表面增强拉曼光谱在农药检测方面的进展

许泽群，梁洁仪，蔡大川,李维嘉

( 中国广州分析测试中心，广东省化学危害应急检测技术重点实验室，广东 广州 510070 )

表面增强拉曼光谱在农药检测方面的进展

许泽群*，梁洁仪，蔡大川,李维嘉

( 中国广州分析测试中心，广东省化学危害应急检测技术重点实验室，广东 广州 510070 )

农药在现代农业生产实践中是必不可少的，农药的检测对于调控和监测环境中的农药农药含量是非常关键的一步。表面增强拉曼光谱技术(SERS)在农药检测方面具有很多优势，例如高灵敏度、简单的操作、原位取样、成本低等。本文中从如何提高SERS灵敏度、可重复性、选择性以及便携性等几个方面来介绍其在检测农药方面的进展。最后展望了SERS用于农药检测的未来趋势和应用前景。

农药; 检测; 表面增强拉曼光谱

1 引言

农药是旨在防止，破坏或驱除害虫的单一物质或混合物。由于在作物生长、收获或储存期间，害虫和疾病能够减少高达三分之一的作物产量，因此农药对于现代农业实践是必不可少的。农药在商业农业中的使用能够促进农业生产力的提高[1]。根据环保局的报告，农药市场份额

在2006年产量为358亿美元，在2007年的超过394亿美元[2]。大多数化学农药对害虫具有毒性，它们的毒性本身对人类，野生动物和环境也构成了一定风险。大多数农药的急性毒性数据都有详细记录。另外，由于农药的慢性毒性数据比较难获得，这已经引起了公众关注。为了监测在自然界中积累的农药和代谢物的量，需要对广泛的样品类型进行常规测试，包括作物，环境(例如土壤，水，空气)，食品，饮料，生物(例如血液)。

20世纪以来， 基于色谱的各种技术例如气相色谱技术(GC)、气相色谱-质谱联用技术(GC-MS)、高压液相色谱技术(HPLC)、液相色谱-质谱联用技术 (LC-MS)、薄层色谱技术(TLC)等[3-6], 已经被用来检测化学农药，这些方法虽然能够提供很高的灵敏度和重复性, 但需要经过复杂的样品处理，而且具有检测时间长、检测结果滞后、检测成本高等缺陷, 不适于现场检测。尽管这些技术在不断改进，但研究快速、可靠、低成本且高效的技术对农药检测的发展具有重要的意义。

2 表面增强拉曼光谱技术(SERS)的研究

表面增强拉曼光谱技术(SERS)是基于拉曼光谱和纳米技术的一种检测技术，其主要作用在于探测分子间相互作用、表征表面分子吸附行为和分子结构。由于SERS 信号比增强前拉曼光谱信号高 106 倍, 所以具有高探测灵敏度、高分辨率、水干扰小、可猝灭荧光、稳定性好等优点, 在检测方面具有很大的应用潜力。SERS技术目前已经被广泛应用于食品化学品、环境污染物、生物大分子以及癌症诊断试剂的检测[7-8]。 最早运用SERS来检测农药的报道在1987年，在那之后涌现出了非常多关于SERS检测农药的报道[9]。本文将从提高SERS灵敏度、可重复性、选择性以及便携性等几个方面来介绍其在检测农药方面的进展。我们还将讨论SERS用于农药检测的未来趋势和应用。

2.1 灵敏度

检测限是衡量SERS检测农药灵敏度的主要标志，SERS的检测限主要取决于底物的类型以及农药的分子结构。从底物的方面来说，SERS检测的灵敏度取决于底物上"热点"的变化，因为研究表明这些热点由于局域表面等离子体共振(LSPR)能够产生强烈的局域场增强[10]。因此，通过增加热点的数量、强度以及位置可以来降低农药的检测限。银或金纳米颗粒(Ag NP、Au NP)被广泛用作SERS的底物，通过添加盐(氯化钠)可以增加热点的数量，从而增强SERS的峰强度。另外，改变纳米颗粒的形状和大小也可以增加局域电磁场的强度以及农药与热点接触的可能性。类似于花或者叶子形状的纳米颗粒已经被用来增强SERS的信号[11-12]。

从农药的角度来说，SERS对不同农药的灵敏度都会不同，因为其独特的，内在的分子振动，农药分子和底物之间的相互作用，以及当与底物络合时农药的相容性。对于固有振动，具有共轭双键体系和对称振动模式的分子比其他分子更具活性。因此，某些农药如结晶紫和孔雀石绿作为用于评估SERS基质的农药靶标更受欢迎[13]。具有能够强烈结合Au和Ag底物的某些官能团(例如硫醇，胺)的农药也是良好的靶。例如，ferbam，thiram，thiabendazole和phosmet已经用于基质评估[14]。从相容性的角度来说，如果靶标与底物的亲和力太弱，SERS检测的灵敏度也会显著降低。例如，由于表面化学的不相容性，诸如多环芳烃(PAH)和多氯联苯(PCB)的疏水性分子将不能很好地吸附在柠檬酸盐稳定的Au或Ag胶体上[15]。因此，已经尝试通过改变基底表面来克服这种限制。在疏水分子检测的情况下，胶体疏水膜已被放置到固定在硅烷化石英基板上的Au NP上以检测PAH[15]。Kubackova等人使用用几种烷基二硫醇修饰的SERS基质以增加这些脂溶性杀虫剂的亲和力并且检测到四种有机氯农药(即Aldrin，狄氏剂，林丹和α-硫丹)[16]。 由于这些农药对表面改性的SERS底物具有较高的选择性，并且由硫醇基团诱导的颗粒间连接产生更多的"热点"，检测限能够达到10-8M。郑等人[17]使用含有油酸盐的凝胶反应系统以避免Fe3O4@Ag微球的聚集并同时修饰合成的Ag NP，从而提高SERS基底的灵敏度。石墨烯、蛋白质以及DNA片段也被用来与底物结合从而改变表面化学增强SERS的灵敏度，但这些技术在复杂基质中的使用仍在研究当中。

2.2 可重复性

尽管SERS作为超灵敏检测工具具有巨大的优势，SERS研究中需要解决的主要限制之一是结果的重现性，特别是关于峰强度方面。因此，定量研究对于SERS是很大的挑战，不仅在农药检测领域，而且在所有种类的SERS应用中。数据变化的起源主要来自产生和控制热点的基底和样品制备。传统胶体SERS基材的热点高度依赖于它们的聚集，与有序的纳米结构相比，尽管它们具有广泛的商业可用性和相对低的成本，但通常因难以控制聚合从而产生更大的信号变化。因此，检测点的选择不能完全盲目。 通过拉曼显微镜，我们能够选择基板上的某些区域使信号浮动最小化。核-壳基胶体纳米颗粒显着改善了SERS的信号变化，因为它们的热点不是由聚集决定[18]。一些研究已经显示可以控制纳米颗粒的均匀性包括将胶体并入溶胶-凝胶和与微流体装置的整[19]。

对再现性的限制的一个原因是每个研究者经常使用不同的拉曼仪器系统并且采用各种可能的配置。例如，使用金胶体作为其SERS基底的4篇参考文献[20-23]使用完全不同的拉曼仪器。除了硬件差异(即LabRAM ARAMIS拉曼，拉曼站400F，雷尼绍RM1000拉曼，DXR拉曼)，它们的激光波长(即633, 780, 785nm)，激光功率(即0.325, 5, 20, 250 mW)，集聚时间(即2, 5, 10, 15s)和光谱分辨率(1, 5cm-1)。缺乏对农药的SERS检测的标准化使得将一个实验室的结果与另一个实验室的结果进行比较具有挑战性。

2.3 选择性

当样品中存在多种农药时，SERS同时有选择的检测混合物中每种农药是一个很大的挑战，即使基质只是水或有机溶剂。理论上来讲，可以认为SERS应该能够从样品混合物中检测多种农药，只要每种农药产生不同的SERS峰。特别是当使用先进的化学基质时，分离和检测多个农药峰是可能的。然而，实际上，SERS每次检测还是要少于5种农药[24]。这可能是因为当存在多种分析物时，对SERS底物的竞争性吸附发生。换句话说，对底物具有较高结合亲和力的目标化合物在底物上具有较大的表面覆盖吸附，因此样品基质中存在的目标化合物的浓度比率不与所产生的SERS峰强度成正比。在某些情况下，农药可能甚至不会产生显著的峰值，因为存在另一种对底物具有更高亲和力的化合物。预分离单个农药或预处理以减少单个SERS测试的农药数量可以解决这个问题，但这将不可避免地增加分析时间和复杂性[25]。

2.4 便携性

SERS开发的一个受欢迎的方面在于它具有现场检测的潜力，与GC / LC-MS方法相比，这是一个巨大的优势。在农药检测应用中，通过现场检测来快速筛选和监测环境、农业生产和工业加工中的农药是非常必要的。为了具有便携式检测系统，它必须快速，轻便，易于使用和小型化。

手持式拉曼光谱仪的小型化和商业化使得便携式SERS检测成为现实。然而，与仪器一样重要的是开发合适的底物。对于便携式应用，由于需要将纳米颗粒沉积在固体表面上并且浓缩/聚集基底所需的附加步骤，所以传统的胶体基基底可能不能很好地工作。因此，固体SERS基底更适合于需要可移植性的检测。另一种方法是开发基于纸的或基于纤维的SERS传感器[26-27]。例如，一个研究将SERS活性纳米颗粒印刷到滤纸上，然后可以在便携式设置中使用高通量分析来筛选许多样品[28]。这些底物不仅具有成本效益，而且能够以小于10%的点间差异显示出可重现的结果。在另一项研究中，在光纤水龙头上制备了模板引导的Au纳米颗粒的自组装成均匀团簇的有序阵列[29]。这些SERS使光纤显示出高性能的SERS，如通过使用结晶紫所证明的。这种批量方法可以为低成本，高效的SERS衬底铺平道路。目前仍需要继续研究以检查底物的稳定性并将其用于更广泛的目标分析物。

3 总结与展望

SERS作为一种多功能的检测工具，已发展成为具有高度潜能的快速检测技术。 为了将分析技术应用于实际和常规应用，重要的是得到相关组织如AOAC国际的接受和批准。虽然有数千种不同的SERS基板，但它们的性能测试通常在不同的目标上进行，因此，难以比较不同基底之间的性能。此外，实验方法和拉曼仪器/规格如激光功率，孔径尺寸和使用的积分时间取决于研究者的选择，因为没有标准化的协议。因此，研究实验室使用SERS进行标准农药检测分析的指示很少。

SERS本身具有快速，痕量水平检测污染物(例如农药)的许多优点。然而，与任何分析技术一样，使用一种技术进行检测测定存在局限性。为了克服这些限制，与其他有用技术的整合可以带来额外的优势，例如结果验证，更好的提取程序和检测的自动化。通过更多这些类型的集成研究，SERS的优势将反映在更多的研究中，并可能扩展到更广泛的应用。仪器的显著进步也非常重要，以便将SERS作为一种常规的和具有成本效益的分析技术。

使用SERS检测农药的另一个新趋势是分析已经内化或渗透到活组织细胞中的农药的能力。系统性农药能够渗透到植物组织中并从应用部位转移到植物的其他部分。 在所有原位SERS研究和许多应用简单提取程序的SERS研究中，它们的应用仅限于表面上的农药。因此，需要更多的研究来检测内化农药。为了观察微量水平的杀虫剂随时间的内在化，可以通过添加对所关注的农药具有强吸附亲和力的可穿透纳米颗粒来进行SERS。结合共焦拉曼显微镜可以在植物组织内逐层扫描，能够研究内化农药的穿透深度和位置。

通过调查使用SERS分析农药残留的可能性，它不仅为内部农药的原位检测打开了大门，而且为了解农药行为及其命运的机制打开了大门。了解农药渗透行为和命运将帮助我们制定更好的战略，以安全，有效地应用农药。

总体而言，SERS对广泛农药检测具有很高的灵敏度，这也促进了其在快速分析检测农药方面的应用。SERS作为农药检测工具的扩展也开始成为现实，因为更具成本效益的底物的商业化已变得更常见。此外，通过整合其他分析技术来扩大SERS的使用范围，拓宽了其使用范围。最后，新的研究领域，如原位植物中间化农药的分析准备扩大SERS的普及。

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(本文文献格式：许泽群，梁洁仪，蔡大川,等.表面增强拉曼光谱在农药检测方面的进展[J].山东化工，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

广东省科技计划项目(2013B091604003)，广东省科技计划项目(2015B090906023)，广东省科技计划项目(2013B020501005)

许泽群(1990—)，广东汕头人，本科，助理工程师，中国广州分析测试中心。

S481.8

A

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