表面增強拉曼光譜法在農藥殘留檢測中的研究進展

歐陽思怡 葉 冰 劉燕德

（1.華中農業大學楚天學院，湖北 武漢 430205；2.華東交通大學光機電技術及應用研究所，江西 南昌 330013）

隨著經濟的發展和生活水平的提高，人們對食品安全性的要求也越來越高。食品污染的來源很多，農藥濫用和人工合成添加劑濫用引起的污染是其主要的兩個來源［1］。雖然農藥是現代農業生產中不可或缺的生產資料，在大大提高農作物產量的同時，對環境和人類的生命安全也造成了威脅［2］。而且很多生產者只注重農藥劇毒的藥效，甚至使用國家明令禁止的高毒高殘留農藥，導致農產品農藥殘留超標。而且某些農藥的性質穩定、殘留期長，一旦造成污染很難消除［3］。因此，對食品中的農藥殘留量的快速、靈敏、方便的檢測變得越來越重要［4］。

農藥殘留是指在農藥使用后一個時期內，沒有被分解而殘留于生物體、收獲物及環境中有毒代謝物、微量農藥原體、降解物等的總稱［5］。目前，中國普遍采用的農藥殘留檢測的方法主要是氣相色譜法［6］、高效液相色譜法［7］、酶 抑制法［8］等。近年來，也有超臨界流體色譜［9］、化學分析法［10］、生物傳感器［11］及免疫分析技術［12］等相關報道。這些檢測方法操作步驟繁瑣，檢測前需要制備樣品，樣品從制備到檢測所需時間較長，還需消耗化學藥品［13］。用拉曼光譜法檢測農藥操作簡便，但是其測量濃度的范圍有限，限制了它的發展與應用。表面增強拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）效應的發現，大大增強了拉曼散射信號的強度，為拉曼光譜技術對農藥殘留的檢測指出了一個新的方向。

1 拉曼與表面增強拉曼光譜

印度物理學家拉曼（Raman）在1928年發現了光的非彈性散射效應拉曼散射，單色光照射在分子表面會發生散射，小部分散射光因為會跟分子發生能量交換，光譜的波長會發生改變，這種光譜就是拉曼光譜。光譜中出現的尖銳的峰，表征了化學物質的分子結構特性，具有定性分析和區分相似物質的功能，從而被用作識別鑒定未知化學物的有效方法［14］。常規Raman散射截面分別只有紅外和熒光過程的10－6和10－14［15］，這種內在低靈敏度的缺陷曾制約了Raman光譜應用于痕量檢測。為了增強所分析式樣的拉曼效應，人們設計和實施了表面增強拉曼光譜技術，使其檢測限提高了4至10個數量級［16］，在痕量化學物質快速檢測方面和物質分子結構分析方面顯示出越來越巨大的潛力。

1974年，Fleischmann等［17］對平滑銀表面加以粗糙化處理后，將吡啶分子吸附在粗糙銀電極表面上，獲得吸附在銀電極表面上的吡啶分子的高質量拉曼光譜。與溶液相中的同數量的吡啶的拉曼散射信號相比，粗糙銀表面上的吡啶的拉曼散射信號增加了約100萬倍，這種現象使激光拉曼光譜分析的信噪比大大提高，被稱為表面增強拉曼散射。SERS效應的發現有效地解決了Raman光譜在表面科學和痕量分析中存在的低靈敏度問題。

1.1 SERS增強機理

雖然SERS效應從發現到現在已經有幾十年的歷史，而且進行了大量的試驗研究［18］，建立了各種理論模型，但是對SERS理論的研究一直相對滯后。這主要是因為具有SERS效應的體系非常復雜，體系表面形貌和表面電子結構、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境、入射光的強度、頻率、偏振度和偏振方向等因素對SERS譜圖的影響均比較復雜。SERS體系的這些復雜性導致了人們對SERS效應還沒有一個統一而精確的認識。目前的研究認為電磁場增強（EM）和化學增強（CT）為 SERS機理主要的兩種方式［19，20］，其中電磁增強是由于金屬表面與激發光的相互作用使分析物電場強度增大的結果。化學增強是由于分析物與金屬波函數重疊而發生，只有近距離的吸附分子和基底之間才出現化學增強效果。

1.2 SERS活性基底

為了得到SERS信號，必須要制備活性基底，并且SERS活性與表面納米結構的粒子尺寸、形狀和排列密切有關。金屬表面存在一定宏觀或微觀的粗糙度，才能顯示出SERS效應。單分子SERS是首先在Ag和Au納米粒子上發現的［21］，進而通過大量的研究［22］，在吡啶獲得了 Au、Ag、Cu 3種貴金屬的SERS信號。在實際應用中，只有Au、Ag、Cu這3種金屬能使拉曼的信號增強106倍，這在一定程度上限制了SERS的應用。近年來相繼在Li、Na、Ni、K、Cd、Hg、Pt、Al、Zn等金屬上也發現有SERS效應，并且對TcO2、NiO以及高聚物上的表面增強效應也有一些報道。

目前使用的活性基底有金屬電極活性基底、金屬溶膠活性基底和針尖增強拉曼活性基底等。金屬電極活性基底的制備是通過對Au、Ag、Cu等金屬電極做表面粗糙化處理，使電極表面的凸起產生10～100mm范圍內的粗糙化［23］。貴金屬膠體是目前表面增強活性基底中使用最廣泛的一類，其制備也比較簡單，金膠和銀膠是最常使用的兩種膠體，膠體粒子可以為SERS研究快速提供較為準確、豐富的信息。針尖增強拉曼技術是近些年來發展的新技術，利用不同的掃描探針顯微技術（SPM）和拉曼光譜聯用，獲得較高的空間分辨率和高的檢測靈敏度，理論上可增強109倍，試驗報道［24］中增強已達到106倍。

2 SERS在農藥殘留檢測中的應用

雖然農藥在農作物病蟲害的綜合防治中起著不可替代的作用，為農作物的增收提供了重要保證，但是，農藥的連年使用，必定會造成河流、土壤、環境的污染，從而引起食物中農藥的殘留。殘留的農藥具有一定的毒性，是一種嚴重的化學危害，對人體健康造成潛在或直接的危害。農藥分子的結構不同，其分子的振動光譜也不同，因此運用拉曼光譜技術檢測農藥殘留的方法是可行的。拉曼光譜操作簡單，但其測量的農藥濃度范圍有限。拉曼散射效應都只有弱信號，這是拉曼散射本身固有的特性。為了增強所分析試樣的拉曼效應，滿足某些分析的特殊需要，人們使用了各種各樣的拉曼光譜技術，其中表面增強拉曼光譜是最受關注的技術之一。拉曼散射光譜的靈敏度雖然很高，但是散射截面很小，在粗糙金屬表面或者金屬膠粒的作用下，可能把某些材料的拉曼橫截面積增大至107倍，并且只有在金屬表面上吸附物質才有增大的效果，這種效應稱為表面增強拉曼散射。常用的具有表面拉曼增強效應的金屬有Au、Ag、Cu，且它們的增強效果依次為Ag＞Au＞Cu。SERS可以與其它技術聯用，與共振拉曼光譜增強聯用，最大增強因子可達1014～1015。

2.1 國外研究現狀

國外應用拉曼光譜技術在糧食、水果、蔬菜農藥檢測中取得了一定的進展。Shende等［25］通過使用表面增強拉曼光譜法檢測到食品中的農藥殘留，其檢測限達到10－6。Shende等［26］采用表面增強拉曼光譜方法，分析了水果上農藥殘留成分。Lee等［27］采用共聚焦表面增強拉曼光譜，對甲基對硫磷殺蟲劑進行定量檢測，檢測限達到10－7。Guerrini等［28］利用納米銀雙吖啶黃嘌呤二陽離子光澤精硫丹能形成很強的SERS信號，成功地在納米銀顆粒與有機氯農藥硫丹之間組裝雙吖啶黃嘌呤二陽離子光澤精。Jitraporn等［29］用金銀合金納米粒子的表面增強處理方法，用表面增強拉曼光譜技術檢測地蟲磷農藥殘留，可以檢測到濃度為10mg／L的農藥，展示了一個潛在分析地蟲磷殘留的技術。

2.2 中國國內研究現狀

雖然中國拉曼光譜技術應用在食品檢測方面起步較晚，但在食品安全方面也取得了一定的進展。在農藥檢測方面，除了色譜法以外，紅外光譜法和拉曼光譜技術的發展也越來越快。朱春艷等［30］利用傅里葉變換紅外光譜（FTIR／ATR）檢測蔬菜有機磷農藥，其原理是通過激光照射獲得入射光的干涉圖，并通過數學算法（傅立葉變換）把干涉圖轉換為紅外光譜圖，找出有機磷農藥的特征峰，以確定其農藥成分。李文秀等［31］利用紅外光譜法（IR）對蔬菜汁溶劑中的敵敵畏和敵百蟲高殘農藥進行了研究，結果表明，在中紅外波段，蔬菜葉的色素幾乎沒有吸收，檢出限為0.015mg，應用紅外光譜技術可以直接對蔬菜上的農藥殘留進行檢測。張國文等［32］運用同步熒光法研究了西維因、蠅毒磷的熒光行為，西維因和蠅毒磷的線性范圍分別為0.016～0.384，0.016～0.320g／mL，其檢出限分別為0.015，0.010g／mL。吉芳英等［33］以金／銀核殼粒子為基底，獲得了不同濃度及其酸堿條件下氧化樂果的表面增強拉曼散射（SERS）光譜，考察了其分子在該基底表面的吸附狀態及其酸堿影響，推測了氧化樂果的SERS機理，為研究有機磷農藥的形態變化提供了參考。Tang等［34］以銀溶膠為基底，通過表面增強拉曼光譜技術識別和分析由三環唑，百草枯和氟硅唑混合的農藥，其中三環唑的濃度為0.01mg／L，百草枯的濃度為0.1mg／L，氟硅唑的濃度為2.85mg／L。

3 SERS關鍵技術或問題

表面增強拉曼光譜使分子光譜的信號大大增強，而且還能提供分子的結構信息。雖然SERS要求試樣與基底相接觸，失去了拉曼光譜技術非侵入和不接觸分析的基本優點，而且SERS基底對不同材料的吸附性能不同，不利于定量分析。此外，基底的重現性和穩定性也難以控制。但是隨著對SERS原理的深入了解，材料學、納米技術的發展，激光器的穩定性和探測器的靈敏度的提高，表面增強拉曼基底的重現性和穩定性將會大大的提高，光譜采集的準確度也會有很大提高，再結合化學計量法可以大幅提高表面增強拉曼光譜的定量分析能力。利用SERS有較高的檢測靈敏度的優勢，可以與其它分離技術聯用，進一步拓寬SERS應用范圍。表面增強拉曼技術與氣相色譜（GC）聯用，作為GC的一種檢測器［35］，在分析吡啶類化合物中取得不錯的效果。

4 總結

表面增強拉曼光譜技術能夠快速分析分子的結構信息，而且其強大的增強信號能夠大大提高物質的檢測限。隨著納米科學的發展和材料技術的進一步提高，表面增強拉曼光譜技術的應用會越來越廣泛。通過SRES可以研究農藥環境中存在形態及其轉化規律，有助于系統地探討農藥在環境中的最終歸宿，因此SERS是一個很有前途的研究方向。

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