表面增強拉曼光譜在食品質量與安全檢測中的應用

馬春華

（武夷學院 茶與食品學院 ，福建 武夷山 354300）

民以食為天，食以安為先，安以質為本，食品質量與安全關系到廣大人民群眾的身體健康和生命安全。近年來，中國食品安全事件頻發(fā)，食品質量與安全引起廣泛關注。目前，一些常用的檢測技術，如高效液相色譜（HPLC）、氣相色譜（GC）、氣相色譜-質譜（GCMS）、電感耦合等離子體質譜（ICP-MS）等存在著操作比較繁瑣，樣品前處理過程復雜，消耗溶劑且費時等不足。與這些常用的技術方法相比，拉曼光譜技術能較好克服這些方法的一些缺點，具有響應特異性高、水溶液兼容性好、不需要復雜的樣品前處理和檢測快速[1]等優(yōu)點，拉曼光譜技術在食品成分與安全檢測方面的研究和應用，開始受到人們的廣泛關注[2-3]。

早在1928年，印度科學家C.V.Raman發(fā)現了拉曼散射效應[4]。拉曼光譜是一種散射光譜，通過與入射光頻率不同的散射光譜進行分析以得到分子振動、轉動方面信息，并應用于分子的結構研究。目前拉曼光譜現已成為一種比較成熟的光譜方法，并發(fā)展出現了多種不同的拉曼光譜方法，如傅里葉拉曼光譜 （FTRaman）、表面增強拉曼光譜（SERS）、激光共振拉曼光譜（RRS）和共焦顯微拉曼光譜（MCRS）等，本文主要綜述近幾年來SERS在食品質量安全檢測中的應用。

一、表面增強拉曼光譜

由于拉曼散射效應較弱，通常傳統(tǒng)的拉曼光譜信號不強，檢測靈敏度較低，SERS方法能夠有效地克服了這個弱點。SERS方法中，在金屬膠粒或粗糙金屬表面作用下，材料的拉曼截面可以增大107倍。1974年，Fleishmann等[5]人在對光滑銀電極表面進行粗糙化處理后，首次獲得了吸附在銀電極表面上單分子層吡啶分子的高質量拉曼光譜。隨后M.Grant Albrech[6]等發(fā)現在銀電極表面，吡啶的拉曼信號有顯著增強。比較常規(guī)的拉曼光譜方法，這種能夠體現分子固有特征的SERS方法、具有較高光譜的分辨率和較高的檢測靈敏度[7]。目前SERS技術在許多領域包括農業(yè)和食品、醫(yī)藥和生物和生物化學等開始得到應用。

自SERS現象發(fā)現以來，其增強機理一直是該領域中最基本的問題。目前，普遍認可的SERS機理大致可分為兩類：電磁效應和化學效應。電磁效應是由于金屬表面與激發(fā)光的相互作用使分析物電場強度增大的結果，其中較重要的效應是金屬表面等離激元的激發(fā)；化學效應是由于分析物與金屬波函數重疊而發(fā)生，與電磁效應相比，化學反應作用范圍較短，而且與分析物性質相關性較強[8]。

二、SERS基底的研究

分子所吸附基底的表面形態(tài)是SERS效應能否發(fā)生和SERS信號強弱的重要因素，SERS基底的制備一直是SERS領域的研究熱點。一種性能優(yōu)良的SERS基底應具備制備簡單、使用方便、增強因子高和重復性好等特點。SERS信號增大只發(fā)生在直接吸附在金屬表面上的物質，銀和金是最常使用的金屬材料[9]。對SERS的基底材料及其研究的發(fā)展趨勢，Dana Cialla[10]等進行了詳細的綜述（Fig.1）。一般對SERS基底的要求為：1.基底材料的金屬納米離子應該規(guī)則有序地排列。2.基底的制備具有可重復性。3.制備基底的批與批間拉曼信號增強具有一致性。4.基底性質能長期穩(wěn)定。5.金屬基底不易受環(huán)境影響。6.基底有比較大的增強系數。7.有很好的生物兼容性。8.容易制備，成本低。9.基底可以被檢測到拉曼信號。

三、SERS在食品質量與安全上的應用

由于SERS分析方法的快速、相對簡單的樣品前處理以及與水相兼容應用的特性，SERS技術在食品分析上的應用開始得到人們的關注，本文主要綜述SERS在以下兩個方面的應用。

3.1 食品質量和成份分析

Sang Kyu Kim等[11]用銀膠為基底，研究了芳香族氨基酸包括苯丙氨酸、酪氨酸和色氨酸及它們的氨基乙酰基二肽的SERS光譜，并和普通拉曼光譜做比較。研究結果顯示兩種光譜之間有很好的相關性，在930cm-1和1390 cm-1處，因為C-COO-和 COO-拉伸振動，拉曼信號強度有顯著的提高。Cheng等[12]用濾紙制備出高靈敏度的SERS底物-Ag納米粒子，并用以檢測水中酪氨酸含量，通過優(yōu)化檢測條件，其RSD小于8%，增強倍數在107左右，檢測限是625nM，限性范圍0-100μM。

西紅柿的干燥、加工和質量控制中，快速準確分析西紅柿主要營養(yǎng)成分對產品質量的判斷非常重要。R.Malekfar[13]等運用SERS的技術評估了西紅柿汁的質量參數。為避免樣品中類胡蘿卜素和熒光背景的干擾，測定前將樣品離心，并用銀膠增強的方法檢測出番茄中碳水化合物在738 cm-1、1333 cm-1和2930 cm-1處的三個峰，蛋白質的一個峰也能夠被檢出，SERS可以快速檢測碳水化合物和蛋白質。

茶葉是我們國家重要的經濟作物，可靠可信的茶葉品質鑒別和分析手段是當前茶葉研究的一個重要方向。利用SERS方法進行一些影響茶葉品質成分的快速測定，可以為茶葉品質的鑒定提供簡單和快速的手段。陳永堅等[14]以烏龍茶鐵觀音為代表，從增強拉曼信號能力、背景噪聲、光譜重復性和信噪比等方面研究探討鐵觀音茶葉的SERS光譜，并探討了不同活性基底和吸附時間對光譜測試的影響。結果表明以檸檬酸三鈉還原硝酸銀制得的銀溶膠為活性基底的增強效果最好，吸附時間對于鐵觀音茶葉光譜的測試沒有直觀的影響。

在利用SERS方法進行轉基因食物的檢測方面，Chen[15]等利用SERS方法檢測了蘇云金桿菌基因修飾的大米表達含殺蟲的蛋白，通過用金納米、硅聯(lián)合有目標DNA的寡核苷酸合成SERS條形納米傳感帶，可以檢測出正常大米中混有0.1%的轉基因大米，檢測限可達0.1 pg/mL。

3.2 有毒有害物質的檢測

烏洛托品，是一種重要的化工產品，可用作樹脂和塑料固化劑、橡膠硫化促進劑、紡織品防縮劑、食品防腐劑等，部分違法者將其摻入腐竹、粉絲、水產品等食品中，起到增白、保鮮、增加口感、防腐的效果，并可掩蓋食品的腐敗變質。劉春偉等[16]建立腐竹中烏洛托品的SERS分析方法。將樣品粉碎，經乙腈提取，正己烷除脂，鹽析后，用激光拉曼光譜儀進行測定。烏洛托品在0.050-1.000 mg/kg的范圍內線性關系良好，相關系數R2=0.9821，檢出限為0.050 mg/kg。馬君等[17]采用化學還原法制備的金溶膠作為SERS散射活性基底，對不同濃度的萘、菲、芘溶液樣品，進行了SERS檢測，最低檢測濃度分別為20、4和4 nmol/L。 特征峰強度與濃度呈線性關系，線性擬合相關系數均在0.985以上 ，三者混合溶液的光譜可清晰分辨出各自的特征峰。Chen等[18]用巰基乙烷磺酸鈉改性的銀納米粒子的SERS光譜，檢測水樣品中的Hg(Ⅱ)含量，線性范圍是0.01-2μmol/L，相關系數是0.996，檢測限可達0.0024μmol/L。在殺蟲劑的檢測方面，Tang[19]等用銀溶膠為SERS基底，以吡啶為內標，進行了水稻中三環(huán)唑的含量的檢測，方法的線性范圍為0.05-0.7 mg/L，最低檢測限為0.002 mg/L，相對標準偏差是3.36%-4.64%，重現性良好。

在奶制品中三聚氰胺檢測中，劉峰等[20]利用納米增敏SERS法，研發(fā)了便攜式三聚氰胺速檢儀，三聚氰胺的定量檢出限為0.5mg/kg。儀器應用用于原奶、消毒奶、酸奶和奶粉中三聚氰胺檢測，線性關系良好。樣品前處理步驟簡單，平均單樣檢測時間小于2 min，儀器檢測時間小于30 s，適用于現場快速分析。Wen等[21]使用銀鈉米適配體 (AgssDNA)SERS探針，進行了了三聚氰胺含量的檢測研究。通過AgssDNA探針和三聚氰胺結合，釋放銀鈉米顆粒，使SERS在240 cm-1增強，信號強度在一定范圍 (6.3-403.6μg/L)內與三聚氰胺濃度成正比。趙宇翔[22]等用SERS方法快速檢測牛奶中的三聚氰胺，三聚氰胺位于708 cm-1-714cm-1的拉曼光譜特征峰及其強度，對三聚氰胺進行定性及半定量的快速測定。檢測限為 2.0 mg/L，檢測時間從樣品制備到結果顯示一般只需10 min。Cheng等[23]以金納米為基底的SERS法，結合偏最小二乘法進行蛋品中三聚氰胺的快速檢測。在蛋白和蛋黃樣品溶液中，三聚氰胺含量在2.5-100 mg/kg和5.0-200 mg/kg范圍內與SERS信號強度有良好的線性關系，方法檢測限分別為1.1 mg/kg和2.1 mg/kg，整個檢測過程不超過30 min。SERS方法除了可應用于乳及乳制品中三聚氰胺含量速測外，還成功應用于橄欖油中摻假成分快速鑒別、養(yǎng)殖水中孔雀石綠快速檢測。顧振華等[24]使用便攜式拉曼光譜儀，對水產品養(yǎng)殖和運輸過程中水樣的孔雀石綠進行快速測定。利用孔雀石 綠 在 432-437cm-1，1166-1170cm-1， 和 1613-1617cm-1的拉曼光譜特征峰及其強度，對其進行定性及半定量的檢測，方法檢測限為5.0μg/L，樣品的整個檢測時間只需3 min，利用SERS方法實現了孔雀石綠的快速檢測。He等[25]通過自制的金納米基底，利用SERS檢測開展了食物樣品中的結晶紫和孔雀石綠的研究。所研制基底的放大因子可達到4×107，最低檢測濃度可達0.2μg/L，結果說明SERS方法可以快速、靈敏的測定食品中痕量污染物。SERS結合多變量分析的方法可用于檢測調味品中的蘇丹紅I，Di Anibal等[26]對比了普通拉曼、傅立葉轉換拉曼和SERS檢測蘇丹紅的結果，表明SERS更適合復雜基質的分析。為了去除背景和噪聲，他們采用了Savitzky-Golay平滑處理和多項基線校正，采用主成分分析的方法區(qū)分摻雜樣品和正常樣品。張宗綿等[27]研究活性硅加入量對所形成的Au@SiO2納米顆粒的SERS活性的影響，制備了具有最佳SERS活性的Au@SiO2核殼結構，并以此為SERS基底，建立了食品中的酸性橙II的分析方法。實現了對瓜子表面濃度為0.01 mg/g酸性橙 II的SERS檢測。

對具有生理活性物質如茶堿的SERS檢測，也有一些研究報道。Liu等[28]在銀鈉米粒子表面合成分子印跡物，利用SERS方法檢測茶堿含量。茶堿和識別位點重新連接的過程，能夠定量地通過拉曼信號準確測得，方法應用于綠茶樣品加標實驗。萊克多巴胺是一種人工合成的腎上腺受體激動劑，可增長肌肉，減少脂肪蓄積，正被作為一種新型瘦肉精被一些養(yǎng)豬場使用，中國和歐盟因為其殘留的健康風險，是禁止使用的。Zhai[29]等通過豬尿中萊克多巴胺含量的SERS檢測，并結合主成分分析和偏最小二乘對數據進行處理，使用液液萃取和液液萃取-固相萃取方法解決了離心方法的不足，檢測方法的檢出限為0.8和0.4μg/L。 翟福麗[30]等用SERS結合化學計量學的方法檢測豬尿中的β-興奮劑，包括克倫特羅、舒喘靈和萊克多巴胺，克倫特羅、舒喘靈等物質，方法的最低檢測限為2μg/L，萊克多巴胺的檢測限為0.1 mg/L，真實值和預測值的R2范圍是0.9134-0.9368。

3.3 其他

除了在食品質量、成份、有毒有害物質方面的應用，SERS檢測方法還可以應用于檢測食物中的病原菌。Ravindranath等[31]利用拉曼和紫外-可見光譜法同時檢測三種病原菌：沙門氏菌、金黃色葡萄球菌和埃希氏桿菌屬O157：H7，Au、Ag和 Ag-Au殼分別修飾功能化的沙門氏菌、金黃色葡萄球菌、埃希氏桿菌屬O157：H7抗體，并且標明拉曼報道分子，檢測時間小于45min，檢測范圍為102-103CFU/ml。

四、結語

SERS技術具有操作簡便、無需消耗化學試劑、靈敏度高等特點，可用于物質結構分析和含量分析，目前利用SERS方法進行食品質量和安全檢測的應用，已有不少成功的事例，這方面的研究和應用也開始越來越受到人們的關注。在SERS應用中，改方法仍受一些因素的限制：SERS基底對不同材料的吸附性能不同，定量分析結果尚不盡人意；基底的重現性和穩(wěn)定性控制的難度較大；檢測對象通常需要含有芳環(huán)、雜環(huán)、氮原子硝基、氨基、羰基或磷和硫原子，這使得檢測對象受到一定的限制。目前，SERS應用于食品分析還處于起步階段，上述問題的解決，SERS在食品質量與安全的檢測中的應用將得到快速的發(fā)展。

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