表面增強拉曼光譜技術在食品快速檢測中的應用

宋移歡 ，孫曉紅，謝鋒 *

1. 貴州醫科大學公共衛生學院（貴陽 550025）；2. 貴州省分析測試研究院（貴陽 550002）

越來越多的食品安全問題曝光在公眾的視野中，對人類健康構成巨大危害。食品污染物進入食品中，會造成重大健康恐慌和經濟后果。常規實驗室檢測方法如高效液相色譜法、液相-質譜聯用法、氣相色譜法、氣相-質譜聯用法，樣品前處理周期長、操作復雜、耗時費力、費用高、對儀器設備要求較高、需要專業人士操作等，一旦發生食品安全事件，不適用于現場監督檢查，因此食品的快速檢測方法成為迫切需要。

表面增強拉曼光譜技術（SERS）利用納米尺度的金、銀、銅等金屬的粗糙表面或顆粒體系所具有的光學增強效應使吸附在該材料表面或附近的分子拉曼信號大幅提高，得到分子的振動模式及化學信息，從而實現對低濃度分析物進行高靈敏度的結構檢測，檢測速度快而準確，操作簡便，在成分分析中可實現在線原位無損檢測。特別是便攜式手持式拉曼光譜儀，具有很大的潛力，是一種較實用的分析工具，在環境檢測、司法鑒定、材料科學、生物醫學、考古學、食品科學等領域都發揮著巨大應用價值。便攜式表面增強拉曼光譜儀在食品分析與檢測中應用較為廣泛[1]。表面增強拉曼光譜作為一種新型的快速檢測技術，具有信息含量豐富、靈敏度高、快速簡單、可無損檢測等優點，在食品現場快速篩查和常規監測方面，結合便攜式拉曼光譜儀能夠立刻趕赴現場進行篩查檢測，無需等待樣品送檢，從而大幅減少抽樣時間，有效防止樣品發生變質，導致試驗結果不準確。因此，為了滿足日益增多的現場檢測需求，保障各環節食品安全，表面增強拉曼光譜技術具有重大的現實意義。對表面增強拉曼光譜技術在食品快速檢測中的應用研究進展進行綜述。

1 SERS檢測食品中的農藥殘留

農藥是保護農作物和生產人口所需糧食的關鍵成分。目前所使用的農藥大致可分為有機氯、有機磷、氨基甲酸酯和擬除蟲菊酯四大類。然而，這些農藥一旦過量使用，進入糧食、蔬菜、水果中，容易造成食物污染，危害人體健康。對于廣泛存在的農藥殘留問題，傳統實驗室大型色譜儀器設備檢測方法已然不能滿足。SERS由于檢測快速、特異性好等優點，在農藥殘留檢測中能夠達到很好的檢測目的和效果。對食品樣品的研究主要集中在蔬菜水果上，因為這些樣品基質簡單，前處理方便甚至不用處理，對儀器的干擾較小。其中，對于增強基底的使用也在不斷創新與發展。一般以金、銀等貴金屬納米顆粒為主。吳燕等[2]制備金納米粒子并使用便攜式拉曼光譜儀采集葉菜中農藥殘留亞胺硫磷、福美雙和啶蟲脒的SERS光譜，檢測限分別為0.5 mg/kg以下，0.5 mg/kg以下以及1 mg/kg以下，不僅所用時間少，而且結果可靠。另外運用SERS技術與化學計量學結合的方法[3-4]，能夠很好地實現對果蔬中農藥殘留的檢測，其檢測限遠低于國家標準要求（5 mg/kg）[5]。近年來研究者們將增強基底制成傳感器形式，使得檢測效率更高。Wu等[6]利用基于雙錐體金納米粒子（BP-AuNPs）的膠帶傳感器，對黃瓜、番茄和蘋果表面的甲基對硫磷進行SERS檢測，其檢測限可達到ng/cm2水平。任何表面（如水果和蔬菜）上的檢測分子可通過這種簡單的商業膠帶“粘貼和剝離”方法收集，在膠帶上加入BP-AuNPs膠體后進行SERS檢測，這種傳感平臺為檢測水果和蔬菜表皮上的農藥開辟新途徑。對保障農業、食品和環境安全具有重要的應用前景。表明SERS為食品中農藥殘留的檢測提供一種快速、靈敏的方法。Kang等[7]采用電化學沉積方法制備樹枝狀金納米結構改性碳纖維針狀（AuCFNs）SERS基片，成功分離和檢測甘藍上的乙胺嘧啶農藥，檢出限為0.05 μg/mL。在樹枝狀納米結構上獲得大量的金凸起，并有大量熱點來增強局部表面等離子體共振，大幅提高SERS測定的靈敏度，而且該基片具有可重復使用性、易于制造和尺寸極小等特點，尤其適用于樣品稀少或非常小或不在表面的試驗，不僅在混合物分析中，而且在微觀基質檢測中顯示出良好的應用潛力。除了較常規的SERS硬性基板用于農藥殘留的檢測，近2年有研究者開發柔性SERS基板，Chen等[8]新開發一種以銀納米粒子（AgNPs）修飾的納米纖維素凝膠狀柔性基板，由于納米纖維素具有良好的分散性和較大的比表面積，可以負載豐富的AgNPs，保證底物良好的靈敏度和均勻性，防止納米粒子的聚集，從而使得對蘋果皮和卷心菜上的兩類農藥進行原位SERS檢測取得良好效果。Shi等[9]采用簡便的磁控濺射技術合成一種具有高表面增強拉曼散射性能的柔性、穩定的金納米薄膜/蟬翼納米復合材料，對果皮上的乙酰甲胺磷進行檢測，其檢出限為10-9mg/mL。

農藥殘留檢測的增強底物在不斷發展，新型柔性基板與常規硬性基板相比，制作方便簡單、環保、低成本，為基底開發提供新的研究方向，在食品安全和環境保護方面具有巨大潛力。為滿足小型化的檢測需要，拉曼檢測儀的使用也取得進步。早期農藥殘留拉曼檢測的研究多是采用傅里葉變換拉曼光譜儀[10]、顯微拉曼光譜儀[11]等實驗室大型拉曼儀，而近年來使用便攜式拉曼儀成為一種趨勢，主要在于其體積小，使用便利，加上SERS技術的蓬勃發展，使得其在農作物現場有較好的應用場景。雖然農藥的化學成分很復雜，但拉曼光譜對每一種農藥都具有特征性，因此SERS在農藥殘留檢測方面有很大的發展空間，未來可能測定各種農藥的拉曼光譜，分別形成數據庫和評判模型，從而可對果蔬中所含農藥成分進行精準、智能識別。

2 SERS檢測食品中的獸藥殘留

獸藥作為治療疾病和感染、控制寄生蟲病及幫助減輕患病或受傷動物疼痛和感染的治療藥物，在畜牧業中被廣泛使用。在食用動物中使用的獸藥有可能在動物源性食品（肉、奶、蛋和蜂蜜）中產生殘留物，并對消費者造成健康危害。其中，抗菌素種類繁多，使用廣泛。為追求經濟效益，許多養殖戶將禁用藥物當作添加劑使用的現象相當普遍，如飼料中添加鹽酸克侖特羅（瘦肉精）引起的豬肉中毒事件、水產品中添加孔雀石綠[12]等。有研究預測，到2030年，中國抗菌藥物的消費量將比2010年增長67%[13]，將對食品安全構成巨大威脅。表面增強拉曼光譜法在食品獸藥殘留中的檢測主要集中在β-受體激動劑、抗生素藥物方面。甘盛等[14]用表面增強拉曼光譜法檢測鹽酸克倫特羅、鹽酸萊克多巴胺、硫酸特布他林等β-受體激動劑，分別考察給藥和停藥期間藥物在豬尿液、毛發、糞便和肌肉組織中的濃度，得出加標回收率均在94.0%以上，相對標準偏差小于2%。該方法雖存在檢出限稍高的問題，但為食品監管部門抽檢養殖場、屠宰場生豬及市售豬肉產品提供操作簡便、成本低的選擇，可在各環節實現檢測分析。彭義節[15]分別對不同的納米溶膠、不同量的還原劑（檸檬酸三鈉）及不同加熱方法進行考察，制備最佳SERS活性基底，對鴨肉中萘夫西林、阿莫西林和青霉素G鉀這3種青霉素殘留進行定性與定量分析，不僅提高檢測效率，而且考察其最優檢測條件，得到可靠結果，對多種抗生素殘留檢測具有指導意義。除了使用未加修飾的金銀納米材料作為增強底物外，徐瑩[16]采用一種銀修飾的氨基改性聚甲基丙烯酸縮水甘油脂-乙二醇二甲基丙烯酸酯粉末多孔材料為增強基底，對雞肉中的恩諾沙星殘留進行檢測。該方法最低檢測濃度可達0.01 mg/kg，優于高效液相色譜紫外檢測方法的最低濃度0.05 mg/kg，可見SERS方法靈敏度更高，表明SERS技術存在檢測限較高的問題有所突破。李萍等[17]使用硫醇修飾的磁性銀花納米粒子基底對牛奶中的氯霉素進行SERS檢測，檢測限為1 nmol/L（323 ppt），與美國FDA規定的檢測限0.3 μg/kg（300 ppt）相當，具有較好的檢測限和線性范圍。說明這種改性基底材料具有較高的活性，能夠用于低濃度物質的分析檢測。

近年來，SERS技術在獸藥殘留檢測方面雖取得良好效果，但其應用還不是很廣泛，主要是對牛奶、蜂蜜等[18]簡單基質中的獸藥殘留檢測較多。由于肉制品中的目標物在提取和富集上較困難，所以在對于基質較復雜的肉類應用還比較少，檢測技術不成熟，很多檢測指標需要對樣品進行衍生化等繁瑣的前處理過程，導致目標物損失較大，效果不理想。因此，樣品前處理簡單化甚至不需要樣品前處理以及制備高活性的增強底物是迫切需要解決的問題。使用改性基底效果顯著，有研究報道新型SERS“紙基”材料，該類低成本、靈活、輕量級的紙質SERS平臺具有很強的SERS性能和現場SERS分析潛力，但目前只在農藥殘留和醫藥檢測方面有所涉及，未來有望應用于食品中獸藥殘留檢測[19-20]。

3 SERS檢測食品中的非法添加物

在眾多的食品安全問題中，濫用非食品加工添加物的不法行為給食品安全帶來嚴重隱患。以2008年“三聚氰胺”奶粉事件重大食品安全事件爆發為起點，如吊白塊、蘇丹紅、罌粟殼、塑化劑等眾多食品安全事件頻頻發生，在2019年央視“3·15”晚會上又被曝光添加“斑蝥黃”的偽劣土雞蛋，嚴重侵犯消費者權益，損害人民健康。表面增強拉曼光譜法在食品摻假摻偽檢測中具有較大優勢，對食品篩查快速準確。近年來主要是對食品中常見的三聚氰胺，著色劑（如酸性橙II、蘇丹紅、堿性嫩黃等），保健品中西布曲明等非法添加物的SERS檢測，做到定性與定量分析。黃鵬程[21]將表面增強拉曼光譜檢測技術與固相萃取柱結合，對奶粉中的三聚氰胺進行快速定量檢測，檢出限為0.1 μg/g，定量限為0.25 μg/mL，回收率為96.1%～103.6%，重現性好，精密度高，檢測成本低，前處理方法簡單快捷，顯著縮短檢查時間。Gao等[22]使用分子印跡聚合物、薄層色譜與SERS技術結合，開發新型生物傳感器，對辣椒粉中的蘇丹紅I測定下限為1 μg/mL，能在30～40 s將蘇丹紅I從辣椒提取物中分離出來，所需樣品預處理次數少。該生物傳感器具有快速、可靠和低成本的特點，可用于食品化學污染和摻假的現場快速檢測。對于烏洛托品、塑化劑、罌粟殼及新興的非法添加物檢測雖然較少，但也在不斷發展與完善。賈寶申等[23]基于密度泛函理論，使用Gaussian09軟件包對烏洛托品的分子結構進行優化，采集其拉曼光譜，從而建立烏洛托品SERS特征峰強與水溶液濃度之間的函數關系，并應用于粉絲樣品的檢測，檢測下限可達10-6g/mL。施國躍等[24]發明一種表面增強拉曼光譜檢測塑化劑領苯二甲酸酯方法，其直接利用拉曼增強活性材料Au@Ag@β-CD納米溶膠與待檢測物混合，通過“咖啡環效應”和環糊精吸附的二次富集作用，實現對痕量物質的富集與放大，能夠定性和定量分析鄰苯二甲酸酯。該方法提出的基底制作較為簡單，解決高活性基底制備復雜困難的問題。早期研究者只報道對罌粟堿SERS檢測的理論研究[25-26]，扈曉鵬[27]將薄層色譜技術與表面增強拉曼光譜技術（TLC-SERS）聯用對火鍋底料中的罌粟殼成分罌粟堿和那可丁進行檢測分析，說明SERS技術應用廣泛、靈活，為更多食品非法添加物的檢測提供依據。

盡管對三聚氰胺、著色劑等非法添加物的SERS檢測較為普遍與成熟，具有很高的特異性和靈敏性，但由于SERS信號的低重復性，還沒有成為國家通用的技術標準，只能作為一種輔助參考。對于非法添加物的出現，如斑蝥黃、環氧大豆油等，尚未有相關SERS檢測報道，其檢測方法還有待開發，存在廣闊的應用領域。

4 SERS檢測食品中的有毒有害物質

4.1 SERS檢測食品中的毒性有機物

重金屬非常難以被生物降解，但卻能在食物鏈的生物放大作用下進行富集，進入人體，干擾人體正常生理功能，造成慢性中毒，危害健康，因此對水生生態系統中重金屬離子的監測變得至關重要。近年來大量研究報道基于SERS對水中危害重金屬汞、鎘、砷、鉻的快速檢測方法[28-31]，由于重金屬離子SERS光譜本身就很弱，直接檢測其振動譜比較困難，而且無法檢測到零價或陽離子狀態重金屬的拉曼光譜，因此許多研究主要在于SERS基底材料的開發與聯用，涉及探針、熒光、納米棒和傳感器等，旨在提高檢測靈敏度，從而間接達到檢測目的。Song等[32]研制一種基于玻璃芯片的新型表面增強拉曼光譜傳感器，通過將單鏈寡核苷酸探針固定在優良的銀納米棒陣列SERS襯底上所制備，其線性校準曲線為1 pmol/L～1 μmol/L，檢測限為0.16 pmol/L，對純水中稀釋的汞離子有很高的靈敏度和特異性。SERS以其超靈敏、特異性好等優點受到廣泛關注，因為它可以檢測單個分子的痕量分析物，相對于傳統的檢測方法具有很大優勢。

多環芳烴（PAHs）是廣泛存在于生活環境中的持久性有機污染物。有許多研究報道SERS技術在多環芳烴中的檢測[33-35]。PAHs可能從受污染的食品接觸材料遷移到食品中。Zhang等[36]采用表面增強拉曼光譜（SERS）與表面微萃取相結合的方法，使用甲醇和1-丙硫醇修飾的銀納米粒子，對5種食品接觸材料中的3種多環芳烴進行檢測，分別獲得其表面增強拉曼光譜圖，檢出限可達0.27 ng/cm-2。該方法可快速篩選，無需復雜樣品預處理的受污染食品接觸材料上的多環芳烴。楊海峰等[37]發明針對食用油中苯并[a]芘的現場檢測方法，制備以肌醇六磷酸鈉為保護劑的金/磁性納米粒子，實現現場檢測食用油中的苯并[a]芘，檢測時間少于3 min，大幅提高檢測效率，準確度高，有效監測環境污染物。

大多數對毒性有機物的檢測系統需要高精度的樣品制備、昂貴的實驗設備和較長的周轉時間，這使得它們并不適合遠程或現場應用，因此開發簡便可靠的方法進行現場快速、靈敏的測定成為形勢所需。雖然近年來的研究成果顯著，為后續毒性有機物SERS傳感器的發展鋪平道路，但SERS底物的靈敏度和重現性仍然是檢測的主要問題，特別是在復雜的生物液體如尿、血清和血液中檢測，為滿足環境應用的要求，需要對傳感系統進行優化，有效的SERS傳感器的發展仍是一個巨大挑戰。隨著尺寸和形狀調整，多功能金屬納米結構的合成以及便攜式分離技術的發展，有望克服現有局限性，促進該技術應用。

4.2 SERS檢測食品中的有害微生物

近年來食物傳播細菌受到越來越多關注，因為這些致病菌引起許多食物傳播疾病，感染劑量低，健康風險高。表面增強拉曼光譜（SERS）是一種強有力的快速檢測細菌的新技術，已開發多種SERS細菌檢測分析方法[38-41]，不僅是對簡單細菌的分析，還在實際樣品的細菌檢測中有所應用。Pearson等[42]采用三巰基苯基硼酸作為非特異性細菌捕獲劑和指示分子，開發一種靈敏可靠的表面增強拉曼光譜夾心法，快速檢測池塘水和菠菜葉中的細菌，提出了SERS技術在環境和食品基質中的實際應用。De Marchi等[43]研究利用表面增強拉曼散射光譜對大腸桿菌和綠膿桿菌分泌的代謝物進行無創和可視化檢測，該混合細菌群中化學相互作用的檢測表明，SERS在研究支持多物種微生物群落的化學方面具有潛力，而不僅僅只限于單獨的微生物種群。

食品被真菌毒素污染后，在食用者體內蓄積，會引起急性中毒、慢性中毒，嚴重者還可能誘發原發性肝癌、胃癌、肺癌等。黃曲霉毒素是最具毒性的真菌毒素之一，有強致癌、致畸和致突變作用，在極低濃度下會不可避免地污染食物和飼料。Qu等[44]采用薄層色譜表面增強拉曼（TLC-SERS）技術，對花生中的黃曲霉毒素進行快速分離和高靈敏度檢測，收集SERS光譜，利用密度函數理論進行分析，對TLC板上的樣品斑點進行SERS分析，并對發霉花生中的黃曲霉毒素進行現場SERS檢測。袁景[45]基于SERS技術對脫氧雪腐鐮刀菌烯醇（DON）和展青霉菌素（PAT）進行檢測，得到2種真菌毒素的SERS振動歸屬，并對玉米、蕓豆、燕麥中加標的DON進行檢測，檢測限為10-6mol/L，達到中國谷物中DON的限量標準（1 mg/kg）[46]。為進一步探索與開發實際樣品中PAT的SERS檢測提供良好基礎和平臺。由此可見SERS技術在真菌毒素檢測中發揮重要作用。

傳統的微生物病原物檢測和鑒定方法主要依賴于特定的微生物和生化鑒定。一般經過富集、菌落分離和確認幾個步驟，初始結果需要2～3 d，確認需要7～10 d，時間漫長，過程繁瑣。而便攜式、快速和敏感技術的發展成為一種進步勢頭，SERS技術相比現有檢測技術具有許多優勢，包括所需時間短、高通量篩選、實時分析和無標簽檢測等，不僅能夠快速、準確地檢測和鑒別細菌，檢測限還能達到單細胞水平。

5 結語與展望

表面增強拉曼光譜由于對靶分子有獨特特異性，在食品應用中取得較好效果，正逐漸成為食品篩查領域的一種流行技術。為了具有較高的檢測靈敏度，未來SERS基底將會以追求高活性、靶向性、多樣化、均一穩定的方向創造研究，固體SERS基片的小型化是發展主要趨勢，不斷開發微通道、微流控或傳感器等SERS基底材料，實現低成本及批量生產，滿足產業化、商業化和市場化需要。另外SERS還受到許多參數的影響，如激光功率、積分時間和分析物濃度等，這些不穩定因素是亟待解決的問題。隨著拉曼硬件和取樣技術發展，從大型拉曼光譜儀到便攜式拉曼光譜儀再到手持式拉曼光譜儀的出現，開發更小型、性能更好，靈敏度更高的拉曼光譜儀將會是一種趨勢。雖然SERS可作為食品基質定性和定量分析的快速技術，但SERS在定量分析方面仍面臨很大挑戰，通常采用光譜數據與化學計量學相結合的方法來處理，還需要更多研究以確定在復雜的食品基質中獲得可重復結果的最佳條件，使痕量檢測成為可能，在食品污染的應急監測和食品的日常檢驗中，實現快速篩查檢測目的，保障中國食品各環節質量安全，研究便攜式和自動化的定量SERS檢測將成為發展新方向。