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

王留留 孫方濤

(1. 鄭州市食品藥品檢驗所,河南 鄭州 450000;2. 鄭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢驗測試中心,河南 鄭州 450000)

近年來,隨著大眾食品安全意識的增強(qiáng),對微量物質(zhì)的快速檢測手段提出了較高要求,如對果蔬殘留物的快速現(xiàn)場分析,對農(nóng)產(chǎn)品的新鮮度和成分的即時檢測,對致病微生物及毒素的實時篩查等。傳統(tǒng)的檢測方法如色譜法[1]、質(zhì)譜法[2]、酶聯(lián)免疫吸附法[3]等具有檢測精度高的優(yōu)點,成為眾多食品質(zhì)量安全檢驗的國家標(biāo)準(zhǔn)方法。但是,這些方法大多屬于破壞性檢測方法,且樣品預(yù)處理、制備和檢測等操作復(fù)雜、耗時。此外,這些測量系統(tǒng)一般體積龐大、復(fù)雜,設(shè)備投資和維護(hù)成本高,且需要對操作人員進(jìn)行專業(yè)培訓(xùn)。

拉曼散射現(xiàn)象是由印度物理學(xué)家Raman發(fā)現(xiàn),根據(jù)被測物在振動頻率和強(qiáng)度方面的特征,提供被測物的分子“指紋”光譜[4]。由于對樣品處理要求高、被分析物的拉曼散射截面較小、原始拉曼信號強(qiáng)度低等,導(dǎo)致其在一段時間內(nèi)未被推廣和應(yīng)用。直至20世紀(jì)70年代,表面增強(qiáng)拉曼光譜現(xiàn)象(SERS)被證實能夠顯著增強(qiáng)信號強(qiáng)度[5],這主要歸因于SERS襯底對拉曼信號的增強(qiáng)作用。一般來講,SERS的增強(qiáng)機(jī)制包括化學(xué)增強(qiáng)機(jī)制(CEM)和電磁增強(qiáng)機(jī)制(EM)[6]。CEM主要由3種機(jī)制引起:① 吸附物與底物之間的化學(xué)鍵引起非共振增強(qiáng);② 吸附分子和表面吸附原子形成表面絡(luò)合物而引起的共振增強(qiáng);③ 激發(fā)光誘導(dǎo)分子金屬系統(tǒng)的電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致的共振增強(qiáng)。EM是在入射光照射下,由納米結(jié)構(gòu)金屬表面的電子振動產(chǎn)生的。

SERS作為一種新興的超靈敏檢測方法,具有操作簡單、耗時短、靈敏度高等優(yōu)點,在化學(xué)、食品和環(huán)境等[7]領(lǐng)域取得了顯著成就。目前,SERS技術(shù)主要被用于檢測農(nóng)藥殘留[8]、雙酚A[9]、食源性致病菌[10]和真菌毒素[11]等。研究擬對國內(nèi)外近年來SERS的襯底開發(fā)及SERS技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域中的研究成果進(jìn)行全面總結(jié),并分析SERS技術(shù)應(yīng)用所面臨的挑戰(zhàn)和未來發(fā)展趨勢,以期為SERS技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域中全面、深入的研究提供依據(jù)。

1 SERS襯底

根據(jù)近年SERS技術(shù)在食品安全檢測中的應(yīng)用報道,鑒于SERS襯底在制備方式、功能特性和經(jīng)濟(jì)性的差異,將當(dāng)前報道的襯底主要分為膠體納米顆粒襯底、納米結(jié)構(gòu)模板襯底、柔性襯底和可重復(fù)使用襯底四類。

1.1 膠體納米顆粒襯底

對于SERS檢測,通常利用膠體貴金屬納米顆粒產(chǎn)生大量的“熱點”,進(jìn)而出現(xiàn)顯著的SERS效應(yīng)。此外,膠體貴金屬納米顆粒也可以分散并附著在玻璃(石英)或金屬板上,形成由聚集納米顆粒組成的薄膜。這也會促進(jìn)金屬納米顆粒內(nèi)部電子的振蕩,形成表面等離子體,從而形成基于EM機(jī)制的熱點。除了常見的銀/金球形納米粒子外,還合成了各種形狀和尺寸的納米顆粒基襯底,如納米棒[12]、金銀雙面納米粒子[13]、納米星[14]等。納米顆粒的形狀影響其光學(xué)性質(zhì),特別是納米顆粒的邊緣和彎角可以起到顯著的增強(qiáng)效果,從而提高其靈敏度。Lin等[15]制備了金納米星襯底,實現(xiàn)了綠茶中百草枯的檢測,檢測限可達(dá)0.2 mg/kg。此外,核殼金屬納米顆粒也被廣泛用于設(shè)計SERS標(biāo)簽,如Au@Ag NPs[16]和Au(core)@Au-Ag(shell)[17]。Chen等[18]合成了核殼型金/銀納米棒(Au@Ag NRs)作為雙金屬SERS活性襯底,并用于新鮮蘋果汁和桃汁中的噻苯咪唑檢測。膠體貴金屬納米顆襯底具有制備工藝簡單、成本低、易于貯藏、增強(qiáng)能力強(qiáng)等優(yōu)點。然而,由于納米顆粒不可控地聚集,使得定量或可重復(fù)地測量變得困難。此外,目標(biāo)分子對納米顆粒的吸附能力也會影響SERS活性。

1.2 納米結(jié)構(gòu)模板襯底

SERS襯底也可以通過納米結(jié)構(gòu)模板制備。模板法的優(yōu)點是可以通過模板形態(tài)的設(shè)計和調(diào)控來獲得所需SERS襯底的尺寸和形態(tài)。此方法所制備的SERS襯底的邊緣銳度、間隙大小、開口和壁厚等形態(tài)特征可調(diào),從而使基底具有良好的均勻性。在納米模板的基礎(chǔ)上,可以將貴金屬納米顆粒物理或化學(xué)沉積在納米模板上,從而實現(xiàn)大規(guī)模均勻的SERS襯底制備。常用的模板方法有陽極氧化鋁模板、聚苯乙烯微球模板、多孔硅模板等模板。Muhammad等[19]采用陽極氧化鋁模板輔助電化學(xué)沉積方法開發(fā)出了新型AgNP陣列透明SERS襯底,實現(xiàn)了牛奶中四環(huán)素和雙氰胺的快速檢測,檢測的最低濃度分別可達(dá)1×10-9,1×10-7mol/L。Luo等[20]制備了連續(xù)層金芯—SERS標(biāo)簽—銀殼—金殼(Au@label@Ag@Au NPs)組成的金納米顆粒,通過適體被固定分散在平面硅基底上,獲得了不對稱Au納米花SERS襯底;可用于由藍(lán)藻菌產(chǎn)生的微囊藻毒素MC-LR和MC-RR的檢測,與其他基于SERS的MC-LR檢測方法相比,該方法顯著降低了單獨MC-LR檢測和多重檢測的檢測限。然而,此類SERS襯底多存在柔性欠佳問題,限制了其應(yīng)用范圍。

1.3 柔性襯底

對于食品表面微量化學(xué)品的SERS檢測,還可以采用紙張、膠帶、高分子材料等柔性材料制作SERS基板,使其具有柔性、體積小、成本低、便于現(xiàn)場檢測等特殊應(yīng)用特點。柔性SERS襯底的應(yīng)用可以通過直接用柔性襯底擦拭樣品表面或?qū)⑷嵝許ERS襯底粘貼在樣品表面來實現(xiàn)。與傳統(tǒng)方法相比,柔性襯底可以直接從表面收集目標(biāo)分子。因此,由柔性基板制成的SERS傳感器在農(nóng)產(chǎn)品安全和質(zhì)量控制方面具有巨大潛力。Gong等[21]將銀納米顆粒固定于膠帶表面制備柔性襯底,用于農(nóng)藥檢測。該方法對蘋果皮中三唑磷的檢出限為0.022 5 mg/kg(扣除不利條件計算所得),比國家規(guī)定的最大殘留限量(MRL,0.2 mg/kg)低一個數(shù)量級。Wang等[22]使用殼聚糖海綿作為柔性材料,將其浸泡在銀納米顆粒懸浮液中,形成柔性SERS襯底對三唑磷的檢測限低至10-4。雖然柔性SERS襯底傳感器在應(yīng)用中顯示出巨大的潛力,但也存在許多挑戰(zhàn),例如熒光干擾和測量的可重復(fù)性低,這阻礙其向工業(yè)應(yīng)用的轉(zhuǎn)化。后續(xù)研究應(yīng)以降低制備成本,優(yōu)化制備方法,實現(xiàn)商業(yè)化為目標(biāo)。

1.4 可重復(fù)使用襯底

SERS襯底是否可以重復(fù)使用對該技術(shù)的應(yīng)用也非常重要。Zhang等[23]通過疏水改性制備了一種可重復(fù)使用的紙基SERS襯底用于檢測牛奶中的三聚氰胺。疏水改性可以防止樣品的水溶液滲入濾紙,可直接測量液態(tài)牛奶樣品,無需等待樣品干燥,提高了檢測速度和效率。該方法對三聚氰胺的檢測限低至10-6。磁性納米顆粒(MNPs)具有易于制造、高表面積/體積等特性,在SERS傳感器中備受關(guān)注。在磁輔助下可以方便地完成洗滌過程,無需繁瑣重復(fù)的工作。此外,還可以利用MNPs富集復(fù)雜樣品中的目標(biāo),進(jìn)一步提高分析性能。Wang等[24]利用AgMNPs開發(fā)了磁性SERS襯底用于檢測金黃色葡萄球菌。AgMNPs不僅具有磁響應(yīng)性,還具有良好的SERS活性。此外,在一些感應(yīng)傳感器中,磁珠的表面被保護(hù)層所覆蓋,可提高M(jìn)NPs的穩(wěn)定性和生物相容性。重復(fù)使用襯底的開發(fā),可降低SERS檢測技術(shù)的成本,但保證重復(fù)使用時檢測的高效率性和穩(wěn)定性還需深入研究。

2 SERS技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 致病性微生物檢測

致病性微生物是危害食品安全的因素之一。目前,SERS已被廣泛應(yīng)用于致病微生物的檢測中(表1)。通過膠體金或銀納米顆粒襯底,依據(jù)不同微生物的特征峰,結(jié)合多元統(tǒng)計分析,可以快速、準(zhǔn)確地對致病微生物如大腸桿菌、糧食作物中的黑曲霉、釀酒酵母、鐮刀菌和綠色木霉進(jìn)行快速檢測[25-26]。隨著SERS襯底制備技術(shù)的不斷發(fā)展,將貴金屬納米顆粒進(jìn)行特定的功能化處理,結(jié)合統(tǒng)計分析算法可以實現(xiàn)對致病微生物的痕量檢測。Li等[27]制備了鏈霉親和素修飾的磁性納米顆粒金@銀—異硫氰酸熒光素抗體(AuMB@Ag-anti-FITC)信號探針,用于定量檢測和分析食源性單核增生李斯特菌(L.monocytogenes)。在1.0 h內(nèi),干酪中L.monocytogenes在2.0×101～2.0×106CFU/mL范圍內(nèi)均可靈敏檢測,檢出限為7.8 CFU/mL。Dayalan等[28]以拉曼報告分子4-巰基苯甲酸為連接分子制備萬古霉素功能化金納米星(GNSs-4-MBA-van)傳感器,用于食品致病菌的特異性和敏感性定量;其對金黃色葡萄球菌和大腸桿菌的檢出限分別為5.7,8.2 CFU/mL。Zhao等[29]將優(yōu)化了的金納米晶的Fe3O4@SiO2-Au與特定的適體進(jìn)行功能化作為捕獲探針,用拉曼報告分子和適體修飾的氧化石墨烯-Au納米星(GO-AuNSs)作為SERS標(biāo)記,建立了一種新型SERS三明治策略生物傳感平臺。在最佳條件下,SERS平臺可同時檢測大腸桿菌和金黃色葡萄球菌,檢出限低至10 CFU/mL。該方法為同時檢測多種病原體提供了一種高選擇性、高靈敏度的新思路?；赟ERS技術(shù)對單一致病微生物的痕量分析的研究較多,但單次同時實現(xiàn)多重致病微生物的定性定量檢測還處于探索階段,這也是使SERS檢測技術(shù)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用成為可能的要求。因此,單次同時實現(xiàn)多重致病微生物的定性定量檢測將成為后續(xù)研究的熱點。

表1 SERS技術(shù)在致病性微生物檢測中的應(yīng)用?

2.2 微生物毒素檢測

真菌毒素作為天然污染物廣泛存在于谷物、水果和蔬菜等食品中,尤其是在食品加工、貯藏和運輸過程中,真菌毒素很容易在適宜的溫度和濕度環(huán)境中產(chǎn)生。Chen等[30]采用Au@SiO2襯底結(jié)合標(biāo)記物,建立了一種基于SERS的橫向流動免疫分析法,可同時測定黃曲霉毒素B1(AFB1)和赭曲霉毒素A (OTA)。通過系統(tǒng)優(yōu)化試驗條件,該生物傳感器具有較高的靈敏度和復(fù)用性,AFB1檢測限為0.24 pg/mL,OTA檢測限為0.37 pg/mL,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于歐盟委員會規(guī)定的檢測限。Guo等[31]制備了以介孔二氧化硅表面負(fù)載金納米復(fù)合材料的基底,并通過適體功能化獲得SERS適體傳感器(MSN-Rh6G-AuNPs@apt),實現(xiàn)了對玉米赤霉烯酮(ZEN)的定量、靈敏檢測,檢測限為0.006 4 ng/mL。

Juneja等[32]利用富含納米銀的硅藻土作為襯底檢測海洋神經(jīng)毒素軟骨藻酸(DA),檢測可在1 min內(nèi)完成,檢測限可達(dá)10-6,遠(yuǎn)低于海鮮的監(jiān)管DA水平。并將該方法應(yīng)用到蟹肉的DA檢測中,提出了一種簡單、靈敏、經(jīng)濟(jì)的現(xiàn)場評估海產(chǎn)品中的生物毒素檢測方法。Xu等[33]通過調(diào)控pH,制備了金—銀兩面@金納米顆粒(Au-Ag Janus@AuNPs)SERS活性襯底,該襯底具有可調(diào)的空心納米結(jié)構(gòu),實現(xiàn)了對食品中的微量葡萄球菌腸毒素靈敏可靠的檢測,檢出限低至0.55 pg/mL。SERS技術(shù)在微生物毒素檢測方面的研究報道相對較少,可能與目前食品貯藏和加工技術(shù)的不斷完善使食品免受真菌等微生物污染有關(guān)。

2.3 農(nóng)藥和抗生素殘留檢測

覃重陽等[34]采用花狀銀SERS襯底對不同茶類中的敵百蟲與百草枯進(jìn)行了定性與定量檢測,對綠茶、紅茶、黑茶茶湯中百草枯的檢出限為1.86×10-2mg/kg,對烏龍茶茶湯中百草枯的檢出限為1.86×10-1mg/kg;在敵百蟲的檢測中,綠茶、紅茶、烏龍茶茶湯中的檢出限為2.57×10-2mg/kg,黑茶湯中的檢出限為2.57×10-1mg/kg。Bai等[35]將銀納米顆粒(AgNP)裝載于水性聚氨酯(WPU),制備了高黏性柔性WPU@AgNPs襯底膠帶,用于檢測梨、蘋果和香蕉表面的噻苯咪唑殘留,檢出限分別為1.44,1.12,1.63 ng/cm2,可作為現(xiàn)場快速、超靈敏檢測噻苯咪唑殘留的常用方法。周瑋等[36]以金納米溶膠為增強(qiáng)襯底,樣品經(jīng)預(yù)處理后快速檢測葉菜類蔬菜中噻蟲嗪殘留,檢出限可達(dá)1 mg/kg,在噻蟲嗪質(zhì)量濃度為0.5～15.0 mg/kg時線性關(guān)系良好,回收率為90.7%～121.7%。此外,金/銀納米顆粒與乙酰膽堿酯酶[37]、細(xì)菌納米纖維素[38]和聚二甲基硅氧烷[39]結(jié)合制備柔性襯底,實現(xiàn)了不規(guī)則水果表面的有機(jī)磷和有機(jī)硫農(nóng)藥殘留的高靈敏度痕量檢測,大大簡化了前處理步驟,為農(nóng)藥殘留檢測提供了一種很有前景的思路。

抗生素被廣泛應(yīng)用于水產(chǎn)養(yǎng)殖、畜牧生產(chǎn)、家禽生產(chǎn)和農(nóng)業(yè)等行業(yè),以提高經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)力。抗生素殘留經(jīng)常在多種食品中被檢出,如肉、魚、牛奶、雞蛋和水果。這些殘留物通過食物鏈在人體內(nèi)積累,進(jìn)而對人體器官造成損害,導(dǎo)致貧血和心血管疾病。Zhao等[40]構(gòu)建了柔性均勻等離子體Au納米錐@Ag納米棒的全無機(jī)銫鹵化鉛(CsPbX3,X為Cl、Br、I)襯底(AuNBP@AgNR-CsPbX3),對食品基質(zhì)中氯霉素、地西泮和孔雀石綠的定量、準(zhǔn)確、多重檢測具有良好的靈敏度和高重現(xiàn)性。Li等[41]在聚酯纖維膜(PFM)上組裝三維ZnO@Ag納米花制備SERS柔性襯底(ZnO@Ag NFs-PFM),用于雞肉中抗生素氟苯尼考的檢測,檢出限低至2.23×10-10mol/L,回收率為97%～101%。班晶晶等[42]將SERS技術(shù)與二維相關(guān)光譜法結(jié)合用于檢測雞肉中恩諾沙星殘留,相比于競爭性正自適應(yīng)加權(quán)算法,該方法更能使復(fù)雜的拉曼光譜分析更加簡單、可靠。徐婧等[43]采用磁性氧化石墨烯復(fù)合納米材料(Fe3O4@SiO2-GO)為SERS襯底,成功實現(xiàn)了飲用水中1.0 ng/L恩諾沙星和5.0 ng/L環(huán)丙沙星的加標(biāo)檢出,回收率為77.5%～91.5%,滿足當(dāng)前飲用水水質(zhì)檢測的要求。SERS技術(shù)在農(nóng)藥殘留和抗生素殘留檢測中取得了一定成效,柔性襯底展現(xiàn)出簡單便捷的優(yōu)異特性,但其成本和穩(wěn)定性問題仍制約著其大規(guī)模的實際應(yīng)用。重復(fù)使用以降低成本、提高檢測的穩(wěn)定性仍是亟待解決的問題。

2.4 非法添加物檢測

在食品的生產(chǎn)、加工等過程中,有些商販貪圖利益,違反規(guī)定,將非法添加劑添加到食品中,嚴(yán)重危害了食品安全和人們的身體健康。因此,尋求快速、高通量的檢測方法是急需解決的問題。Yang等[44]開發(fā)了羧基功能化的銀納米顆粒(AgNP-COF-COOH)材料作為SERS襯底,用于檢測三聚氰胺摻假。該方法靈敏度高,可靠性好,檢出限為0.68 μg/L。董祥輝等[45]采用膠體金納米顆粒實現(xiàn)了豬肉中齊帕特羅(瘦肉精)殘留的快速檢測,對不同加標(biāo)濃度的實際樣品進(jìn)行檢測,平均回收率為90.39%～101.24%,RSD值為7.90%～8.94%。胡家勇等[46]制備膠體金SERS襯底用于保健酒中那非類藥物的篩查,西地那非、他達(dá)那非、硫代西地那非和乙酰伐地那非的最低檢出質(zhì)量濃度分別為0.05,0.5,0.05,0.1 mg/L。該方法對模擬樣品的定性檢測結(jié)果與高效液相色譜—質(zhì)譜法的一致。

2.5 其他方面的檢測應(yīng)用

由于可實現(xiàn)實時無損檢測,且具有靈敏度和準(zhǔn)確率高等優(yōu)點,SERS技術(shù)被用于食品新鮮度[47]及其他影響食品安全物質(zhì)的檢測中,如增塑劑[48]、抗氧化劑[49]、丙烯酰胺[50]、過敏原[51]等(表2)。在貴金屬納米顆?；A(chǔ)上,對SERS進(jìn)行功能化的改性,可實現(xiàn)有害物質(zhì)高靈敏度的痕量檢測,進(jìn)一步保障食品安全。

表2 SERS技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域其他方面的應(yīng)用

3 結(jié)論與展望

表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)作為一種新興的超靈敏檢測方法,具有操作簡單、耗時短、靈敏度高,可實現(xiàn)現(xiàn)場實時無損檢測等優(yōu)點,在食品安全檢測領(lǐng)域具有可觀的應(yīng)用潛力。表面增強(qiáng)拉曼光譜襯底對增強(qiáng)被測物質(zhì)分子的指紋信號,提高檢測分析的靈敏度、準(zhǔn)確性和可重復(fù)性起著至關(guān)重要的作用。不同類型的表面增強(qiáng)拉曼光譜襯底呈現(xiàn)不同的特性,在應(yīng)用中也具有一定的局限性。近年來,表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在食品中的致病性微生物、農(nóng)藥和抗生素殘留、毒素、非法添加物等檢測方面開展了廣泛研究,并取得了一定成效。

然而,表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在食品安全檢測領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)從實驗室研究到大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用還面臨諸多挑戰(zhàn):① 對殘留物痕量分析中易受背景噪聲的干擾,難以保證檢測結(jié)果的穩(wěn)定性和重復(fù)性;② 未能實現(xiàn)同時對多種有害物質(zhì)的精準(zhǔn)、可靠檢測;③ 高成本限制了其廣泛應(yīng)用。因此,開發(fā)重復(fù)性好、穩(wěn)定性強(qiáng)、均勻性高的襯底,同時,引入化學(xué)計量學(xué)去除干擾,以保證表面增強(qiáng)拉曼光譜信號的靈敏度和再現(xiàn)性是未來研究的一個重點。此外,加強(qiáng)對多種有害物質(zhì)同時檢測方法的研究和開發(fā),探索構(gòu)建基于表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的小型、低成本、操作簡單的智能分析平臺,如微流控芯片等,也將是未來研究的趨勢。