表面增強拉曼光譜技術在食品安全檢測領域中的應用

王留留 孫方濤

(1. 鄭州市食品藥品檢驗所,河南 鄭州 450000;2. 鄭州市質量技術監督檢驗測試中心,河南 鄭州 450000)

近年來,隨著大眾食品安全意識的增強,對微量物質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場分析,對農產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。傳統的檢測方法如色譜法[1]、質譜法[2]、酶聯免疫吸附法[3]等具有檢測精度高的優點,成為眾多食品質量安全檢驗的國家標準方法。但是,這些方法大多屬于破壞性檢測方法,且樣品預處理、制備和檢測等操作復雜、耗時。此外,這些測量系統一般體積龐大、復雜,設備投資和維護成本高,且需要對操作人員進行專業培訓。

拉曼散射現象是由印度物理學家Raman發現,根據被測物在振動頻率和強度方面的特征,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、原始拉曼信號強度低等,導致其在一段時間內未被推廣和應用。直至20世紀70年代,表面增強拉曼光譜現象(SERS)被證實能夠顯著增強信號強度[5],這主要歸因于SERS襯底對拉曼信號的增強作用。一般來講,SERS的增強機制包括化學增強機制(CEM)和電磁增強機制(EM)[6]。CEM主要由3種機制引起:① 吸附物與底物之間的化學鍵引起非共振增強;② 吸附分子和表面吸附原子形成表面絡合物而引起的共振增強;③ 激發光誘導分子金屬系統的電荷轉移導致的共振增強。EM是在入射光照射下,由納米結構金屬表面的電子振動產生的。

SERS作為一種新興的超靈敏檢測方法,具有操作簡單、耗時短、靈敏度高等優點,在化學、食品和環境等[7]領域取得了顯著成就。目前,SERS技術主要被用于檢測農藥殘留[8]、雙酚A[9]、食源性致病菌[10]和真菌毒素[11]等。研究擬對國內外近年來SERS的襯底開發及SERS技術在食品安全檢測領域中的研究成果進行全面總結,并分析SERS技術應用所面臨的挑戰和未來發展趨勢,以期為SERS技術在食品安全檢測領域中全面、深入的研究提供依據。

1 SERS襯底

根據近年SERS技術在食品安全檢測中的應用報道,鑒于SERS襯底在制備方式、功能特性和經濟性的差異,將當前報道的襯底主要分為膠體納米顆粒襯底、納米結構模板襯底、柔性襯底和可重復使用襯底四類。

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生大量的“熱點”,進而出現顯著的SERS效應。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。這也會促進金屬納米顆粒內部電子的振蕩,形成表面等離子體,從而形成基于EM機制的熱點。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?；r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性質,特別是納米顆粒的邊緣和彎角可以起到顯著的增強效果,從而提高其靈敏度。Lin等[15]制備了金納米星襯底,實現了綠茶中百草枯的檢測,檢測限可達0.2 mg/kg。此外,核殼金屬納米顆粒也被廣泛用于設計SERS標簽,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、增強能力強等優點。然而,由于納米顆粒不可控地聚集,使得定量或可重復地測量變得困難。此外,目標分子對納米顆粒的吸附能力也會影響SERS活性。

1.2 納米結構模板襯底

SERS襯底也可以通過納米結構模板制備。模板法的優點是可以通過模板形態的設計和調控來獲得所需SERS襯底的尺寸和形態。此方法所制備的SERS襯底的邊緣銳度、間隙大小、開口和壁厚等形態特征可調,從而使基底具有良好的均勻性。在納米模板的基礎上,可以將貴金屬納米顆粒物理或化學沉積在納米模板上,從而實現大規模均勻的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沉積方法開發出了新型AgNP陣列透明SERS襯底,實現了牛奶中四環素和雙氰胺的快速檢測,檢測的最低濃度分別可達1×10-9,1×10-7mol/L。Luo等[20]制備了連續層金芯—SERS標簽—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;可用于由藍藻菌產生的微囊藻毒素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,限制了其應用范圍。

1.3 柔性襯底

對于食品表面微量化學品的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、便于現場檢測等特殊應用特點。柔性SERS襯底的應用可以通過直接用柔性襯底擦拭樣品表面或將柔性SERS襯底粘貼在樣品表面來實現。與傳統方法相比,柔性襯底可以直接從表面收集目標分子。因此,由柔性基板制成的SERS傳感器在農產品安全和質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),比國家規定的最大殘留限量(MRL,0.2 mg/kg)低一個數量級。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襯底傳感器在應用中顯示出巨大的潛力,但也存在許多挑戰,例如熒光干擾和測量的可重復性低,這阻礙其向工業應用的轉化。后續研究應以降低制備成本,優化制備方法,實現商業化為目標。

1.4 可重復使用襯底

SERS襯底是否可以重復使用對該技術的應用也非常重要。Zhang等[23]通過疏水改性制備了一種可重復使用的紙基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傳感器中備受關注。在磁輔助下可以方便地完成洗滌過程,無需繁瑣重復的工作。此外,還可以利用MNPs富集復雜樣品中的目標,進一步提高分析性能。Wang等[24]利用AgMNPs開發了磁性SERS襯底用于檢測金黃色葡萄球菌。AgMNPs不僅具有磁響應性,還具有良好的SERS活性。此外,在一些感應傳感器中,磁珠的表面被保護層所覆蓋,可提高MNPs的穩定性和生物相容性。重復使用襯底的開發,可降低SERS檢測技術的成本,但保證重復使用時檢測的高效率性和穩定性還需深入研究。

2 SERS技術在食品安全檢測領域的應用

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,依據不同微生物的特征峰,結合多元統計分析,可以快速、準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行快速檢測[25-26]。隨著SERS襯底制備技術的不斷發展,將貴金屬納米顆粒進行特定的功能化處理,結合統計分析算法可以實現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,干酪中L.monocytogenes在2.0×101～2.0×106CFU/mL范圍內均可靈敏檢測,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]將優化了的金納米晶的Fe3O4@SiO2-Au與特定的適體進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檢測技術大規模商業應用成為可能的要求。因此,單次同時實現多重致病微生物的定性定量檢測將成為后續研究的熱點。

表1 SERS技術在致病性微生物檢測中的應用?

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境中產生。Chen等[30]采用Au@SiO2襯底結合標記物,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)。通過系統優化試驗條件,該生物傳感器具有較高的靈敏度和復用性,AFB1檢測限為0.24 pg/mL,OTA檢測限為0.37 pg/mL,遠遠低于歐盟委員會規定的檢測限。Guo等[31]制備了以介孔二氧化硅表面負載金納米復合材料的基底,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毒素軟骨藻酸(DA),檢測可在1 min內完成,檢測限可達10-6,遠低于海鮮的監管DA水平。并將該方法應用到蟹肉的DA檢測中,提出了一種簡單、靈敏、經濟的現場評估海產品中的生物毒素檢測方法。Xu等[33]通過調控pH,制備了金—銀兩面@金納米顆粒(Au-Ag Janus@AuNPs)SERS活性襯底,該襯底具有可調的空心納米結構,實現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的不斷完善使食品免受真菌等微生物污染有關。

2.3 農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襯底,樣品經預處理后快速檢測葉菜類蔬菜中噻蟲嗪殘留,檢出限可達1 mg/kg,在噻蟲嗪質量濃度為0.5～15.0 mg/kg時線性關系良好,回收率為90.7%～121.7%。此外,金/銀納米顆粒與乙酰膽堿酯酶[37]、細菌納米纖維素[38]和聚二甲基硅氧烷[39]結合制備柔性襯底,實現了不規則水果表面的有機磷和有機硫農藥殘留的高靈敏度痕量檢測,大大簡化了前處理步驟,為農藥殘留檢測提供了一種很有前景的思路。

抗生素被廣泛應用于水產養殖、畜牧生產、家禽生產和農業等行業,以提高經濟生產力?？股貧埩艚洺Ｔ诙喾N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積累,進而對人體器官造成損害,導致貧血和心血管疾病。Zhao等[40]構建了柔性均勻等離子體Au納米錐@Ag納米棒的全無機銫鹵化鉛(CsPbX3,X為Cl、Br、I)襯底(AuNBP@AgNR-CsPbX3),對食品基質中氯霉素、地西泮和孔雀石綠的定量、準確、多重檢測具有良好的靈敏度和高重現性。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技術與二維相關光譜法結合用于檢測雞肉中恩諾沙星殘留,相比于競爭性正自適應加權算法,該方法更能使復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合納米材料(Fe3O4@SiO2-GO)為SERS襯底,成功實現了飲用水中1.0 ng/L恩諾沙星和5.0 ng/L環丙沙星的加標檢出,回收率為77.5%～91.5%,滿足當前飲用水水質檢測的要求。SERS技術在農藥殘留和抗生素殘留檢測中取得了一定成效,柔性襯底展現出簡單便捷的優異特性,但其成本和穩定性問題仍制約著其大規模的實際應用。重復使用以降低成本、提高檢測的穩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、加工等過程中,有些商販貪圖利益,違反規定,將非法添加劑添加到食品中,嚴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了豬肉中齊帕特羅(瘦肉精)殘留的快速檢測,對不同加標濃度的實際樣品進行檢測,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、他達那非、硫代西地那非和乙酰伐地那非的最低檢出質量濃度分別為0.05,0.5,0.05,0.1 mg/L。該方法對模擬樣品的定性檢測結果與高效液相色譜—質譜法的一致。

2.5 其他方面的檢測應用

由于可實現實時無損檢測,且具有靈敏度和準確率高等優點,SERS技術被用于食品新鮮度[47]及其他影響食品安全物質的檢測中,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上,對SERS進行功能化的改性,可實現有害物質高靈敏度的痕量檢測,進一步保障食品安全。

表2 SERS技術在食品安全檢測領域其他方面的應用

3 結論與展望

表面增強拉曼光譜技術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,可實現現場實時無損檢測等優點,在食品安全檢測領域具有可觀的應用潛力。表面增強拉曼光譜襯底對增強被測物質分子的指紋信號,提高檢測分析的靈敏度、準確性和可重復性起著至關重要的作用。不同類型的表面增強拉曼光譜襯底呈現不同的特性,在應用中也具有一定的局限性。近年來,表面增強拉曼光譜技術在食品中的致病性微生物、農藥和抗生素殘留、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,表面增強拉曼光譜技術在食品安全檢測領域實現從實驗室研究到大規模商業應用還面臨諸多挑戰:① 對殘留物痕量分析中易受背景噪聲的干擾,難以保證檢測結果的穩定性和重復性;② 未能實現同時對多種有害物質的精準、可靠檢測;③ 高成本限制了其廣泛應用。因此,開發重復性好、穩定性強、均勻性高的襯底,同時,引入化學計量學去除干擾,以保證表面增強拉曼光譜信號的靈敏度和再現性是未來研究的一個重點。此外,加強對多種有害物質同時檢測方法的研究和開發,探索構建基于表面增強拉曼光譜技術的小型、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。