表面增強拉曼光譜在農(nóng)藥檢測方面的進展

許澤群，梁潔儀，蔡大川,李維嘉

( 中國廣州分析測試中心，廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510070 )

表面增強拉曼光譜在農(nóng)藥檢測方面的進展

許澤群*，梁潔儀，蔡大川,李維嘉

( 中國廣州分析測試中心，廣東省化學(xué)危害應(yīng)急檢測技術(shù)重點實驗室，廣東 廣州 510070 )

農(nóng)藥在現(xiàn)代農(nóng)業(yè)生產(chǎn)實踐中是必不可少的，農(nóng)藥的檢測對于調(diào)控和監(jiān)測環(huán)境中的農(nóng)藥農(nóng)藥含量是非常關(guān)鍵的一步。表面增強拉曼光譜技術(shù)(SERS)在農(nóng)藥檢測方面具有很多優(yōu)勢，例如高靈敏度、簡單的操作、原位取樣、成本低等。本文中從如何提高SERS靈敏度、可重復(fù)性、選擇性以及便攜性等幾個方面來介紹其在檢測農(nóng)藥方面的進展。最后展望了SERS用于農(nóng)藥檢測的未來趨勢和應(yīng)用前景。

農(nóng)藥; 檢測; 表面增強拉曼光譜

1 引言

農(nóng)藥是旨在防止，破壞或驅(qū)除害蟲的單一物質(zhì)或混合物。由于在作物生長、收獲或儲存期間，害蟲和疾病能夠減少高達三分之一的作物產(chǎn)量，因此農(nóng)藥對于現(xiàn)代農(nóng)業(yè)實踐是必不可少的。農(nóng)藥在商業(yè)農(nóng)業(yè)中的使用能夠促進農(nóng)業(yè)生產(chǎn)力的提高[1]。根據(jù)環(huán)保局的報告，農(nóng)藥市場份額

在2006年產(chǎn)量為358億美元，在2007年的超過394億美元[2]。大多數(shù)化學(xué)農(nóng)藥對害蟲具有毒性，它們的毒性本身對人類，野生動物和環(huán)境也構(gòu)成了一定風(fēng)險。大多數(shù)農(nóng)藥的急性毒性數(shù)據(jù)都有詳細記錄。另外，由于農(nóng)藥的慢性毒性數(shù)據(jù)比較難獲得，這已經(jīng)引起了公眾關(guān)注。為了監(jiān)測在自然界中積累的農(nóng)藥和代謝物的量，需要對廣泛的樣品類型進行常規(guī)測試，包括作物，環(huán)境(例如土壤，水，空氣)，食品，飲料，生物(例如血液)。

20世紀(jì)以來， 基于色譜的各種技術(shù)例如氣相色譜技術(shù)(GC)、氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)(GC-MS)、高壓液相色譜技術(shù)(HPLC)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù) (LC-MS)、薄層色譜技術(shù)(TLC)等[3-6], 已經(jīng)被用來檢測化學(xué)農(nóng)藥，這些方法雖然能夠提供很高的靈敏度和重復(fù)性, 但需要經(jīng)過復(fù)雜的樣品處理，而且具有檢測時間長、檢測結(jié)果滯后、檢測成本高等缺陷, 不適于現(xiàn)場檢測。盡管這些技術(shù)在不斷改進，但研究快速、可靠、低成本且高效的技術(shù)對農(nóng)藥檢測的發(fā)展具有重要的意義。

2 表面增強拉曼光譜技術(shù)(SERS)的研究

表面增強拉曼光譜技術(shù)(SERS)是基于拉曼光譜和納米技術(shù)的一種檢測技術(shù)，其主要作用在于探測分子間相互作用、表征表面分子吸附行為和分子結(jié)構(gòu)。由于SERS 信號比增強前拉曼光譜信號高 106 倍, 所以具有高探測靈敏度、高分辨率、水干擾小、可猝滅熒光、穩(wěn)定性好等優(yōu)點, 在檢測方面具有很大的應(yīng)用潛力。SERS技術(shù)目前已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于食品化學(xué)品、環(huán)境污染物、生物大分子以及癌癥診斷試劑的檢測[7-8]。 最早運用SERS來檢測農(nóng)藥的報道在1987年，在那之后涌現(xiàn)出了非常多關(guān)于SERS檢測農(nóng)藥的報道[9]。本文將從提高SERS靈敏度、可重復(fù)性、選擇性以及便攜性等幾個方面來介紹其在檢測農(nóng)藥方面的進展。我們還將討論SERS用于農(nóng)藥檢測的未來趨勢和應(yīng)用。

2.1 靈敏度

檢測限是衡量SERS檢測農(nóng)藥靈敏度的主要標(biāo)志，SERS的檢測限主要取決于底物的類型以及農(nóng)藥的分子結(jié)構(gòu)。從底物的方面來說，SERS檢測的靈敏度取決于底物上"熱點"的變化，因為研究表明這些熱點由于局域表面等離子體共振(LSPR)能夠產(chǎn)生強烈的局域場增強[10]。因此，通過增加熱點的數(shù)量、強度以及位置可以來降低農(nóng)藥的檢測限。銀或金納米顆粒(Ag NP、Au NP)被廣泛用作SERS的底物，通過添加鹽(氯化鈉)可以增加熱點的數(shù)量，從而增強SERS的峰強度。另外，改變納米顆粒的形狀和大小也可以增加局域電磁場的強度以及農(nóng)藥與熱點接觸的可能性。類似于花或者葉子形狀的納米顆粒已經(jīng)被用來增強SERS的信號[11-12]。

從農(nóng)藥的角度來說，SERS對不同農(nóng)藥的靈敏度都會不同，因為其獨特的，內(nèi)在的分子振動，農(nóng)藥分子和底物之間的相互作用，以及當(dāng)與底物絡(luò)合時農(nóng)藥的相容性。對于固有振動，具有共軛雙鍵體系和對稱振動模式的分子比其他分子更具活性。因此，某些農(nóng)藥如結(jié)晶紫和孔雀石綠作為用于評估SERS基質(zhì)的農(nóng)藥靶標(biāo)更受歡迎[13]。具有能夠強烈結(jié)合Au和Ag底物的某些官能團(例如硫醇，胺)的農(nóng)藥也是良好的靶。例如，ferbam，thiram，thiabendazole和phosmet已經(jīng)用于基質(zhì)評估[14]。從相容性的角度來說，如果靶標(biāo)與底物的親和力太弱，SERS檢測的靈敏度也會顯著降低。例如，由于表面化學(xué)的不相容性，諸如多環(huán)芳烴(PAH)和多氯聯(lián)苯(PCB)的疏水性分子將不能很好地吸附在檸檬酸鹽穩(wěn)定的Au或Ag膠體上[15]。因此，已經(jīng)嘗試通過改變基底表面來克服這種限制。在疏水分子檢測的情況下，膠體疏水膜已被放置到固定在硅烷化石英基板上的Au NP上以檢測PAH[15]。Kubackova等人使用用幾種烷基二硫醇修飾的SERS基質(zhì)以增加這些脂溶性殺蟲劑的親和力并且檢測到四種有機氯農(nóng)藥(即Aldrin，狄氏劑，林丹和α-硫丹)[16]。 由于這些農(nóng)藥對表面改性的SERS底物具有較高的選擇性，并且由硫醇基團誘導(dǎo)的顆粒間連接產(chǎn)生更多的"熱點"，檢測限能夠達到10-8M。鄭等人[17]使用含有油酸鹽的凝膠反應(yīng)系統(tǒng)以避免Fe3O4@Ag微球的聚集并同時修飾合成的Ag NP，從而提高SERS基底的靈敏度。石墨烯、蛋白質(zhì)以及DNA片段也被用來與底物結(jié)合從而改變表面化學(xué)增強SERS的靈敏度，但這些技術(shù)在復(fù)雜基質(zhì)中的使用仍在研究當(dāng)中。

2.2 可重復(fù)性

盡管SERS作為超靈敏檢測工具具有巨大的優(yōu)勢，SERS研究中需要解決的主要限制之一是結(jié)果的重現(xiàn)性，特別是關(guān)于峰強度方面。因此，定量研究對于SERS是很大的挑戰(zhàn)，不僅在農(nóng)藥檢測領(lǐng)域，而且在所有種類的SERS應(yīng)用中。數(shù)據(jù)變化的起源主要來自產(chǎn)生和控制熱點的基底和樣品制備。傳統(tǒng)膠體SERS基材的熱點高度依賴于它們的聚集，與有序的納米結(jié)構(gòu)相比，盡管它們具有廣泛的商業(yè)可用性和相對低的成本，但通常因難以控制聚合從而產(chǎn)生更大的信號變化。因此，檢測點的選擇不能完全盲目。 通過拉曼顯微鏡，我們能夠選擇基板上的某些區(qū)域使信號浮動最小化。核-殼基膠體納米顆粒顯著改善了SERS的信號變化，因為它們的熱點不是由聚集決定[18]。一些研究已經(jīng)顯示可以控制納米顆粒的均勻性包括將膠體并入溶膠-凝膠和與微流體裝置的整[19]。

對再現(xiàn)性的限制的一個原因是每個研究者經(jīng)常使用不同的拉曼儀器系統(tǒng)并且采用各種可能的配置。例如，使用金膠體作為其SERS基底的4篇參考文獻[20-23]使用完全不同的拉曼儀器。除了硬件差異(即LabRAM ARAMIS拉曼，拉曼站400F，雷尼紹RM1000拉曼，DXR拉曼)，它們的激光波長(即633, 780, 785nm)，激光功率(即0.325, 5, 20, 250 mW)，集聚時間(即2, 5, 10, 15s)和光譜分辨率(1, 5cm-1)。缺乏對農(nóng)藥的SERS檢測的標(biāo)準(zhǔn)化使得將一個實驗室的結(jié)果與另一個實驗室的結(jié)果進行比較具有挑戰(zhàn)性。

2.3 選擇性

當(dāng)樣品中存在多種農(nóng)藥時，SERS同時有選擇的檢測混合物中每種農(nóng)藥是一個很大的挑戰(zhàn)，即使基質(zhì)只是水或有機溶劑。理論上來講，可以認為SERS應(yīng)該能夠從樣品混合物中檢測多種農(nóng)藥，只要每種農(nóng)藥產(chǎn)生不同的SERS峰。特別是當(dāng)使用先進的化學(xué)基質(zhì)時，分離和檢測多個農(nóng)藥峰是可能的。然而，實際上，SERS每次檢測還是要少于5種農(nóng)藥[24]。這可能是因為當(dāng)存在多種分析物時，對SERS底物的競爭性吸附發(fā)生。換句話說，對底物具有較高結(jié)合親和力的目標(biāo)化合物在底物上具有較大的表面覆蓋吸附，因此樣品基質(zhì)中存在的目標(biāo)化合物的濃度比率不與所產(chǎn)生的SERS峰強度成正比。在某些情況下，農(nóng)藥可能甚至不會產(chǎn)生顯著的峰值，因為存在另一種對底物具有更高親和力的化合物。預(yù)分離單個農(nóng)藥或預(yù)處理以減少單個SERS測試的農(nóng)藥數(shù)量可以解決這個問題，但這將不可避免地增加分析時間和復(fù)雜性[25]。

2.4 便攜性

SERS開發(fā)的一個受歡迎的方面在于它具有現(xiàn)場檢測的潛力，與GC / LC-MS方法相比，這是一個巨大的優(yōu)勢。在農(nóng)藥檢測應(yīng)用中，通過現(xiàn)場檢測來快速篩選和監(jiān)測環(huán)境、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和工業(yè)加工中的農(nóng)藥是非常必要的。為了具有便攜式檢測系統(tǒng)，它必須快速，輕便，易于使用和小型化。

手持式拉曼光譜儀的小型化和商業(yè)化使得便攜式SERS檢測成為現(xiàn)實。然而，與儀器一樣重要的是開發(fā)合適的底物。對于便攜式應(yīng)用，由于需要將納米顆粒沉積在固體表面上并且濃縮/聚集基底所需的附加步驟，所以傳統(tǒng)的膠體基基底可能不能很好地工作。因此，固體SERS基底更適合于需要可移植性的檢測。另一種方法是開發(fā)基于紙的或基于纖維的SERS傳感器[26-27]。例如，一個研究將SERS活性納米顆粒印刷到濾紙上，然后可以在便攜式設(shè)置中使用高通量分析來篩選許多樣品[28]。這些底物不僅具有成本效益，而且能夠以小于10%的點間差異顯示出可重現(xiàn)的結(jié)果。在另一項研究中，在光纖水龍頭上制備了模板引導(dǎo)的Au納米顆粒的自組裝成均勻團簇的有序陣列[29]。這些SERS使光纖顯示出高性能的SERS，如通過使用結(jié)晶紫所證明的。這種批量方法可以為低成本，高效的SERS襯底鋪平道路。目前仍需要繼續(xù)研究以檢查底物的穩(wěn)定性并將其用于更廣泛的目標(biāo)分析物。

3 總結(jié)與展望

SERS作為一種多功能的檢測工具，已發(fā)展成為具有高度潛能的快速檢測技術(shù)。 為了將分析技術(shù)應(yīng)用于實際和常規(guī)應(yīng)用，重要的是得到相關(guān)組織如AOAC國際的接受和批準(zhǔn)。雖然有數(shù)千種不同的SERS基板，但它們的性能測試通常在不同的目標(biāo)上進行，因此，難以比較不同基底之間的性能。此外，實驗方法和拉曼儀器/規(guī)格如激光功率，孔徑尺寸和使用的積分時間取決于研究者的選擇，因為沒有標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議。因此，研究實驗室使用SERS進行標(biāo)準(zhǔn)農(nóng)藥檢測分析的指示很少。

SERS本身具有快速，痕量水平檢測污染物(例如農(nóng)藥)的許多優(yōu)點。然而，與任何分析技術(shù)一樣，使用一種技術(shù)進行檢測測定存在局限性。為了克服這些限制，與其他有用技術(shù)的整合可以帶來額外的優(yōu)勢，例如結(jié)果驗證，更好的提取程序和檢測的自動化。通過更多這些類型的集成研究，SERS的優(yōu)勢將反映在更多的研究中，并可能擴展到更廣泛的應(yīng)用。儀器的顯著進步也非常重要，以便將SERS作為一種常規(guī)的和具有成本效益的分析技術(shù)。

使用SERS檢測農(nóng)藥的另一個新趨勢是分析已經(jīng)內(nèi)化或滲透到活組織細胞中的農(nóng)藥的能力。系統(tǒng)性農(nóng)藥能夠滲透到植物組織中并從應(yīng)用部位轉(zhuǎn)移到植物的其他部分。 在所有原位SERS研究和許多應(yīng)用簡單提取程序的SERS研究中，它們的應(yīng)用僅限于表面上的農(nóng)藥。因此，需要更多的研究來檢測內(nèi)化農(nóng)藥。為了觀察微量水平的殺蟲劑隨時間的內(nèi)在化，可以通過添加對所關(guān)注的農(nóng)藥具有強吸附親和力的可穿透納米顆粒來進行SERS。結(jié)合共焦拉曼顯微鏡可以在植物組織內(nèi)逐層掃描，能夠研究內(nèi)化農(nóng)藥的穿透深度和位置。

通過調(diào)查使用SERS分析農(nóng)藥殘留的可能性，它不僅為內(nèi)部農(nóng)藥的原位檢測打開了大門，而且為了解農(nóng)藥行為及其命運的機制打開了大門。了解農(nóng)藥滲透行為和命運將幫助我們制定更好的戰(zhàn)略，以安全，有效地應(yīng)用農(nóng)藥。

總體而言，SERS對廣泛農(nóng)藥檢測具有很高的靈敏度，這也促進了其在快速分析檢測農(nóng)藥方面的應(yīng)用。SERS作為農(nóng)藥檢測工具的擴展也開始成為現(xiàn)實，因為更具成本效益的底物的商業(yè)化已變得更常見。此外，通過整合其他分析技術(shù)來擴大SERS的使用范圍，拓寬了其使用范圍。最后，新的研究領(lǐng)域，如原位植物中間化農(nóng)藥的分析準(zhǔn)備擴大SERS的普及。

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(本文文獻格式：許澤群，梁潔儀，蔡大川,等.表面增強拉曼光譜在農(nóng)藥檢測方面的進展[J].山東化工，2017，46(12)：75-77，81.)

Recent Development of Surface Enhanced RamanSpectroscopic for Detection of Pesticides

XuZequn,LiangJieyi,CaiDachuan,LiWeijia

(Guangdong Provincial Key Laboratory of Emergency Test for Dangerous Chemicals,China National Analytical Center(Guangzhou), Guangzhou 510070,China)

Pesticides play a critical role in morden agricultural practices, the detection of pesticides is very important for regulating and controlling the levels of pesticides in the environment. Surface enhanced Raman spectroscopic (SERS) provides a lot advantages for the detection of pesticides such as ultrasensitive detection, simple protocols, in situ sampling and low cost. In this review, a comprehensive report of recent advances in terms of SERS sensitivity, reproducibility, selectivity and portability. Promising future trends and applications of SERS fir the detection of pesticides are also discussed.

pesticides;detection;surface enhanced Raman spectroscopic

2017-04-01

廣東省科技計劃項目(2013B091604003)，廣東省科技計劃項目(2015B090906023)，廣東省科技計劃項目(2013B020501005)

許澤群(1990—)，廣東汕頭人，本科，助理工程師，中國廣州分析測試中心。

S481.8

A

1008-021X(2017)12-0075-03