表面增強拉曼光譜檢測技術在農藥殘留檢測中的應用

邱琦珍，潘興魯，劉振江，3，吳小虎，徐 軍，董豐收*，鄭永權

（1.天津農學院園藝園林學院，天津 300384；2.中國農業科學院植物保護研究所，植物病蟲害生物學國家重點實驗室，北京 100193；3.江蘇大學環境與安全工程學院，江蘇鎮江 212013；）

在農業生產過程中，農藥在病蟲草害有效防治方面發揮著關鍵作用。然而，農藥的大量或不合理施用給環境及農產品安全造成嚴重影響[1-2]。因此，實現農產品中痕量農藥殘留的準確快速檢測具有重要的意義。傳統的農藥殘留分析方法主要以儀器分析技術為主，其中包括氣相色譜分析技術[3]、高效液相色譜分析技術[4]和超高效液相色譜-串聯質譜分析技術[5]等。上述分析方法雖然具有較高的靈敏度和精密度，但往往需要復雜的前處理過程（如樣品破碎處理、化學提取過程和凈化富集等）[6]和專業技術人員，且檢測過程時間較長，通常需要昂貴的大型儀器設備，不能適應現場快速、實時檢測的需求[7]。因此，發展快速檢測農藥殘留的技術是非常必要的。目前，農藥殘留快速檢測技術中的酶抑制法可實現對某類農藥的快速篩查，但無法實現農藥準確定性和定量分析，而酶聯免疫法可實現農藥的特異性快速檢測，其定性準，但需針對不同農藥開發與集成多個試劑盒，成本高且缺乏普適性[8]。

拉曼光譜檢測法因具有對農藥快速、無損的檢測特征而受到廣泛關注。然而，農產品中表面農藥殘留的含量在整個農藥殘留含量占比率較低，產生相對比較低的光譜信號，所以檢測結果需要大型儀器進行測定，這不利于現場測定使用。隨著便攜式拉曼光譜儀的發展，采用表面增強拉曼光譜（SERS）檢測技術不僅能夠極大增強相關污染物分子的特異性拉曼光譜峰，還可以現場無損地檢測微量甚至更低水平的污染物殘留，因此該技術被應用于食品安全、環境檢測等眾多領域，在農藥殘留檢測方面也有相關報道[9-12]。

本文重點介紹了SERS檢測技術的原理，并從農藥殘留表面增強拉曼基底研究、SERS與其他技術相結合的應用2個方面總結了近年來其在農藥殘留快速檢測領域的研究進展，探討了該技術存在的主要問題，并展望了SERS技術在農藥殘留快速檢測應用方面的發展趨勢，以期為SERS技術在農產品生產、收獲、儲存和運輸等全過程中農藥殘留污染的有效監測和安全控制提供理論參考。

1 農藥殘留SERS檢測技術研究進展

1.1 SERS檢測技術原理

印度物理學家Raman最早發現拉曼散射現象[13]并由此獲得了諾貝爾物理學獎。隨著激光器激發效率大幅度提高，檢測光源更為理想，有關拉曼散射的研究進入全新時期。目前，拉曼光譜技術已被廣泛應用于石油化工、高分子材料、有機污染物殘留分析、環保等行業[14]。有機污染物SERS檢測技術原理是基于拉曼散射效應。當一定頻率的入射光照射到有機污染物分子表面時，其造成不同結構的污染物分子具有不同的分子運動方式（包括振動方式和轉動方式），不同結構的分子將會產生相對應頻率的散射光譜，故可以通過測定特異性拉曼光譜來實現對不同結構污染物的定性、定量分析[15]。然而，檢測農藥等有機小分子的拉曼散射效應非常弱，只能達到入射光的10-8～10-6[8]，且SERS檢測技術易受噪聲和熒光背景的干擾，存在靈敏度較低的缺點，難以達到對農藥痕量檢測需求，在一定程度上制約著該技術在農藥殘留檢測領域中的應用[16]。

Fleischmann等[17]發現吸附在粗糙金屬銀電極表面上的吡啶分子的拉曼信號獲得極大增強，這種現象歸因于粗糙銀電極有較大比表面積，可以吸附大量吡啶分子，從而導致信號增強。隨后，Jeanmaire和Albrecht等[18-19]重復Fleischmann的實驗方案發現，與游離于溶液中的相等數量吡啶比較，吸附在粗糙銀電極上的吡啶分子的拉曼散射信號提高了4～6個數量級，故將這種現象命名為“增強拉曼散射效應”，簡稱SERS效應。農藥殘留SERS檢測技術是一種基于農藥分子與粗糙金屬（金、銀、銅或少數堿金屬等）或半導體表面相互作用后使拉曼光譜強度極大增強的表面光譜技術[20]。相比于常規的拉曼光譜檢測技術，SERS檢測技術不僅克服了常規拉曼光譜中存在的不足[21-22]，而且具有顯著的增強效果。據文獻報道，拉曼基底可實現1014～1015的增強效果[23]。為了擴大農藥檢測范圍和提高農藥測定的準確性，SERS檢測技術結合其他技術（不同類型的材料技術、適配體技術和酶抑制法等）引起了廣泛關注，這對食品安全的保障具有重要的應用價值。

1.2 基于金屬納米材料的SERS農藥殘留檢測技術

基底是SERS農藥殘留檢測技術極其重要的一部分，也是影響SERS信號強弱的關鍵因素[24]，能顯著提高農殘檢測的靈敏度和重現性。隨著納米技術的發展，利用納米基底的組成、尺寸、形貌、聚集狀態制備出的各種高活性SERS基底已引起許多科研工作者的廣泛關注。

（1）金和銀納米材料由于制備方法簡單和增強效果好，常用于制備SERS活性基底，顆粒尺寸一般在10～100 nm。一般來說，金納米粒子粒徑均一可控、穩定性好、易于儲存，而銀納米粒子則制備工藝更簡單，且具有較好的提升SERS信號的功能。如Xu等[25]以毒死蜱（Chlorpyrifos）的分子特定基團（磷酸鹽或氯基團）與金納米棒的特異性作用為基礎，利用金納米棒作為SERS活性基底，構建了毒死蜱的SERS分析方法，發現其檢出限達到了1.0μmol/L；Zhao等[26]首先將碳點與銀納米顆粒通過化學反應制備Ag NPs/CDs復合物，然后利用Ag NPs/CDs作為SERS活性基底構建了氨基苯硫酚的分析方法，發現氨基苯硫酚檢測限可達到10-9mol/L。

（2）利用核殼型貴金屬納米復合材料制備的SERS基底也被廣泛應用，其優點是外殼與內核粒子的相互作用使其呈現出分散性好、穩定性高的優良性能。其中，金銀核殼納米粒子（Au-Ag NPs）兼具金納米粒子的良好穩定性和銀納米粒子的高增強效應，且形狀可控，結構可調，應用范圍更加廣泛。徐念薇[24]報道了78±8 nm的金銀納米顆粒Au-Ag NPs（43 nm金核）對蘋果汁中亞胺硫磷的檢測具有很好的增強效果，受到非目標成分的干擾較小，可檢測至濃度為0.05 mg/L。該研究還發現，Au和Au-Ag NPs的粒徑大小、金銀比例對SERS的影響顯著，顯示了篩查具有適當粒徑和組成的納米粒子基底應用于SERS的重要性。

（3）貴金屬納米材料與其他材料復合制備的基底顯示出優于單一貴金屬納米材料增強基底的特性。Zhang等[27]首先將金納米顆粒與多孔材料硅藻有機結合，制備高效、易商業化的貴金屬納米材料復合基底，然后以此作為SERS信號增強基底發展了一種拉曼光譜分析方法，其檢測限達到了0.2 mg/kg。Li等[28]通過將金納米顆粒和氧化鋅進行復合，制備了一種雙功能貴金屬納米復合材料，用于SERS拉曼信號增強基底。這種新型的雙功能貴金屬納米復合材料實現了對分析物的檢測和降解一體化，不僅能直接測定吸附的污染物樣品，檢測限可達0.241nmol/L，而且在紫外光照射下，還能夠利用光照實現有機污染物的氧化降解。

（4）陣列SERS結構由于檢測結果具有均勻性、一致性與準確性等優點，也被應用于農藥殘留檢測。具有強電磁場耦合效應的銀納米棒簇有序陣列的SERS增強效果極高，增強因子可達到108。同時，其分析特性在信號均勻性和重現性方面也極其顯著，可以同步檢測甲基對硫磷和2,4-二氯苯氧乙酸等多種農藥殘留[6]。因此，開發低成本、便攜快速、制備方法簡單、高靈敏度的增強基底以及多種結構陣列化耦合技術是進一步研究SERS檢測技術的目標和方向。

1.3 基于適配體的SERS農藥殘留檢測技術

適配體是體外篩選出來的一小段寡核苷酸序列，其能與相應的農藥等配體較強地特異性結合，為農藥等污染物高效快速檢測提供了一種創新性的手段。適配體SERS農藥殘留檢測技術原理：隨著待測農藥濃度升高，農藥分子與適配體特異性結合增多，導致適配體的構型發生相應變化，SERS的信號也隨之發生對應變化。基于SERS的信號變化量即可計算待測農藥的濃度，如Nie等[29]基于上述原理，利用馬拉硫磷與其適配體特異性結合導致SERS的信號變化，開發了一種檢測馬拉硫磷的SERS分析技術；Li等[30]同樣利用上述原理，發展了一種檢測啶蟲脒的適配體SERS分析方法，利用不同濃度啶蟲脒農藥，導致適配體的構象發生不同程度的變化，進而影響金顆粒聚集程度的變化，從而實現綠茶中啶蟲脒的測定，其檢出限是1.76×10-8mol/L。

1.4 基于酶抑制法的SERS農藥殘留檢測技術

酶抑制法和SERS相結合可實現有機磷農藥殘留的快速篩查、定性與定量分析，達到快速、大批量檢測的要求[8]。Alami等[31]將拉曼光譜技術與酶抑制法有機結合，開發了一種新型的分析技術，用于有機磷農藥的檢測。首先將待測農藥與乙酰膽堿酯酶反應，導致乙酰膽堿酯酶的活性降低，進一步降低乙酰膽堿酯酶對反應底物乙酰膽堿的催化含量；然后以金納米顆粒作為信號增強基底，測定乙酰膽堿的特征拉曼光譜；最后確定待測農藥的含量。其中，對氧磷的檢測限達到了0.04 pmol/L。基于以上試驗結果，王冬偉等[32]認為利用這種生物傳感器，未來可以用于非選擇性檢測乙酰膽堿酯酶氨基甲酸酯類農藥和有機磷類農藥。

2 農藥殘留SERS檢測技術存在的問題

（1）SERS檢測技術基底組裝過程復雜。目前已有研究將金屬納米材料基底成功用于果蔬表面SERS農殘的檢測，但這些基底的制作過程都比較復雜且成本較高，不利于普及和推廣。制備結構、分布和穩定性較高的金屬納米材料用于SERS基底，對于提高檢測的靈敏度和可重復性至關重要。因此，發展一種靈活和便捷制備SERS基底的技術具有十分重要的意義。

（2）定量檢測結果精度不高。目前SERS檢測技術對果蔬表面農殘的定量分析大多數都是基于對農藥的單個特征峰進行線性定量，但在實際檢測過程中，農藥污染物的拉曼特征峰易受到儀器和環境噪聲等非線性因素的影響發生少量偏移。所以，基于單個特征峰進行分析會影響定量精度，為此需要借助多變量模型以及非線性建模手段進行定量分析。

3 結論與展望

相對于其他快速檢測方法，SERS檢測技術以其優異的特性引起人們廣泛關注，包括檢測效率較高，可實現現場測定，靈敏度和重現性得到極大提升等。因此，SERS檢測技術在農藥殘留檢測中越來越受到研究者的青睞。然而，該技術仍然存在一些問題亟需解決。發展一種靈活便捷制備SERS基底的技術和借助多變量模型以及非線性建模手段進行定量分析，對推進拉曼光譜技術在農藥殘留檢測領域的應用發展具有重要意義，也為監測農藥殘留污染提供檢測技術支持。