SERS技术在食品安全检测中的应用

孙娇娇，董 军，郭玉蓉

(1.西安邮电大学 电子工程学院,陕西 西安 710121； 2.陕西师范大学 食品工程与营养科学学院， 陕西 西安 710119)

随着食品安全问题受到越来越多的关注[1]，对食品快速检测技术的要求也越来越高。传统检测技术耗时长、成本高、操作复杂，已经无法满足当前的食品安全检测标准和需求，实行快速、高效、无损检测技术已经迫在眉睫。

随着现代生物技术的迅速发展，特别是光学、化学、生物学学科的交叉融合发展，推动表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectroscopy,SERS)技术等新型检测技术的快速发展。SERS技术是一种快速的无损检测技术，通过材料内化学键与光的相互作用引起拉曼散射的增强来获取散射光的信息从而表征待测物的相关性质[2]。由于SERS技术几乎不受水分影响，且具有检测速度快、样品需要量少、灵敏度高等特点，使其在食品安全检测[3]、环境检测[4]、生物医药[5]等许多应用领域得到广泛应用。本文介绍了SERS技术的发展，综述了其在食品安全检测方面的应用，展望了SERS技术在食品安全检测领域的发展趋势。

1 SERS技术

拉曼散射是指入射光与物质发生相互作用后，一部分散射光与入射光发生的频率变化[6]。拉曼光谱能够比较详细地反映出分子化学结构、形态、相互作用形式等特征。但是拉曼散射效应非常微弱，较难捕捉，极大的限制其应用。直到1974年，文献[7]在观察粗糙银电极表面吸附的吡啶分子时，发现了高强度的Raman散射信号，引起了研究界极大关注。随后，研究者经过大量实验发现，具有纳米结构的贵金属衬底表面可以显著增强拉曼信号，光谱散射强度增强104～1010倍，即产生表面增强拉曼效应[8]。

SERS技术的增强机理目前还不清楚，被广泛认可的有电磁场增强理论和电荷转移增强理论。电磁场增强理论认为，粗糙金属表面发生表面等离子体共振，导致表面局域电场增强，提高了探针分子的拉曼信号[9]。在金、银等贵金属表面，这种现象较为突出，增强的因素主要取决于材料自身的性质、种类、表面粗糙程度等[10]。电荷转移增强理论认为，当金属表面与探针分子距离足够近时，两者之间发生电荷转移，即在入射光的激发作用下，衬底表面电子由金属的填充能级向吸附分子的某一激发态轨道转移，当能量差等于入射光子能量时，出现的共振现象增强了拉曼信号[11]。目前，普遍认为这两种机理共同存在，在不同的体系、不同的条件下，二者发挥作用的方式不同。在电场增强理论中，虽然化学增强相对贡献较小，但化学增强过程在实际增强光谱研究中仍然发挥着积极作用。

2 SERS活性基底

良好的SERS活性基底是SERS技术应用的关键，不同类型的基底也决定着SERS技术的应用领域。性能优良的SERS活性基底需要具有制备工艺简单、易操作、重复性好等特点。

按照SERS活性基底的组成种类可以分为单一SERS活性基底和复合SERS活性基底两类。传统SERS活性基底主要是金和银胶体。金银胶体可以具有多种形态，如纳米棒、纳米立方体等[12-13]。研究者已经探索出多种方法，能够大规模制备金银胶体且广泛应用于食品安全检测中。文献[14]采用溶剂热法成功地合成了纳米棒、三角形板、六角形板、纳米立方体和多面体等具有不同结构的银纳米粒子，特别是其制备了独特的银九面体纳米板，可以作为SERS测量的高灵敏度基底。文献[15]制备了花状银纳米基底，纳米颗粒的直径从450 nm调整到1 000 nm，表面突起高达10～25 nm，银纳米颗粒的粗糙表面可以产生更强的电磁场增强，在浓度低至10-9mol/L的条件下，依然成功检测到罗丹明6G，其同时还检测了食用蓝、柠檬黄、日落黄和酸性红4种不同食品着色剂的SERS光谱，并对4种食品着色剂的特征谱带进行了鉴定，利用主成分分析法计算出食用蓝、柠檬黄、日落黄和酸性红的检出限分别为79.285、5.343 6、45.238和50.244 μg/L。

为了不断拓宽SERS技术的应用，复合SERS活性基底的研究越来越深入。有通过分子修饰贵金属纳米粒子得到复合SERS活性基底，也有不同功能和形状的基底与金属纳米粒子复合得到复合SERS活性基底。复合SERS活性基底的制备既保留了金属纳米离子的增强活性，又增加了复合材料的性质和功能，显著拓展了SERS技术的应用领域。

文献[16]利用半胱胺修饰金纳米颗粒检测食品中的庆大霉素的最大残留限量为100 nM，检测水中庆大霉素的浓度低至12.45 nM，达到快速检测和定量庆大霉素的能力。文献[17]制备出纤维素纳米和纳米银粒子复合基底。纤维素纳米有很大的表面区域和三维纳米纤维网络[18-19]，它可以增加与纳米银表面反应分子的潜在数量同时提高基底表面的粗糙度，增强了SERS信号强度。除此之外，光学、热力学、高比表面积的二维碳材料与贵金属纳米复合的基底材料、金属离子与有机体自组装形成的网状骨架结构基底材料都广泛用于食品领域。

3 SERS技术应用于食品安全检测

SERS技术具有指纹谱图的高能量分辨率及单分子水平的检测灵敏度，能够实现某些检测项目的非定向快速筛查，并进行定性定量分析[20]。下面围绕SERS在食品农药残留检测、食源性致病菌检测、食品添加剂检测等方面的应用分别介绍。

3.1 食品农药残留检测

近年来，杀虫剂的广泛使用、农药残留问题严重，传统的检测方法操作复杂、时间长，不适用于现场检测。SERS技术已用于多种微量农药残留的检测。文献[21]在镀金硅片上将金纳米棒自组装成阵列状，检测从果汁和牛奶中提取的农药西维因。结果表明，SERS方法能够在50 ppb水平上检测从果汁和牛奶样品中的西维因。西维因在橙汁、柚子汁和牛奶中的检出限分别为509、617和391 ppb，均低于美国国家环境保护局设定的最大残留限量。文献[22]使用金胶作为基底，检测苹果果汁中的百草枯。由于百草枯分子具有离子特性、高度亲水性和对称性结构，倾向于通过氢、离子和π-π键和金纳米粒子相互作用。在测定百草枯的同时，对苹果汁的有机基质包括果糖、蔗糖和葡萄糖等糖类和苹果酸和柠檬酸等有机酸类也进行了SERS分析。结果显示，糖或有机酸都有可能阻止百草枯分子在金纳米粒子表面的吸附。由于电荷效应的原因，降低了SERS方法的灵敏度。文献[22]采用固相萃取法提取苹果汁的制备方法，有效地降低某些天然化合物对百草枯的SERS分析的影响，最低的检出浓度为0.02 μg·mL-1，检测时间约为40分钟。由于苹果汁中的有机基质对百草枯的SERS强度有负面影响，减少干扰是成功检测的一个关键因素。通过设计稀释方法可以减少苹果汁中基质的浓度，百草枯最低的检测浓度可以达到0.1 μg·mL-1，检测时间约为10分钟，成本低、用时短、易操作，可行性较高。

在食品的农药检测研究中，主要根据SERS基底类型及检测样品的特点探索不同的方法优化基底的尺寸、形状和组成。近年来，人们开始关注柔性SERS增强衬底材料。文献[23]在纳米银粒子表面修饰聚丙烯腈纤维并对形态制备进行优化得到柔性SERS基底，用于食品的农药残留测定。研究者选取p,p′-DDT、水胺硫磷、杀灭菊酯和光气4种有机氯农药，总检测时间小于1分钟。利用该衬底，即使当样品浓度低于5 ng·cm2时，靶向目标的检测效果依然较好。氟虫腈是一种苯基吡唑类杀虫剂，其杀虫谱广，曾经被广泛应用。目前在鸡肉、鸡蛋中检测氟虫腈的方法有限，且检验样品制备复杂。文献[24]通过制备SiO2@Au核壳纳米颗粒基底，实现了鸡肉中氟虫腈的快速检测，为实现食品残留氟虫腈检测提供了可能途经。

3.2 食源性致病菌检测

食源性致病菌可以引发食物中毒或传染病的流行，严重者可危及生命，常见的有沙门氏菌、致病性大肠杆菌、李斯特菌等。食源性致病菌引发的全世界公共卫生问题越来越多[25-26]，必须研发有效、快速的检测方法。传统的细菌培养法、结合聚合酶链式反应及免疫检测技术费时费力，需要大量的专业人员。SERS技术为快速检测食源性致病菌提供了新的思路。文献[27]将纳米银粒子分别与金黄色葡萄球菌、变形杆菌、大肠杆菌3种致病菌混合，利用便携式拉曼光谱仪检测并对拉曼光谱信号进行对比分析。研究发现变形杆菌在波数725 cm-1附近的振动峰强度最强，在950和1 463 cm-1附近的振动峰最弱，650和1 325 cm-1处附近的振动峰强度居中，而大肠杆菌在650 cm-1附近的振动峰强度最强，在950、1 125、1 242、1 320和1 457 cm-1附近振动峰较弱，以此实现了致病菌的检测。文献[28]利用万古霉素修饰银纳米棒为基底，检测了绿豆芽中沙门氏菌血清型Anatum、沙门氏菌血清型Cubana、沙门氏菌血清型Stanley、肠炎沙门氏菌、大肠杆菌O157∶H7和表皮葡萄球菌6种食源性致病菌的拉曼散射信号。研究发现，基底的厚度和长度均会影响SERS的强度，当1 mm万古霉素包被600 nm银纳米棒时，致病菌产生了最强烈的SERS信号。6种致病菌均可以被有效鉴定，检测限低至100 CFU·ml-1。研究使用便携式和手持拉曼系统，检测时间不超过4小时。上述研究均表明，SERS技术在食源性致病菌检测中具有低检出限和快速检测的优势，可以广泛应用于食品的现场检测。

3.3 食品添加剂检测

食品添加剂是为改善食品品质加入的人工合成或天然物质，包括抗氧化剂、甜味剂、护色剂等。SERS技术已经应用于多种食品添加剂的检测中，如护色剂[29]、甜味剂[30]、抗氧化剂[31]和防腐剂[32]等。在食品防腐剂中，山梨酸钾和苯甲酸钠是最常见的，文献[33]利用SERS技术实现山梨酸钾和苯甲酸钠的痕量检测。山梨酸钾和苯甲酸钠都属于酸性防腐剂，为此制备了具有良好的耐酸性的以HfO2超薄薄膜包裹银纳米棒阵作为SERS基底，利用偏最小二乘法对两种防腐剂进行定量分析。实验证明该方法可以用于单一和混合食品防腐剂的分析。亚硝酸盐作为肉制品护色剂具有致癌性和致畸性，过量食用会威胁到生命安全。文献[34]制备了金纳米棒和Fe3O4/TiO2/Au纳米磁性复合物自组装的磁性试纸，实现了对亚硝酸根的定性及定量检测。文献[35]利用SERS技术，以纳米银颗粒为基底，检测了的7种色素，包括胭脂红、喹啉黄、间苯胺黄和专利蓝V等4种人工色素，以及甜菜汁、姜黄、紫胡萝卜提取物等3种天然食品着色剂。该研究利用主成分分析方法，直接清晰地对比出人工和天然食品着色剂，检测时间低于10分钟。

3.4 抗生素和非法添加物检测

一些不法商家在食品中加入过量抗生素或非法添加物以谋取暴利，这些化学物质严重危害人民身体健康。

三聚氰胺是一种氮含量较高的化工原料，2008年国内的三聚氰胺奶粉事件引发了严重的公共卫生问题，造成重大经济损失。目前为了快速、灵敏、准确的检测出三聚氰胺，常用的分析方法有色谱检测法、免疫检测法和光谱检测法等。SERS技术在三聚氰胺的检测中优势突出。各种金属纳米结构形状的SERS基底被应用于检测牛奶中的三聚氰胺，例如银纳米粒子[36]、金纳米粒子[37]、聚集的Au@SiO2纳米粒子[38]、银纳米棒[39]和银沉积聚苯乙烯微球[40]等。文献[41]利用柔性纤维和Ag@SiO2纳米立方体作为SERS基底，实现对三聚氰胺的检测。Ag@SiO2纳米立方体粒子的间距主要由超薄SiO2控制。柔性纤维有助于纳米粒子的组装，通过改善Ag@SiO2纳米粒子的组装来获得增强的电磁热点，产生等离子体子耦合效应，SERS强度显著提高。从光谱图看，该研究三聚氰胺特征峰出现在684 cm-1处，检测限为0.06 mg/L，液态奶检出限降到0.17 mg/L，低于法定允许的残留限量。另外，还具有样品用量少、耗时短、灵敏度较高的特点。文献[42]采用共沉淀法在室温下制备出形状可控的纳米银颗粒，三聚氰胺直接吸附在银表面，获得了较强的SERS信号。其中树莓状银样品显示出的信号最强。

在动物的饲养过程中，通常会在饲料中添加一定计量的抗生素，用于动物治疗或预防其疾病的发生，加快动物生长，提高经济效益。抗生素会在人体内积累，过量的抗生素会导致人体耐药性增强、器官的病变、致癌、致畸等严重后果。SERS技术已经成为各种抗生素检测的常用有效技术之一。SERS技术能够实现硝基呋喃类抗生素[43]、四环素[44]等的快速检测。青霉素是一种高效的抗生素，广泛应用于牲畜传染病的治疗和预防。文献[45]利用银纳米粒子为基底，检测牛奶中的青霉素，实现了样品的两步预处理工艺，避免了牛奶中其他物质的干扰，检测限为2.54×10-9mol/L，低于欧盟标准。利用SERS技术可以准确地从混合抗生素残留样本中分辨出其含有的抗生素类型。文献[46]制备了Ag-TiO2活性基底，实现了对水中盐酸地氟沙星、环丙沙星、恩诺沙星、达诺沙星和依诺沙星等5种常用的喹诺酮类抗生素的检测，检出限分别为4.36×10-12、7.08×10-11、3.94×10-11、3.16×10-11和3.15×10-10mol/L，低于欧洲规定的最大残留限量3.01×10-7mol/L。

3.5 重金属检测

铅、镉和汞等重金属污染，已经成为一个全球性的问题。工业排放的废水、家庭生活垃圾等将重金属释放到环境中。长期暴露在有害重金属离子环境中，即使在重金属离子浓度较低的环境中，也可能会导致人产生发育迟缓、生殖障碍、血液病、肝疾病、肾疾病等多种疾病。重金属离子的传统检测设备体积较大，不方便携带，难以实现现场检测。

拉曼光谱技术通过分子振动光谱区别不同物质结构。重金属离子不能被拉曼光谱技术直接检测到，通过能被拉曼光谱识别的分子与重金属离子作用，产生拉曼信号，就能够达到检测目的。比较普遍的方法是使用DNA/寡核苷酸结合染料作为标记，越来越多种类的探针被用于重金属的检测[47]。文献[48]使用盐酸吖啶黄作为探针，以银纳米颗粒为基底，实现了对Hg2+的检测。银纳米粒子和Hg2+能够形成银汞合金，有效地抑制吖啶的分子，从而降低吖啶的SERS强度。具有浓度依赖性特点的SERS的强度变化能够用于Hg2+的测定，检测限低至1.4 mol·L-1。柠檬酸盐分子的羧基和羟基对Pb2+、Ni2+、Cd2+和Hg2+等多种二价重金属离子有很强的亲和力，利用这一特点能够实现二价重金属离子的检测。文献[49]利用金纳米粒子检测Pb2+，Pb2+与表面的柠檬酸盐分子之间的特异性相互作用，使其成为检测Pb2+的传感应用。

3.6 其他食品安全检测

SERS技术在食品安全检测方面应用的越来越广泛。真菌毒素是真菌在食品或饲料中生长产生的代谢产物，会造成人体细胞毒性、肾毒性、神经毒性、致癌性、致突变性、免疫抑制等多种不良后果，严重威胁人的身体健康。文献[50]合成了金银核壳纳米棒，利用壳聚糖和Fe3O4构建检测探针检测黄曲霉毒素B1，检测限低至0.54 pg/mL。文献[51]研制了基于SERS技术的免疫传感器，用于检测食品中的黄曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮和玉米赤霉烯酮，检测限分别为0.061～0.066、0.53～0.57、0.26～0.29 μg/kg，检测灵敏度高、探测范围广。

某些小分子物质会污染食品或者导致食品变质，利用SERS技术可以快速、便捷地实现检测。由于外来物交叉接触或有意掺假而产生的外来过敏性或毒性蛋白质，也是食品检测中的重要一项。文献[52]利用电沉积和介电泳制作形状可控的金纳米晶体检测蓖麻毒素。相比于小分子物质的拉曼指纹图谱，大多数蛋白质的拉曼信号相对较弱，容易受到食物中其他成分的干扰[53]，直接检测食品毒性蛋白的难度较大。可以利用拉曼染料标记样本，使用酶联免疫吸附方法检测目标蛋白[54-55]。例如，文献[56]利用抗体修饰银枝晶，实现了牛奶中的外源蛋白的快速检测，在30分钟内，该方法可以在0.1 μg/mL的磷酸缓冲液中或5 μg/mL的牛奶中检测到外源蛋白。文献[57]采用免疫磁选和SERS技术，利用主成分分析方法，在20分钟内分离和检测出牛奶中的蓖麻毒素，检测限为4 μg/mL。

4 结语

随着金属纳米基底的快速发展，SERS技术在食品安全检测领域的应用更加广泛。独特的“指纹”图谱、“无标记特点”、高灵敏度、高选择性、快速、高分辨率的化学图像等优点，都使得SERS技术成为食品现场无损取样和快速检测的重要工具之一。目前，SERS技术在食品安全检测领域中的商业化推广还存在一些需要解决的问题。

第一，SERS基底制备的工序较为复杂、成本较高，制约着SERS技术的推广应用，其理论与实践还需不断深入。

第二，食品是由多组分构成的复杂物质，由于基底的特异性，目前SERS技术对多组分成分的检测能力有限。

第三，目前不同的基底、相同的物质显示的拉曼信号可能不同，不同的物质显示的拉曼信号可能相同，因此，要想实现SERS技术在食品安全检测领域的广泛应用，需要建立标准化基底和操作程序，以及建立食品SERS图谱数据库。

介绍了SERS技术、基底的分类及其在食品安全检测中的应用。在未来，更多功能化的SERS基底、SERS技术与其他技术的联合应用可以显著提升食品安全的检测性能，SERS技术会成为食品安全检测的有力工具，得到更大范围的推广。