]在3D Ni泡沫基板上形成氧化石墨烯(GO)納米結(jié)構(gòu)和GO＠MoS2/Au NPs納米結(jié)構(gòu),用于SERS檢測(cè)。更小更密集的Au NPs“熱點(diǎn)”被旋轉(zhuǎn)地涂覆在諸如GO＠MoS2/Au NPs納米結(jié)構(gòu)的網(wǎng)格上,以形成Au NPs/GO＠MoS2/Au NPs SERS基質(zhì)。GO納米網(wǎng)格的分支被用作均勻的納米間隙,形成密度較高的“熱點(diǎn)”并吸收分子,從而產(chǎn)生高電磁(通過FDTD模擬證實(shí))和信號(hào)增強(qiáng)。王盼[25]研創(chuàng)了一種穩(wěn)定性強(qiáng)的3D仿壁虎腳的納米“觸角”SERS新基底(G-SERS),并將其應(yīng)用于果蔬表皮農(nóng)藥殘留的快速、高效采集和非標(biāo)記、無損檢測(cè)。

此外,開發(fā)具有柔性、黏著的SERS基底也是一個(gè)熱門的研究方向,柔性基材如棉花、膠帶、紙張等能應(yīng)用于不規(guī)則食品表面,為SERS檢測(cè)提供了方便。CHEN等[26]用膠體金納米粒子(Au NPs)對(duì)工業(yè)膠帶進(jìn)行表面修飾,制備出一種具有SERS活性和“黏性”的新型基材。通過簡(jiǎn)單可行的“糊狀剝離法”直接提取果蔬中的農(nóng)藥殘留,驗(yàn)證了SERS膠帶的實(shí)用性。

相較于傳統(tǒng)的固體表面基底,SERS芯片具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì),為SERS檢測(cè)方法的重復(fù)性和可靠性提供了一個(gè)高效平臺(tái)。TANG等[27]研發(fā)了磁性可移動(dòng)拉曼增強(qiáng)檢測(cè)芯片,在環(huán)境污染物的檢測(cè)中,具有磁性的可移動(dòng)等離子體超晶格陣列可以快速分離,利用這一技術(shù),成功制備了一種磁性可移動(dòng)的SERS芯片,并實(shí)現(xiàn)了孔雀石綠、福美雙、敵草快、多環(huán)芳烴等農(nóng)藥和環(huán)境污染物分子的高靈敏度檢測(cè)[28]。雖然固體表面基片的制備相對(duì)困難,但其不存在聚集問題,因此固體表面基片具有較好的穩(wěn)定性、重現(xiàn)性和靈敏性[10]。

3 SERS與其他方法聯(lián)用

SERS具有快速、無損、痕量等特點(diǎn),是一種具有廣泛應(yīng)用前景的檢測(cè)技術(shù)。但是在實(shí)際檢測(cè)中,由于食品的組成比較復(fù)雜,待測(cè)樣品往往含有兩種或兩種以上的成分,其他分子可能與目標(biāo)分析物有相似的物理化學(xué)性質(zhì),產(chǎn)生相似的強(qiáng)拉曼峰,影響結(jié)果的靈敏度和準(zhǔn)確性。而且許多生化分子由于結(jié)構(gòu)復(fù)雜不能用單一的分析技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。為了解決這一困難,人們將SERS與多種技術(shù)相結(jié)合增強(qiáng)其檢測(cè)性能,如針尖增強(qiáng)拉曼技術(shù)[29]、化學(xué)分離[30]、生物捕獲技術(shù)[31]、比色技術(shù)[32]和基于微流體的設(shè)備[33]。這些技術(shù)的結(jié)合促進(jìn)了分析化學(xué)的進(jìn)步,并在各個(gè)研究領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

作為一項(xiàng)聯(lián)用技術(shù),SERS能同時(shí)獲得材料的表面形貌及表面物種的光譜信息,對(duì)于實(shí)現(xiàn)固-氣界面或固-液界面納米尺度分辨率的原位表征具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)[34]。ZHANG等[29]利用超低溫超高真空掃描隧道顯微鏡-TERS聯(lián)用技術(shù)(STM-TERS)實(shí)現(xiàn)了等離子體增強(qiáng)拉曼散射對(duì)單個(gè)卟啉分子的化學(xué)映射。隨后他們又利用非線性掃描隧道顯微鏡-TERS聯(lián)用技術(shù)區(qū)分了相距0.3 nm的兩種結(jié)構(gòu)相似的卟啉分子[35]。針對(duì)化學(xué)分離技術(shù),張旻[36]結(jié)合了分散液相微萃取(DLLME)簡(jiǎn)便、快速、廉價(jià)且環(huán)保等特點(diǎn)和SERS快速、高通量、痕量檢測(cè)等特點(diǎn),用便攜試劑盒實(shí)現(xiàn)了DLLME-SERS聯(lián)用檢測(cè)水中多環(huán)芳烴芘的方法,最低檢出限為0.50μg·L－1。在生物捕獲技術(shù)方面,FENG等[37]將分子印跡聚合物(MIPs)與SERS相結(jié)合,建立了一種新型的MISPE-SERS化學(xué)傳感器,用于測(cè)定橙汁中噻菌靈的含量,動(dòng)力學(xué)和靜態(tài)吸附試驗(yàn)驗(yàn)證了MIPs對(duì)噻菌靈的有效分離和富集,整個(gè)過程僅需23 min,檢出限為4 mg·L－1。PARISI等[38]在微流控通道中,采用原位電偶置換的方法制備了一種集成銀納米粒子的微流控器件,用于農(nóng)藥如呋喃類和甲草胺的實(shí)時(shí)檢測(cè),檢出限低至5 mg·L－1。

4 SERS在食品有害物質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

SERS作為一種現(xiàn)代分析技術(shù),在檢測(cè)重金屬殘留、農(nóng)獸藥殘留、添加劑、非法添加物、食源性致病微生物等方面有良好的應(yīng)用前景。XIE等[10]、YASSEN等[5]系統(tǒng)地歸納了SERS在檢測(cè)食品有害物質(zhì)中的應(yīng)用,極具參考價(jià)值。

4.1 重金屬殘留

重金屬污染主要是鉛、汞、鉻、鎘、鋅等在水體、土壤中的殘留。這些重金屬具有富集性,在環(huán)境中很難降解,并會(huì)通過食物鏈對(duì)人體造成傷害。重金屬能使人體內(nèi)蛋白質(zhì)或者酶失活,也能在某些器官內(nèi)富集,造成急性中毒、慢性中毒等。SERS作為一項(xiàng)痕量檢測(cè)技術(shù)在重金屬檢測(cè)中得到了廣泛的應(yīng)用,具體見表1。

汞離子是水體中常見的重金屬離子,對(duì)人體的中樞神經(jīng)系統(tǒng)造成影響。胡寶鑫等[47]用巰基丙烷磺酸鈉修飾銀納米基底,通過巰基與銀納米粒子和汞離子等的特異性結(jié)合的特點(diǎn),定量檢測(cè)汞離子濃度,在沒有干擾離子和干擾離子為鎳離子等情況下,該方法具有較好的測(cè)試準(zhǔn)確度,結(jié)果偏差小于20%。次年,ZENG等[48]將DMc T修飾的Au＠Ag納米粒子作為SERS探針檢測(cè)Hg2＋,由于Hg2＋與氮原子之間有較強(qiáng)的配位作用,檢出限低于10－8mol·L－1。鎘是重金屬污染元素之一,廣泛存在于化肥、土壤、飲用水中,也存在于一些果蔬中,如蘑菇等。DASARY等[49]利用高拉曼活性物質(zhì)茜素染料修飾金納米粒子,將3-巰基丙酸、2,6-吡啶二甲酸固定在納米粒子表面,以實(shí)現(xiàn)鎘的選擇性配位,檢出限可達(dá)1×10－5mg·L－1,該方法簡(jiǎn)單、快速、重復(fù)性好,具有推廣潛力。鉻離子對(duì)呼吸道有很強(qiáng)的刺激作用,經(jīng)常接觸易得鼻炎、支氣管炎。LV等[50]通過在Fe3O4＠Au表面涂覆2～6 mm的TiO2層,有利于富集Cr(Ⅵ),檢出限為5×10－8mol·L－1,該底物對(duì)于Cr(Ⅵ)的選擇性優(yōu)于其他共存離子。

表1 SERS在其他重金屬檢測(cè)中的應(yīng)用Tab.1 Application of SERSin the detection of other heavy metals

4.2 農(nóng)藥及獸藥的殘留

4.2.1 農(nóng)藥殘留

農(nóng)藥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)中起著至關(guān)重要的作用,具有防蟲治病、調(diào)節(jié)植物生長(zhǎng)等作用。但是,過度使用或者誤用農(nóng)藥會(huì)造成殘留問題,對(duì)人體健康產(chǎn)生不同程度的影響。因此,為了保障農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量與安全,通過SERS檢測(cè)技術(shù)對(duì)果蔬作物進(jìn)行快速農(nóng)殘檢測(cè)。

農(nóng)藥品種按照用途可分為殺蟲劑、殺菌劑、除草劑、植物生長(zhǎng)調(diào)節(jié)劑、殺鼠劑等。2014年,ZHANG等[51]將Au＠Ag NPs作為SERS基底,然后將納米顆粒溶膠直接涂在蘋果表皮,對(duì)果皮表面的福美雙和甲胺磷進(jìn)行了原位同時(shí)檢測(cè),結(jié)果表明,蘋果表面福美雙的最低檢測(cè)濃度為4.6×10－7mol·L－1,甲胺磷的最低檢測(cè)濃度為4.4×10－4mol·L－1。LUO等[52]通過迭代播種法在偽紙膜(PPFs)上原位合成了金納米粒子(Au NPs),形成了一種結(jié)構(gòu)均勻、性能靈活、具有吸芯能力的新型Au NPs-APPFs,并將其作為SERS基片用于表面農(nóng)藥殘留的檢測(cè),該方法可在蘋果皮上同時(shí)檢測(cè)到福美雙、甲基對(duì)硫磷和孔雀綠,其中福美雙的檢出限為1.1 ng·cm－2。HOU等[53]采用原位SERS和液相色譜-質(zhì)譜法(LC-MS)對(duì)不同時(shí)間采摘的菠菜葉片中樂果殘留量進(jìn)行檢測(cè)。采用SERS在60～110μm深度范圍內(nèi)檢測(cè)到大部分已經(jīng)滲透的樂果,采用LC-MS測(cè)定了菠菜葉中樂果含量為0.17 ng,兩種方法的結(jié)合有助于更好地理解殺蟲劑在復(fù)雜生物體系中的行為。

XU等[54]通過一種新型的含金納米粒子的SERS活性底物修飾二氧化硅膜(Au NPs＠SiO2),采用自組裝的方法制備SERS傳感器,再結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)牛奶中2,4-二氯苯氧乙酸(2,4-D)的殘留量進(jìn)行了測(cè)定。基于所開發(fā)的SERS傳感器,采集了牛奶中不同濃度2,4-D提取物的SERS光譜,并用偏最小二乘法(PLS)對(duì)光譜進(jìn)行了分析,結(jié)果表明該光譜具有較好的穩(wěn)定性,檢出限為0.01μg·L－1,線性范圍為10－2～106μg·L－1。

4.2.2 獸藥殘留

獸藥處方非法添加情況復(fù)雜,一些不法商家為提高產(chǎn)品的產(chǎn)量和銷量,往往會(huì)在畜牧業(yè)和水產(chǎn)養(yǎng)殖以及生產(chǎn)加工過程中過度添加此類物質(zhì)。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,具體見表2。

CHEN等[64]提出了一種簡(jiǎn)便、靈敏的SERS與樣品兩步預(yù)處理相結(jié)合的方法,用于實(shí)際牛奶樣品中青霉素G(PENG)的殘留檢測(cè),結(jié)果表明在最佳檢測(cè)條件下,檢出限為2.54×10－9mol·L－1(等于0.8μg·kg－1),低于歐盟標(biāo)準(zhǔn)限值(4μg·kg－1),在1.0×10－8～1.0×10－3mol·L－1濃度范圍內(nèi),線性關(guān)系良好。之后該課題組以銀納米粒子(Ag NPs)為底物,輔以聚合劑硫酸鎂(MgSO4),檢測(cè)抗生素卡本西林二鈉(CBDM),該抗生素通過羧基與基底結(jié)合。當(dāng)MgSO4的濃度為1×10－2,pH為6時(shí),CBDM的增強(qiáng)幅度最大,檢出限為0.63×10－8mol·L－1,低于歐盟規(guī)定的抗生素最大殘留限量標(biāo)準(zhǔn)(1.2×10－8mol·L－1)[65]。

表2 SERS在其他農(nóng)獸藥物檢測(cè)中的應(yīng)用Tab.2 Application of SERSin the detection of other agricultural and veterinary drugs

MENG等[31]研究了一種檢測(cè)水產(chǎn)品中土霉素(OTC)的新方法。該方法是基于DNA序列連接的金納米粒子(分別為13 nm和80 nm)之間的拉曼熱點(diǎn)構(gòu)建的,DNA序列與OTC適配體結(jié)合,拉曼信號(hào)分子(4-MBA)在13 nm的Au NP表面進(jìn)行了修飾。OTC暴露后,適體序列優(yōu)先與OTC結(jié)合,并部分脫氫,其互補(bǔ)序列使13 nm Au NP更接近80 nm Au NP,從而提高了拉曼強(qiáng)度,產(chǎn)生了更強(qiáng)的“熱點(diǎn)”。在最佳試驗(yàn)條件下,SERS信號(hào)與OTC濃度在4.6×10－2～4.6×102fg·mL－1范圍內(nèi)呈正相關(guān),檢出限為4.35×10－3fg·mL－1。該方法具有較高選擇性,為多種傳感應(yīng)用提供了一種很有前途的策略。

4.3 食品添加劑

目前,食品添加劑已成為食品生產(chǎn)加工過程中必不可少的物質(zhì)。其按照功能可分為著色劑、防腐劑、抗氧化劑、甜味劑等,用于改善食品色、香、味等品質(zhì)以及用于食品防腐。但是,濫用或者超過規(guī)定的劑量使用添加劑會(huì)造成食品的質(zhì)量安全問題。

AI等[63]在聚乙烯吡咯烷酮(PVP)表面活性劑存在下,用抗壞血酸還原硝酸銀,合成花狀銀納米粒子,檢測(cè)4種不同的食品著色劑(食品藍(lán)、石杉?jí)A、日落黃、酸性紅),檢出限分別為 79.285,5.3436,45.238,50.244μg·L－1。YAO 等[66]在2012年使用金溶膠作為活性基底檢測(cè)了2,6-二叔丁基對(duì)甲酚(BHT),檢測(cè)限可達(dá)10 mg·L－1。之后該課題組等合成了用于敏感、快速、方便、無損檢測(cè)的核殼納米材料,選擇最佳合成條件進(jìn)行半定量檢測(cè)。通過SERS篩選,檢測(cè)了黃魚、紅燒肉、紅辣椒、青餃、紅酒中的酸橙II和亮藍(lán)。結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)高效液相色譜法比較,驗(yàn)證了SERS的正確性,以及核殼納米粒子在快速檢測(cè)食品中的色素方面具有良好的性能[67]。

WANG等[68]以ZnO＠Ag空心納米球?yàn)槟Ｐ?研制了一種用于測(cè)定食品中亞硝酸鹽的SERS傳感器。該傳感器4-氨基噻吩醇(4-ATP)和1-萘胺(1-NA)的相互作用,使ZnO＠Ag空心納米球基片表面的亞硝酸根有明顯的增強(qiáng)作用。在優(yōu)化的試驗(yàn)條件下,亞硝酸鹽檢測(cè)的線性范圍為1×10－8～1×10－3mol·L－1,檢出限為0.3×10－8mol·L－1,該SERS基底的增強(qiáng)因子為3.17×108。

4.4 食品非法添加物

食品非法添加物并非可食用添加劑,而是危害性未知或者因毒性較大而被禁止的化學(xué)合成物[69],如三聚氰胺、吊白塊等。隨著食品工業(yè)的發(fā)展,一些不法商家為謀取私利在食品中加入非法添加物,損害了人體健康,影響社會(huì)安定。因此,建立一種快速靈敏的檢測(cè)方法對(duì)于食品工業(yè)健康發(fā)展十分重要。

CREEDON等[70]介紹了在柔性熱塑性聚合物表面模板化納米結(jié)構(gòu),用鋁蘇打罐模板制備透明表面增強(qiáng)拉曼散射基片,再在表面沉積銀的方法,檢測(cè)牛奶和嬰兒配方奶粉中的三聚氰胺。檢測(cè)結(jié)果同商用串聯(lián)質(zhì)譜儀(MS-MS)相對(duì)比,具有相似靈敏度。YU等[30]將磁性納米粒子與磁性固相微萃取(SPME)裝置相結(jié)合,提出了分散磁性微萃取-SERS檢測(cè)方法,實(shí)現(xiàn)了富集、磁分離、檢測(cè)一體化,用以檢測(cè)保健酒中枸櫞酸西地那非(SC)含量,檢出限為1.0×10－8mol·L－1,從富集到檢測(cè)只需10 min。

4.5 食源性致病微生物

世界衛(wèi)生組織將食物傳播疾病定義為由通過攝入食物進(jìn)入人體的病原體引起的疾病,通常是傳染性疾病或有毒疾病[71]。常見的食源性致病微生物有沙門氏菌、金黃色葡萄桿菌、大腸桿菌O157:H7、李斯特菌、芽孢桿菌以及一些病毒。傳統(tǒng)的微生物檢測(cè)方法較為費(fèi)時(shí),無法達(dá)到快速檢測(cè)的目的。SERS技術(shù)高效、靈敏,在快速檢測(cè)食源性微生物中具有良好應(yīng)用前景。

ZHANG等[72]通過在聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯(POEGMA)刷中加入多層銀納米粒子(Ag-NPs),利用堆垛法探索三維(3D)SERS基底的制備方法,檢測(cè)金黃色葡萄球菌,檢出限為8 CFU·mL－1。BOZKURT等[73]建立了一種利用堿性磷酸酶(ALP)酶活性檢測(cè)大腸桿菌(E.coli)的夾心免疫分析方法,同時(shí)合成了球形磁性包金核殼納米顆粒(MNPs-Au)和棒狀金納米顆粒(Au NRs),并對(duì)其進(jìn)行了改性,檢出限為10 CFU·mL－1。

LIAO等[74]提出了一種基于三維SERS和激光誘導(dǎo)擊穿光譜(LIBS)相結(jié)合的細(xì)菌定性定量檢測(cè)方法。采用改進(jìn)的原位合成方法制備了SERS活性Ag NPs,并通過原位合成樣品液滴的自然蒸發(fā)獲得了細(xì)菌的可重復(fù)SERS光譜。整個(gè)檢測(cè)過程,包括樣品制備和檢測(cè),可在約30 min內(nèi)完成,分析時(shí)間短,操作簡(jiǎn)單,所提出的策略顯示了細(xì)菌分析的巨大潛力。

5 結(jié)論與展望

SERS作為一種快速、靈敏的檢測(cè)技術(shù),在檢測(cè)重金屬污染、農(nóng)獸藥殘留、濫用食品添加劑、食源性致病微生物等方面起著重要的作用。但是,目前SERS技術(shù)在食品安全檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中仍處于起步階段,在理論分析、定量分析方面也面臨著相應(yīng)的挑戰(zhàn)。

第一,對(duì)于SERS機(jī)理的解釋尚未達(dá)到清晰的地步,對(duì)某些SERS現(xiàn)象也無法進(jìn)行充分解釋。電磁場(chǎng)增強(qiáng)機(jī)理和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理是目前主要的兩種理論支撐,但尚未得到一致認(rèn)同。因此,對(duì)SERS的理論研究還需不斷進(jìn)行。

第二,雖然SERS基底的制備材料與方法多種多樣,但仍然面臨著不穩(wěn)定、重現(xiàn)性差、成本高、結(jié)構(gòu)不均勻等問題。復(fù)雜的二維或三維納米結(jié)構(gòu)能產(chǎn)生較多“熱點(diǎn)”,但它們很少應(yīng)用于食品安全分析中,未來可以在這方面進(jìn)行深一步的研究。

第三,由于同一待測(cè)樣品在不同試驗(yàn)條件下,其信號(hào)強(qiáng)度會(huì)有差異,因此將SERS應(yīng)用于定量分析仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。通過將化學(xué)計(jì)量學(xué)方法和光譜數(shù)據(jù)分析相結(jié)合,以及拉曼光譜儀器和納米基底的發(fā)展,SERS定量分析方面有了一定的進(jìn)展,但是在定量的精度方面仍需繼續(xù)研究。

第四,不同樣品的迅速測(cè)定需要建立一個(gè)統(tǒng)一的拉曼光譜譜圖庫。但由于SERS信號(hào)的強(qiáng)度受檢測(cè)環(huán)境、基底等因素影響,因此建立該圖庫還需要做大量的工作。

第五,目前SERS研究?jī)H側(cè)重于少量有害物質(zhì),對(duì)于無機(jī)有害物質(zhì)的研究較少。同時(shí),對(duì)于樣品的選擇也比較單一,例如農(nóng)藥的樣品往往是果汁、水果,很少研究小麥等農(nóng)作物。

總之,作為一種新興的分析檢測(cè)技術(shù),SERS技術(shù)在食品安全檢測(cè)領(lǐng)域展現(xiàn)出極大的潛力。在未來,SERS技術(shù)可以通過技術(shù)聯(lián)用提高檢測(cè)的靈敏性,如與化學(xué)分離技術(shù)、生物捕獲技術(shù)等。在現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方面,為了快速、便捷的獲取結(jié)果,可致力于開發(fā)便攜式拉曼光譜儀,該方法應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)具有廣闊的前景。