表面增强拉曼光谱技术在食品快速检测中的应用

宋移欢 ，孙晓红，谢锋 *

1. 贵州医科大学公共卫生学院（贵阳 550025）；2. 贵州省分析测试研究院（贵阳 550002）

越来越多的食品安全问题曝光在公众的视野中，对人类健康构成巨大危害。食品污染物进入食品中，会造成重大健康恐慌和经济后果。常规实验室检测方法如高效液相色谱法、液相-质谱联用法、气相色谱法、气相-质谱联用法，样品前处理周期长、操作复杂、耗时费力、费用高、对仪器设备要求较高、需要专业人士操作等，一旦发生食品安全事件，不适用于现场监督检查，因此食品的快速检测方法成为迫切需要。

表面增强拉曼光谱技术（SERS）利用纳米尺度的金、银、铜等金属的粗糙表面或颗粒体系所具有的光学增强效应使吸附在该材料表面或附近的分子拉曼信号大幅提高，得到分子的振动模式及化学信息，从而实现对低浓度分析物进行高灵敏度的结构检测，检测速度快而准确，操作简便，在成分分析中可实现在线原位无损检测。特别是便携式手持式拉曼光谱仪，具有很大的潜力，是一种较实用的分析工具，在环境检测、司法鉴定、材料科学、生物医学、考古学、食品科学等领域都发挥着巨大应用价值。便携式表面增强拉曼光谱仪在食品分析与检测中应用较为广泛[1]。表面增强拉曼光谱作为一种新型的快速检测技术，具有信息含量丰富、灵敏度高、快速简单、可无损检测等优点，在食品现场快速筛查和常规监测方面，结合便携式拉曼光谱仪能够立刻赶赴现场进行筛查检测，无需等待样品送检，从而大幅减少抽样时间，有效防止样品发生变质，导致试验结果不准确。因此，为了满足日益增多的现场检测需求，保障各环节食品安全，表面增强拉曼光谱技术具有重大的现实意义。对表面增强拉曼光谱技术在食品快速检测中的应用研究进展进行综述。

1 SERS检测食品中的农药残留

农药是保护农作物和生产人口所需粮食的关键成分。目前所使用的农药大致可分为有机氯、有机磷、氨基甲酸酯和拟除虫菊酯四大类。然而，这些农药一旦过量使用，进入粮食、蔬菜、水果中，容易造成食物污染，危害人体健康。对于广泛存在的农药残留问题，传统实验室大型色谱仪器设备检测方法已然不能满足。SERS由于检测快速、特异性好等优点，在农药残留检测中能够达到很好的检测目的和效果。对食品样品的研究主要集中在蔬菜水果上，因为这些样品基质简单，前处理方便甚至不用处理，对仪器的干扰较小。其中，对于增强基底的使用也在不断创新与发展。一般以金、银等贵金属纳米颗粒为主。吴燕等[2]制备金纳米粒子并使用便携式拉曼光谱仪采集叶菜中农药残留亚胺硫磷、福美双和啶虫脒的SERS光谱，检测限分别为0.5 mg/kg以下，0.5 mg/kg以下以及1 mg/kg以下，不仅所用时间少，而且结果可靠。另外运用SERS技术与化学计量学结合的方法[3-4]，能够很好地实现对果蔬中农药残留的检测，其检测限远低于国家标准要求（5 mg/kg）[5]。近年来研究者们将增强基底制成传感器形式，使得检测效率更高。Wu等[6]利用基于双锥体金纳米粒子（BP-AuNPs）的胶带传感器，对黄瓜、番茄和苹果表面的甲基对硫磷进行SERS检测，其检测限可达到ng/cm2水平。任何表面（如水果和蔬菜）上的检测分子可通过这种简单的商业胶带“粘贴和剥离”方法收集，在胶带上加入BP-AuNPs胶体后进行SERS检测，这种传感平台为检测水果和蔬菜表皮上的农药开辟新途径。对保障农业、食品和环境安全具有重要的应用前景。表明SERS为食品中农药残留的检测提供一种快速、灵敏的方法。Kang等[7]采用电化学沉积方法制备树枝状金纳米结构改性碳纤维针状（AuCFNs）SERS基片，成功分离和检测甘蓝上的乙胺嘧啶农药，检出限为0.05 μg/mL。在树枝状纳米结构上获得大量的金凸起，并有大量热点来增强局部表面等离子体共振，大幅提高SERS测定的灵敏度，而且该基片具有可重复使用性、易于制造和尺寸极小等特点，尤其适用于样品稀少或非常小或不在表面的试验，不仅在混合物分析中，而且在微观基质检测中显示出良好的应用潜力。除了较常规的SERS硬性基板用于农药残留的检测，近2年有研究者开发柔性SERS基板，Chen等[8]新开发一种以银纳米粒子（AgNPs）修饰的纳米纤维素凝胶状柔性基板，由于纳米纤维素具有良好的分散性和较大的比表面积，可以负载丰富的AgNPs，保证底物良好的灵敏度和均匀性，防止纳米粒子的聚集，从而使得对苹果皮和卷心菜上的两类农药进行原位SERS检测取得良好效果。Shi等[9]采用简便的磁控溅射技术合成一种具有高表面增强拉曼散射性能的柔性、稳定的金纳米薄膜/蝉翼纳米复合材料，对果皮上的乙酰甲胺磷进行检测，其检出限为10-9mg/mL。

农药残留检测的增强底物在不断发展，新型柔性基板与常规硬性基板相比，制作方便简单、环保、低成本，为基底开发提供新的研究方向，在食品安全和环境保护方面具有巨大潜力。为满足小型化的检测需要，拉曼检测仪的使用也取得进步。早期农药残留拉曼检测的研究多是采用傅里叶变换拉曼光谱仪[10]、显微拉曼光谱仪[11]等实验室大型拉曼仪，而近年来使用便携式拉曼仪成为一种趋势，主要在于其体积小，使用便利，加上SERS技术的蓬勃发展，使得其在农作物现场有较好的应用场景。虽然农药的化学成分很复杂，但拉曼光谱对每一种农药都具有特征性，因此SERS在农药残留检测方面有很大的发展空间，未来可能测定各种农药的拉曼光谱，分别形成数据库和评判模型，从而可对果蔬中所含农药成分进行精准、智能识别。

2 SERS检测食品中的兽药残留

兽药作为治疗疾病和感染、控制寄生虫病及帮助减轻患病或受伤动物疼痛和感染的治疗药物，在畜牧业中被广泛使用。在食用动物中使用的兽药有可能在动物源性食品（肉、奶、蛋和蜂蜜）中产生残留物，并对消费者造成健康危害。其中，抗菌素种类繁多，使用广泛。为追求经济效益，许多养殖户将禁用药物当作添加剂使用的现象相当普遍，如饲料中添加盐酸克仑特罗（瘦肉精）引起的猪肉中毒事件、水产品中添加孔雀石绿[12]等。有研究预测，到2030年，中国抗菌药物的消费量将比2010年增长67%[13]，将对食品安全构成巨大威胁。表面增强拉曼光谱法在食品兽药残留中的检测主要集中在β-受体激动剂、抗生素药物方面。甘盛等[14]用表面增强拉曼光谱法检测盐酸克伦特罗、盐酸莱克多巴胺、硫酸特布他林等β-受体激动剂，分别考察给药和停药期间药物在猪尿液、毛发、粪便和肌肉组织中的浓度，得出加标回收率均在94.0%以上，相对标准偏差小于2%。该方法虽存在检出限稍高的问题，但为食品监管部门抽检养殖场、屠宰场生猪及市售猪肉产品提供操作简便、成本低的选择，可在各环节实现检测分析。彭义节[15]分别对不同的纳米溶胶、不同量的还原剂（柠檬酸三钠）及不同加热方法进行考察，制备最佳SERS活性基底，对鸭肉中萘夫西林、阿莫西林和青霉素G钾这3种青霉素残留进行定性与定量分析，不仅提高检测效率，而且考察其最优检测条件，得到可靠结果，对多种抗生素残留检测具有指导意义。除了使用未加修饰的金银纳米材料作为增强底物外，徐莹[16]采用一种银修饰的氨基改性聚甲基丙烯酸缩水甘油脂-乙二醇二甲基丙烯酸酯粉末多孔材料为增强基底，对鸡肉中的恩诺沙星残留进行检测。该方法最低检测浓度可达0.01 mg/kg，优于高效液相色谱紫外检测方法的最低浓度0.05 mg/kg，可见SERS方法灵敏度更高，表明SERS技术存在检测限较高的问题有所突破。李萍等[17]使用硫醇修饰的磁性银花纳米粒子基底对牛奶中的氯霉素进行SERS检测，检测限为1 nmol/L（323 ppt），与美国FDA规定的检测限0.3 μg/kg（300 ppt）相当，具有较好的检测限和线性范围。说明这种改性基底材料具有较高的活性，能够用于低浓度物质的分析检测。

近年来，SERS技术在兽药残留检测方面虽取得良好效果，但其应用还不是很广泛，主要是对牛奶、蜂蜜等[18]简单基质中的兽药残留检测较多。由于肉制品中的目标物在提取和富集上较困难，所以在对于基质较复杂的肉类应用还比较少，检测技术不成熟，很多检测指标需要对样品进行衍生化等繁琐的前处理过程，导致目标物损失较大，效果不理想。因此，样品前处理简单化甚至不需要样品前处理以及制备高活性的增强底物是迫切需要解决的问题。使用改性基底效果显著，有研究报道新型SERS“纸基”材料，该类低成本、灵活、轻量级的纸质SERS平台具有很强的SERS性能和现场SERS分析潜力，但目前只在农药残留和医药检测方面有所涉及，未来有望应用于食品中兽药残留检测[19-20]。

3 SERS检测食品中的非法添加物

在众多的食品安全问题中，滥用非食品加工添加物的不法行为给食品安全带来严重隐患。以2008年“三聚氰胺”奶粉事件重大食品安全事件爆发为起点，如吊白块、苏丹红、罂粟壳、塑化剂等众多食品安全事件频频发生，在2019年央视“3·15”晚会上又被曝光添加“斑蝥黄”的伪劣土鸡蛋，严重侵犯消费者权益，损害人民健康。表面增强拉曼光谱法在食品掺假掺伪检测中具有较大优势，对食品筛查快速准确。近年来主要是对食品中常见的三聚氰胺，着色剂（如酸性橙II、苏丹红、碱性嫩黄等），保健品中西布曲明等非法添加物的SERS检测，做到定性与定量分析。黄鹏程[21]将表面增强拉曼光谱检测技术与固相萃取柱结合，对奶粉中的三聚氰胺进行快速定量检测，检出限为0.1 μg/g，定量限为0.25 μg/mL，回收率为96.1%～103.6%，重现性好，精密度高，检测成本低，前处理方法简单快捷，显著缩短检查时间。Gao等[22]使用分子印迹聚合物、薄层色谱与SERS技术结合，开发新型生物传感器，对辣椒粉中的苏丹红I测定下限为1 μg/mL，能在30～40 s将苏丹红I从辣椒提取物中分离出来，所需样品预处理次数少。该生物传感器具有快速、可靠和低成本的特点，可用于食品化学污染和掺假的现场快速检测。对于乌洛托品、塑化剂、罂粟壳及新兴的非法添加物检测虽然较少，但也在不断发展与完善。贾宝申等[23]基于密度泛函理论，使用Gaussian09软件包对乌洛托品的分子结构进行优化，采集其拉曼光谱，从而建立乌洛托品SERS特征峰强与水溶液浓度之间的函数关系，并应用于粉丝样品的检测，检测下限可达10-6g/mL。施国跃等[24]发明一种表面增强拉曼光谱检测塑化剂领苯二甲酸酯方法，其直接利用拉曼增强活性材料Au@Ag@β-CD纳米溶胶与待检测物混合，通过“咖啡环效应”和环糊精吸附的二次富集作用，实现对痕量物质的富集与放大，能够定性和定量分析邻苯二甲酸酯。该方法提出的基底制作较为简单，解决高活性基底制备复杂困难的问题。早期研究者只报道对罂粟碱SERS检测的理论研究[25-26]，扈晓鹏[27]将薄层色谱技术与表面增强拉曼光谱技术（TLC-SERS）联用对火锅底料中的罂粟壳成分罂粟碱和那可丁进行检测分析，说明SERS技术应用广泛、灵活，为更多食品非法添加物的检测提供依据。

尽管对三聚氰胺、着色剂等非法添加物的SERS检测较为普遍与成熟，具有很高的特异性和灵敏性，但由于SERS信号的低重复性，还没有成为国家通用的技术标准，只能作为一种辅助参考。对于非法添加物的出现，如斑蝥黄、环氧大豆油等，尚未有相关SERS检测报道，其检测方法还有待开发，存在广阔的应用领域。

4 SERS检测食品中的有毒有害物质

4.1 SERS检测食品中的毒性有机物

重金属非常难以被生物降解，但却能在食物链的生物放大作用下进行富集，进入人体，干扰人体正常生理功能，造成慢性中毒，危害健康，因此对水生生态系统中重金属离子的监测变得至关重要。近年来大量研究报道基于SERS对水中危害重金属汞、镉、砷、铬的快速检测方法[28-31]，由于重金属离子SERS光谱本身就很弱，直接检测其振动谱比较困难，而且无法检测到零价或阳离子状态重金属的拉曼光谱，因此许多研究主要在于SERS基底材料的开发与联用，涉及探针、荧光、纳米棒和传感器等，旨在提高检测灵敏度，从而间接达到检测目的。Song等[32]研制一种基于玻璃芯片的新型表面增强拉曼光谱传感器，通过将单链寡核苷酸探针固定在优良的银纳米棒阵列SERS衬底上所制备，其线性校准曲线为1 pmol/L～1 μmol/L，检测限为0.16 pmol/L，对纯水中稀释的汞离子有很高的灵敏度和特异性。SERS以其超灵敏、特异性好等优点受到广泛关注，因为它可以检测单个分子的痕量分析物，相对于传统的检测方法具有很大优势。

多环芳烃（PAHs）是广泛存在于生活环境中的持久性有机污染物。有许多研究报道SERS技术在多环芳烃中的检测[33-35]。PAHs可能从受污染的食品接触材料迁移到食品中。Zhang等[36]采用表面增强拉曼光谱（SERS）与表面微萃取相结合的方法，使用甲醇和1-丙硫醇修饰的银纳米粒子，对5种食品接触材料中的3种多环芳烃进行检测，分别获得其表面增强拉曼光谱图，检出限可达0.27 ng/cm-2。该方法可快速筛选，无需复杂样品预处理的受污染食品接触材料上的多环芳烃。杨海峰等[37]发明针对食用油中苯并[a]芘的现场检测方法，制备以肌醇六磷酸钠为保护剂的金/磁性纳米粒子，实现现场检测食用油中的苯并[a]芘，检测时间少于3 min，大幅提高检测效率，准确度高，有效监测环境污染物。

大多数对毒性有机物的检测系统需要高精度的样品制备、昂贵的实验设备和较长的周转时间，这使得它们并不适合远程或现场应用，因此开发简便可靠的方法进行现场快速、灵敏的测定成为形势所需。虽然近年来的研究成果显著，为后续毒性有机物SERS传感器的发展铺平道路，但SERS底物的灵敏度和重现性仍然是检测的主要问题，特别是在复杂的生物液体如尿、血清和血液中检测，为满足环境应用的要求，需要对传感系统进行优化，有效的SERS传感器的发展仍是一个巨大挑战。随着尺寸和形状调整，多功能金属纳米结构的合成以及便携式分离技术的发展，有望克服现有局限性，促进该技术应用。

4.2 SERS检测食品中的有害微生物

近年来食物传播细菌受到越来越多关注，因为这些致病菌引起许多食物传播疾病，感染剂量低，健康风险高。表面增强拉曼光谱（SERS）是一种强有力的快速检测细菌的新技术，已开发多种SERS细菌检测分析方法[38-41]，不仅是对简单细菌的分析，还在实际样品的细菌检测中有所应用。Pearson等[42]采用三巯基苯基硼酸作为非特异性细菌捕获剂和指示分子，开发一种灵敏可靠的表面增强拉曼光谱夹心法，快速检测池塘水和菠菜叶中的细菌，提出了SERS技术在环境和食品基质中的实际应用。De Marchi等[43]研究利用表面增强拉曼散射光谱对大肠杆菌和绿脓杆菌分泌的代谢物进行无创和可视化检测，该混合细菌群中化学相互作用的检测表明，SERS在研究支持多物种微生物群落的化学方面具有潜力，而不仅仅只限于单独的微生物种群。

食品被真菌毒素污染后，在食用者体内蓄积，会引起急性中毒、慢性中毒，严重者还可能诱发原发性肝癌、胃癌、肺癌等。黄曲霉毒素是最具毒性的真菌毒素之一，有强致癌、致畸和致突变作用，在极低浓度下会不可避免地污染食物和饲料。Qu等[44]采用薄层色谱表面增强拉曼（TLC-SERS）技术，对花生中的黄曲霉毒素进行快速分离和高灵敏度检测，收集SERS光谱，利用密度函数理论进行分析，对TLC板上的样品斑点进行SERS分析，并对发霉花生中的黄曲霉毒素进行现场SERS检测。袁景[45]基于SERS技术对脱氧雪腐镰刀菌烯醇（DON）和展青霉菌素（PAT）进行检测，得到2种真菌毒素的SERS振动归属，并对玉米、芸豆、燕麦中加标的DON进行检测，检测限为10-6mol/L，达到中国谷物中DON的限量标准（1 mg/kg）[46]。为进一步探索与开发实际样品中PAT的SERS检测提供良好基础和平台。由此可见SERS技术在真菌毒素检测中发挥重要作用。

传统的微生物病原物检测和鉴定方法主要依赖于特定的微生物和生化鉴定。一般经过富集、菌落分离和确认几个步骤，初始结果需要2～3 d，确认需要7～10 d，时间漫长，过程繁琐。而便携式、快速和敏感技术的发展成为一种进步势头，SERS技术相比现有检测技术具有许多优势，包括所需时间短、高通量筛选、实时分析和无标签检测等，不仅能够快速、准确地检测和鉴别细菌，检测限还能达到单细胞水平。

5 结语与展望

表面增强拉曼光谱由于对靶分子有独特特异性，在食品应用中取得较好效果，正逐渐成为食品筛查领域的一种流行技术。为了具有较高的检测灵敏度，未来SERS基底将会以追求高活性、靶向性、多样化、均一稳定的方向创造研究，固体SERS基片的小型化是发展主要趋势，不断开发微通道、微流控或传感器等SERS基底材料，实现低成本及批量生产，满足产业化、商业化和市场化需要。另外SERS还受到许多参数的影响，如激光功率、积分时间和分析物浓度等，这些不稳定因素是亟待解决的问题。随着拉曼硬件和取样技术发展，从大型拉曼光谱仪到便携式拉曼光谱仪再到手持式拉曼光谱仪的出现，开发更小型、性能更好，灵敏度更高的拉曼光谱仪将会是一种趋势。虽然SERS可作为食品基质定性和定量分析的快速技术，但SERS在定量分析方面仍面临很大挑战，通常采用光谱数据与化学计量学相结合的方法来处理，还需要更多研究以确定在复杂的食品基质中获得可重复结果的最佳条件，使痕量检测成为可能，在食品污染的应急监测和食品的日常检验中，实现快速筛查检测目的，保障中国食品各环节质量安全，研究便携式和自动化的定量SERS检测将成为发展新方向。