表面增強拉曼光譜技術在食品安全檢測中的應用

◎ 章 潔，吳 鑫，占忠旭，袁美芳，朱應飛

（江西省食品檢驗檢測研究院，江西 南昌 330001）

食品安全是重大的民生問題，關系人們的身體健康和生命安全。對于食品中的食源性致病菌、真菌毒素、藥物殘留、食品添加劑及非法化學添加物、重金屬等問題，常用的檢測方法有微生物培養法、分子生物學技術、毛細管電泳技術、高效液相色譜法、氣相色譜-質譜法、薄層色譜法以及酶聯免疫吸附等[1-6]。這些方法檢測過程煩瑣、耗時，所需儀器設備復雜，并且對檢驗人員有一定的要求，難以滿足現場快速檢測和大規模樣品篩選。基于此，開發靈敏、高通量且快速無損的食品檢測技術迫在眉睫。

表面增強拉曼光譜（Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS）是指將待測分子吸附在粗糙的納米金屬材料表面，從而使待測物拉曼信號增強的光譜現象，該技術靈敏度比普通拉曼光譜技術高，可實現對痕量物的超靈敏檢測，且該技術不受被測樣品形態影響，操作簡便、快速無損、便于攜帶，被認為是最有前景的食品安全分析技術[7]。近年來，隨著納米技術的發展，研究者們基于SERS技術，在常見食品污染物中（食源性致病菌、真菌毒素、藥物殘留、食品添加劑及非法化學添加物等）建立了一系列快速靈敏的檢測方法[8-10]，并取得了較好的應用。本文對SERS的基本原理、基底類型進行了系統論述，同時綜述了SERS技術在食品安全檢測中的最新應用，并對目前SERS技術存在的問題和今后的研究趨勢進行了總結和展望，為SERS技術在食品安全快速檢測領域的應用提供借鑒和參考。

1 SERS基本原理

1974年，FLEISCHMAN等[11]對粗糙化銀電極表面的吡啶進行研究時，首次發現了表面增強拉曼散射現象，后來Van Duyne和Creighion領導的兩個研究小組分別重復這個實驗并證實了這一現象。通過計算，銀電極表面吡啶分子的拉曼信號是其水溶液的106倍，這一嶄新的現象被稱之為表面增強拉曼散射[12]。

SERS增強機制主要有物理增強和化學增強，物理增強是電磁場增強，主要是由吸附在金屬納米粒子表面的等離子體發生共振所產生的[13]。物理增強不需要金屬底物和分析物分子的接觸，但需要分析物分子足夠接近底物，基于此特性，SERS可用于分析物和金屬基質距離較短時使用[7]。化學增強主要受化學物質變化的影響，通過金屬基質和分析物之間的電荷轉移引起的極化率起作用[14]。物理增強和化學增強這兩種機制同時作用，可以極大增強SERS信號[15]。

2 基底材料類型

SERS活性基底的制備是獲得較高拉曼信號的前提，而SERS活性基底的材料、納米顆粒的形狀及尺寸、探測物在活性基底上的吸附量和距離等因素都會影響SERS的增強效果[16]。隨著納米技術的發展，SERS基底的制備方法取得了巨大的進展。

2.1 金屬納米材料基底

最初，SERS效應是通過粗糙的電極表面觀察到的。隨著對SERS研究的深入，金屬金、銀和銅被發現可以產生強烈的SERS效應。在可見光和近紅外光的激發下，貴金屬金或銀納米結構具有較強的表面等離子體共振效應，可以產生較強的電磁場。因此，金、銀納米顆粒及其制備的納米結構被廣泛應用于SERS檢測[17-18]。過渡金屬材料如鉑（Pt）、釕（Ru）、銠（Rh）、鈀（Pd）、Fe、鈷（Co）和鎳（Ni）也被證明具備高質量的SERS增強現象[19]。

2.2 非金屬納米材料基底

與傳統的金屬SERS納米材料不同，非金屬納米材料如半導體[20]、石墨烯量子點[21]以及光子晶體光纖[22]等已經被發現和制備，它們表現出獨特的性能。例如，較高的化學穩定性、良好的生物相容性、較高的載流子遷移率、良好的可控性以及可回收能力等，使其成為SERS基底材料中的新星[21]。

2.3 復合材料基底

與單種納米材料相比，由兩種或兩種以上材料組成的復合材料SERS活性性能顯著提高，具有較大的應用價值，應用領域也更廣闊。金、銀納米對比，納米銀具有更強的表面等離子體共振，但由于納米銀的化學穩定性較弱，在一些領域其應用受到限制。若將其設計成核殼結構，不但穩定性問題能夠解決，而且內核和外殼均可被人為設計和可控制備，這種復合型納米材料能夠很好地體現多功能特性。此外，核殼式結構的納米顆粒被負載到半導體、石墨烯或其他三維結構物質上組成新型SERS活性復合基底，能夠克服單獨非金屬納米材料增強效應弱的缺點，且良好的回收率和優異的性能也使其成為SERS研究的熱點[23-25]。總之，SERS復合基底的發展大大擴展了SERS基底材料的適用范圍，復合基底的設計和開發也對SERS的理論和應用研究作出了重要貢獻。

3 SERS在食品檢測中的應用

SERS具有操作簡便、靈敏、快速無損及能夠實現單分子“指紋”光譜信息識別的特點，在食源性致病菌、真菌毒素、藥物殘留、食品添加劑及非法化學添加物等檢測方面具有較好的應用前景，研究者們基于此建立了一系列檢測方法。

3.1 食源性致病菌

食源性致病菌可通過污染水或食物進入人體，從而導致人類疾病。目前，食源性疾病在全球各個國家被認為是最重要的公共衛生問題[7]。

WANG等[26]基于M13噬菌體構建了特異性SERS納米探針用于檢測水性介質中的金黃色葡萄球菌，該方法對金黃色葡萄球菌檢測范圍為101～106CFU·mL-1。此外，該SERS探針對金黃色葡萄球菌還具有滅活能力，可同時選擇性檢測和滅活金黃色葡萄球菌。YANG等[27]開發了一種基于三維DNA Walker的新型SERS技術，用于鼠傷寒沙門氏菌的定量分析。當加入鼠傷寒沙門氏菌時，適配體與菌結合，并釋放出與其互補的DNA，進而引發金納米粒子（AuMNPs）表面的“DNA Walker”，產生單鏈DNA用于搭載大量的SERS探針，最后通過磁分離去除體系中游離的SERS探針，并對SERS信號進行分析。在最優的條件下，該方法對鼠傷寒沙門氏菌檢測限為4 CFU·mL-1。DUAN等[28]結合兩條適配體，開發出一種高度選擇性和敏感性的SERS傳感器用于副溶血性弧菌的檢測。以合成的SiO2@Au核殼狀納米顆粒為基底，并在AU-S鍵的作用下將適配體1固定在Au殼表面，并將氰基染料3（Cy3）修飾在另一條適配體2上。當體系中加入副溶血性弧菌，適配體與菌結合，從而形成SiO2@Au-Apt1-副溶血性弧菌-Apt2-Cy3復合物，進而拉近Cy3和Au的距離，從而SERS強度發生變化。最優條件下，副溶血性弧菌在101～106CFU·mL-1呈現良好的線性關系，檢測限為10 CFU·mL-1。

3.2 真菌毒素

霉菌毒素是真菌產生的次生代謝產物，有較強的毒性[29]。據報道[30]，全球平均25%的糧食受到真菌毒素的污染，發展高通量、高靈敏和快速無損檢測技術成為食品和農產品品質安全檢測領域的研究熱點。

LI等[29]受花椰菜啟發制備了一種3D-納米SERS底物，通過在聚二甲基硅氧烷包陽極氧化鋁（PDMS@AAO）復合襯底的表面上濺射金納米顆粒，達到較高的SERS活性。在最佳條件下，該SERS底物對4-巰基苯甲酸（4-MBA）的檢測限為10-12mol·L-1。此外，該3D納米SERS底物還可實現無標記同步檢測3種霉菌毒素（黃曲霉毒素B1、脫氧雪腐鐮刀菌烯醇和玉米赤霉烯酮），檢測限分別為1.8 ng·mL-1、47.7 ng·mL-1和24.8 ng·mL-1（S/N=3）。DING等[31]報道了一種基于SERS技術的競爭性免疫分析技術用于赭曲霉毒素A（Ochratoxin A，OTA）的檢測，使用赭曲霉毒素A-牛血清白蛋白共軛SERS納米標記和抗OTA功能化的磁珠進行高靈敏和特異性檢測OTA，當OTA存在時，OTA和SERS納米標記對磁珠進行競爭性反應，利用吸附在磁珠上的SERS納米標記的特征峰對OTA進行定量分析，在1～1 000 pg·mL-1范圍內有良好的線性關系，檢測限為0.61 pg·mL-1。ZHANG等[32]研發了基于多重SERS的傳感器用于同時檢測玉米中的6種真菌毒素，該傳感器檢測限遠低歐盟、美國和中國對于真菌檢測標準所設定的霉菌毒素限量，且檢測時間少于20 min。最優條件下，該方法對黃曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮、伏馬菌素B1，脫氧雪腐鐮刀菌烯醇、赭曲霉毒素A和T-2毒素檢測限分別為0.96 pg·mL-1、6.2 pg·mL-1、0.26 ng·mL-1、0.11 ng·mL-1、15.7 pg·mL-1和8.6 pg·mL-1，檢測結果與液相色譜-質譜法一致。

3.3 藥物殘留

為確保水果、蔬菜等農產品的質量和大量供應，殺蟲劑等藥物在農產品生產和貯存中被廣泛使用，因此導致果蔬中的殺蟲劑等藥物殘留問題日趨增多，為保障國民飲食安全，對果蔬等農產品中有害殘留物進行檢測至關重要[33]。

HASSAN等[34]提出了基于銀納米顆粒結合固相萃取的SERS傳感器，用于快速定量檢測綠茶中滅多威、啶蟲脒和2,4-D殘留量。該SERS傳感器信號強度與滅多威、啶蟲脒和2,4-D濃度之間存在良好的線性關系，相關回歸系數分別為0.997 4、0.995 6和0.998 2，檢 測 限 分 別 為5.58×10-4μg·mL-1、1.88×10-4μg·mL-1和4.72×10-3μg·mL-1，相 對 標 準 偏 差 值 小 于5%。ZHAO等[35]開發了3D銀枝晶（SD）/電聚合分子標識符構建（EMI）/銀納米顆粒構建的多層紙質SERS傳感器，用于檢測食品和農產品中吡蟲啉的殘留，其檢測限低至0.028 11 ng·mL-1。LEE等[36]采用非熱自旋涂層溶膠-凝膠法制備化學穩定的二氧化鋯納米顆粒（ZrO2NFs），然后沉積金納米顆粒，形成整體金納米顆粒/二氧化鋯納米顆粒（Au NPs/ZrO2NFs）基底。優化后的Au NPs/ZrO2NFs（0.3 mol·L-1二氧化鋯濃度）具有很高的SERS活性，可以區分亞胺硫磷、甲萘威、氯菊酯和氯氰菊酯4種農藥殘留的特征拉曼峰，檢測限分別為10-8mol·L-1、10-7mol·L-1、10-7mol·L-1和10-6mol·L-1。

3.4 食品添加劑及非法化學添加物

隨著世界人口的增加和食品工業的發展，食品消費正在迅速增長，與此同時，食品生產過程中濫用或過量使用添加劑、頻繁加入非法化學添加物，已成為主要的食品質量安全問題之一。非法食品添加物是指危害性未知或者因毒性較大而被禁止的化學合成物[37]，如三聚氰胺、孔雀石綠、蘇丹化合物和吊白塊等。在食品中使用非法添加劑將損害人類健康，影響社會穩定。因此，建立一種快速靈敏的先進檢測技術對于食品工業健康發展十分重要。

WU[38]等合成了八面體晶體結構的金屬有機骨架（MOF，UiO-66(NH2)），通過在MOF表面種植金納米顆粒，制造UiO-66(NH2)通用SERS傳感器，可快速靈敏地測定食品中的胭脂紅和橙黃II。與金納米顆粒相比，UiO-66(NH2)@Au具有更好的SERS性能，胭脂紅和橙黃II的檢測限低至0.401 5 mg·L-1和0.054 6 mg·L-1，相 關 回 歸 系 數R2分 別 為0.968 4和0.991 2。AI等[39]在聚乙烯吡咯烷酮表面活性劑下，采用抗壞血酸的硝酸銀水相還原法，成功地合成了花形銀納米顆粒。該花狀銀納米結構的SERS底物活性高且穩定性強，用于檢測濃度僅為10-9mol·L-1的羅丹明6G（R6G），其SERS信號仍然清晰。對4種不同食用色素（亮藍、檸檬黃、日落黃和胭脂紅）進行SERS分析，并確定了特征譜帶，使用主成分分析法，在約10-8mol·L-1的濃度下對食品著色劑的含量進行了定量分析，亮藍、檸檬黃、日落黃和胭脂 紅 的 檢 測 限 分 別 為79.285 μg·L-1、5.3436 μg·L-1、45.238 μg·L-1和50.244 μg·L-1。ZHAO等[40]合 成 了 銀納米顆粒作為SERS基底，將樣品與銀膠體基底混合后加入鹽酸，可以實現痕量蘇丹黑B的快速定量檢測，檢測濃度低至0.05 mg·L-1。ZHANG等[41]通過基于衍生反應的SERS技術與自制便攜式吹掃采樣裝置相結合，開發了一種簡單的現場快速定量測定水產品中痕量甲醛的方法。通過吹掃采樣程序從復雜的水基質中分離出痕量甲醛與衍生試劑反應生成拉曼活性分析物，用于后續的SERS分析，Au/SiO2納米顆粒被用作增強基質，以實現拉曼信號強度的顯著增強。在最佳條件下，該方法可實現0.17 μg·L-1的極低檢測限。在新鮮的魷魚和蝦樣品中可以發現痕量揮發性甲醛，而沒有明顯的基質干擾，上述方法的定量檢測范圍為0.13～0.21 mg·kg-1，加標水產品樣品的回收率為70.0%～89.1%，相對標準偏差為2.3%～7.2%（n=3）。

4 結語

SERS因其操作簡便、靈敏、快速無損且能夠提供單分子“指紋”光譜信息的優勢，在檢測食品成分、食源性致病菌、真菌毒素、藥物殘留、食品添加劑及非法化學添加物等方面具有良好的應用前景。然而，在食品安全檢測的實際應用中，現階段SERS技術還處于試驗探索階段，雖然SERS基底的制備方法和材料種類繁多，但仍然存在著穩定性、重現性差等問題，因此SERS技術應用于食品安全檢測中的定量分析仍然是一個挑戰。隨著SERS技術的發展，SERS的未來可能會著重于開發各種靈敏度高、穩定性好和重現性優異的活性基底，同時，操作簡便、快速靈敏、模型穩定、抗干擾、低成本的小型便攜式拉曼光譜分析儀也將是儀器研發的重點。SERS技術作為一種新興的檢測技術和分析手段，未來在人類健康、食品安全和社會經濟等方面將發揮重要作用和貢獻。