表面增强拉曼光谱法在农药残留检测中的研究进展

欧阳思怡 叶 冰 刘燕德

（1.华中农业大学楚天学院，湖北 武汉 430205；2.华东交通大学光机电技术及应用研究所，江西 南昌 330013）

随着经济的发展和生活水平的提高，人们对食品安全性的要求也越来越高。食品污染的来源很多，农药滥用和人工合成添加剂滥用引起的污染是其主要的两个来源［1］。虽然农药是现代农业生产中不可或缺的生产资料，在大大提高农作物产量的同时，对环境和人类的生命安全也造成了威胁［2］。而且很多生产者只注重农药剧毒的药效，甚至使用国家明令禁止的高毒高残留农药，导致农产品农药残留超标。而且某些农药的性质稳定、残留期长，一旦造成污染很难消除［3］。因此，对食品中的农药残留量的快速、灵敏、方便的检测变得越来越重要［4］。

农药残留是指在农药使用后一个时期内，没有被分解而残留于生物体、收获物及环境中有毒代谢物、微量农药原体、降解物等的总称［5］。目前，中国普遍采用的农药残留检测的方法主要是气相色谱法［6］、高效液相色谱法［7］、酶 抑制法［8］等。近年来，也有超临界流体色谱［9］、化学分析法［10］、生物传感器［11］及免疫分析技术［12］等相关报道。这些检测方法操作步骤繁琐，检测前需要制备样品，样品从制备到检测所需时间较长，还需消耗化学药品［13］。用拉曼光谱法检测农药操作简便，但是其测量浓度的范围有限，限制了它的发展与应用。表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）效应的发现，大大增强了拉曼散射信号的强度，为拉曼光谱技术对农药残留的检测指出了一个新的方向。

1 拉曼与表面增强拉曼光谱

印度物理学家拉曼（Raman）在1928年发现了光的非弹性散射效应拉曼散射，单色光照射在分子表面会发生散射，小部分散射光因为会跟分子发生能量交换，光谱的波长会发生改变，这种光谱就是拉曼光谱。光谱中出现的尖锐的峰，表征了化学物质的分子结构特性，具有定性分析和区分相似物质的功能，从而被用作识别鉴定未知化学物的有效方法［14］。常规Raman散射截面分别只有红外和荧光过程的10－6和10－14［15］，这种内在低灵敏度的缺陷曾制约了Raman光谱应用于痕量检测。为了增强所分析式样的拉曼效应，人们设计和实施了表面增强拉曼光谱技术，使其检测限提高了4至10个数量级［16］，在痕量化学物质快速检测方面和物质分子结构分析方面显示出越来越巨大的潜力。

1974年，Fleischmann等［17］对平滑银表面加以粗糙化处理后，将吡啶分子吸附在粗糙银电极表面上，获得吸附在银电极表面上的吡啶分子的高质量拉曼光谱。与溶液相中的同数量的吡啶的拉曼散射信号相比，粗糙银表面上的吡啶的拉曼散射信号增加了约100万倍，这种现象使激光拉曼光谱分析的信噪比大大提高，被称为表面增强拉曼散射。SERS效应的发现有效地解决了Raman光谱在表面科学和痕量分析中存在的低灵敏度问题。

1.1 SERS增强机理

虽然SERS效应从发现到现在已经有几十年的历史，而且进行了大量的试验研究［18］，建立了各种理论模型，但是对SERS理论的研究一直相对滞后。这主要是因为具有SERS效应的体系非常复杂，体系表面形貌和表面电子结构、光和粗糙表面的相互作用、光和分子的相互作用、分子在表面的取向、成键作用以及分子和表面的周边环境、入射光的强度、频率、偏振度和偏振方向等因素对SERS谱图的影响均比较复杂。SERS体系的这些复杂性导致了人们对SERS效应还没有一个统一而精确的认识。目前的研究认为电磁场增强（EM）和化学增强（CT）为 SERS机理主要的两种方式［19，20］，其中电磁增强是由于金属表面与激发光的相互作用使分析物电场强度增大的结果。化学增强是由于分析物与金属波函数重叠而发生，只有近距离的吸附分子和基底之间才出现化学增强效果。

1.2 SERS活性基底

为了得到SERS信号，必须要制备活性基底，并且SERS活性与表面纳米结构的粒子尺寸、形状和排列密切有关。金属表面存在一定宏观或微观的粗糙度，才能显示出SERS效应。单分子SERS是首先在Ag和Au纳米粒子上发现的［21］，进而通过大量的研究［22］，在吡啶获得了 Au、Ag、Cu 3种贵金属的SERS信号。在实际应用中，只有Au、Ag、Cu这3种金属能使拉曼的信号增强106倍，这在一定程度上限制了SERS的应用。近年来相继在Li、Na、Ni、K、Cd、Hg、Pt、Al、Zn等金属上也发现有SERS效应，并且对TcO2、NiO以及高聚物上的表面增强效应也有一些报道。

目前使用的活性基底有金属电极活性基底、金属溶胶活性基底和针尖增强拉曼活性基底等。金属电极活性基底的制备是通过对Au、Ag、Cu等金属电极做表面粗糙化处理，使电极表面的凸起产生10～100mm范围内的粗糙化［23］。贵金属胶体是目前表面增强活性基底中使用最广泛的一类，其制备也比较简单，金胶和银胶是最常使用的两种胶体，胶体粒子可以为SERS研究快速提供较为准确、丰富的信息。针尖增强拉曼技术是近些年来发展的新技术，利用不同的扫描探针显微技术（SPM）和拉曼光谱联用，获得较高的空间分辨率和高的检测灵敏度，理论上可增强109倍，试验报道［24］中增强已达到106倍。

2 SERS在农药残留检测中的应用

虽然农药在农作物病虫害的综合防治中起着不可替代的作用，为农作物的增收提供了重要保证，但是，农药的连年使用，必定会造成河流、土壤、环境的污染，从而引起食物中农药的残留。残留的农药具有一定的毒性，是一种严重的化学危害，对人体健康造成潜在或直接的危害。农药分子的结构不同，其分子的振动光谱也不同，因此运用拉曼光谱技术检测农药残留的方法是可行的。拉曼光谱操作简单，但其测量的农药浓度范围有限。拉曼散射效应都只有弱信号，这是拉曼散射本身固有的特性。为了增强所分析试样的拉曼效应，满足某些分析的特殊需要，人们使用了各种各样的拉曼光谱技术，其中表面增强拉曼光谱是最受关注的技术之一。拉曼散射光谱的灵敏度虽然很高，但是散射截面很小，在粗糙金属表面或者金属胶粒的作用下，可能把某些材料的拉曼横截面积增大至107倍，并且只有在金属表面上吸附物质才有增大的效果，这种效应称为表面增强拉曼散射。常用的具有表面拉曼增强效应的金属有Au、Ag、Cu，且它们的增强效果依次为Ag＞Au＞Cu。SERS可以与其它技术联用，与共振拉曼光谱增强联用，最大增强因子可达1014～1015。

2.1 国外研究现状

国外应用拉曼光谱技术在粮食、水果、蔬菜农药检测中取得了一定的进展。Shende等［25］通过使用表面增强拉曼光谱法检测到食品中的农药残留，其检测限达到10－6。Shende等［26］采用表面增强拉曼光谱方法，分析了水果上农药残留成分。Lee等［27］采用共聚焦表面增强拉曼光谱，对甲基对硫磷杀虫剂进行定量检测，检测限达到10－7。Guerrini等［28］利用纳米银双吖啶黄嘌呤二阳离子光泽精硫丹能形成很强的SERS信号，成功地在纳米银颗粒与有机氯农药硫丹之间组装双吖啶黄嘌呤二阳离子光泽精。Jitraporn等［29］用金银合金纳米粒子的表面增强处理方法，用表面增强拉曼光谱技术检测地虫磷农药残留，可以检测到浓度为10mg／L的农药，展示了一个潜在分析地虫磷残留的技术。

2.2 中国国内研究现状

虽然中国拉曼光谱技术应用在食品检测方面起步较晚，但在食品安全方面也取得了一定的进展。在农药检测方面，除了色谱法以外，红外光谱法和拉曼光谱技术的发展也越来越快。朱春艳等［30］利用傅里叶变换红外光谱（FTIR／ATR）检测蔬菜有机磷农药，其原理是通过激光照射获得入射光的干涉图，并通过数学算法（傅立叶变换）把干涉图转换为红外光谱图，找出有机磷农药的特征峰，以确定其农药成分。李文秀等［31］利用红外光谱法（IR）对蔬菜汁溶剂中的敌敌畏和敌百虫高残农药进行了研究，结果表明，在中红外波段，蔬菜叶的色素几乎没有吸收，检出限为0.015mg，应用红外光谱技术可以直接对蔬菜上的农药残留进行检测。张国文等［32］运用同步荧光法研究了西维因、蝇毒磷的荧光行为，西维因和蝇毒磷的线性范围分别为0.016～0.384，0.016～0.320g／mL，其检出限分别为0.015，0.010g／mL。吉芳英等［33］以金／银核壳粒子为基底，获得了不同浓度及其酸碱条件下氧化乐果的表面增强拉曼散射（SERS）光谱，考察了其分子在该基底表面的吸附状态及其酸碱影响，推测了氧化乐果的SERS机理，为研究有机磷农药的形态变化提供了参考。Tang等［34］以银溶胶为基底，通过表面增强拉曼光谱技术识别和分析由三环唑，百草枯和氟硅唑混合的农药，其中三环唑的浓度为0.01mg／L，百草枯的浓度为0.1mg／L，氟硅唑的浓度为2.85mg／L。

3 SERS关键技术或问题

表面增强拉曼光谱使分子光谱的信号大大增强，而且还能提供分子的结构信息。虽然SERS要求试样与基底相接触，失去了拉曼光谱技术非侵入和不接触分析的基本优点，而且SERS基底对不同材料的吸附性能不同，不利于定量分析。此外，基底的重现性和稳定性也难以控制。但是随着对SERS原理的深入了解，材料学、纳米技术的发展，激光器的稳定性和探测器的灵敏度的提高，表面增强拉曼基底的重现性和稳定性将会大大的提高，光谱采集的准确度也会有很大提高，再结合化学计量法可以大幅提高表面增强拉曼光谱的定量分析能力。利用SERS有较高的检测灵敏度的优势，可以与其它分离技术联用，进一步拓宽SERS应用范围。表面增强拉曼技术与气相色谱（GC）联用，作为GC的一种检测器［35］，在分析吡啶类化合物中取得不错的效果。

4 总结

表面增强拉曼光谱技术能够快速分析分子的结构信息，而且其强大的增强信号能够大大提高物质的检测限。随着纳米科学的发展和材料技术的进一步提高，表面增强拉曼光谱技术的应用会越来越广泛。通过SRES可以研究农药环境中存在形态及其转化规律，有助于系统地探讨农药在环境中的最终归宿，因此SERS是一个很有前途的研究方向。

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