表面增强拉曼光谱技术在食品安全检测中的应用

◎ 章 洁，吴 鑫，占忠旭，袁美芳，朱应飞

（江西省食品检验检测研究院，江西 南昌 330001）

食品安全是重大的民生问题，关系人们的身体健康和生命安全。对于食品中的食源性致病菌、真菌毒素、药物残留、食品添加剂及非法化学添加物、重金属等问题，常用的检测方法有微生物培养法、分子生物学技术、毛细管电泳技术、高效液相色谱法、气相色谱-质谱法、薄层色谱法以及酶联免疫吸附等[1-6]。这些方法检测过程烦琐、耗时，所需仪器设备复杂，并且对检验人员有一定的要求，难以满足现场快速检测和大规模样品筛选。基于此，开发灵敏、高通量且快速无损的食品检测技术迫在眉睫。

表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy，SERS）是指将待测分子吸附在粗糙的纳米金属材料表面，从而使待测物拉曼信号增强的光谱现象，该技术灵敏度比普通拉曼光谱技术高，可实现对痕量物的超灵敏检测，且该技术不受被测样品形态影响，操作简便、快速无损、便于携带，被认为是最有前景的食品安全分析技术[7]。近年来，随着纳米技术的发展，研究者们基于SERS技术，在常见食品污染物中（食源性致病菌、真菌毒素、药物残留、食品添加剂及非法化学添加物等）建立了一系列快速灵敏的检测方法[8-10]，并取得了较好的应用。本文对SERS的基本原理、基底类型进行了系统论述，同时综述了SERS技术在食品安全检测中的最新应用，并对目前SERS技术存在的问题和今后的研究趋势进行了总结和展望，为SERS技术在食品安全快速检测领域的应用提供借鉴和参考。

1 SERS基本原理

1974年，FLEISCHMAN等[11]对粗糙化银电极表面的吡啶进行研究时，首次发现了表面增强拉曼散射现象，后来Van Duyne和Creighion领导的两个研究小组分别重复这个实验并证实了这一现象。通过计算，银电极表面吡啶分子的拉曼信号是其水溶液的106倍，这一崭新的现象被称之为表面增强拉曼散射[12]。

SERS增强机制主要有物理增强和化学增强，物理增强是电磁场增强，主要是由吸附在金属纳米粒子表面的等离子体发生共振所产生的[13]。物理增强不需要金属底物和分析物分子的接触，但需要分析物分子足够接近底物，基于此特性，SERS可用于分析物和金属基质距离较短时使用[7]。化学增强主要受化学物质变化的影响，通过金属基质和分析物之间的电荷转移引起的极化率起作用[14]。物理增强和化学增强这两种机制同时作用，可以极大增强SERS信号[15]。

2 基底材料类型

SERS活性基底的制备是获得较高拉曼信号的前提，而SERS活性基底的材料、纳米颗粒的形状及尺寸、探测物在活性基底上的吸附量和距离等因素都会影响SERS的增强效果[16]。随着纳米技术的发展，SERS基底的制备方法取得了巨大的进展。

2.1 金属纳米材料基底

最初，SERS效应是通过粗糙的电极表面观察到的。随着对SERS研究的深入，金属金、银和铜被发现可以产生强烈的SERS效应。在可见光和近红外光的激发下，贵金属金或银纳米结构具有较强的表面等离子体共振效应，可以产生较强的电磁场。因此，金、银纳米颗粒及其制备的纳米结构被广泛应用于SERS检测[17-18]。过渡金属材料如铂（Pt）、钌（Ru）、铑（Rh）、钯（Pd）、Fe、钴（Co）和镍（Ni）也被证明具备高质量的SERS增强现象[19]。

2.2 非金属纳米材料基底

与传统的金属SERS纳米材料不同，非金属纳米材料如半导体[20]、石墨烯量子点[21]以及光子晶体光纤[22]等已经被发现和制备，它们表现出独特的性能。例如，较高的化学稳定性、良好的生物相容性、较高的载流子迁移率、良好的可控性以及可回收能力等，使其成为SERS基底材料中的新星[21]。

2.3 复合材料基底

与单种纳米材料相比，由两种或两种以上材料组成的复合材料SERS活性性能显著提高，具有较大的应用价值，应用领域也更广阔。金、银纳米对比，纳米银具有更强的表面等离子体共振，但由于纳米银的化学稳定性较弱，在一些领域其应用受到限制。若将其设计成核壳结构，不但稳定性问题能够解决，而且内核和外壳均可被人为设计和可控制备，这种复合型纳米材料能够很好地体现多功能特性。此外，核壳式结构的纳米颗粒被负载到半导体、石墨烯或其他三维结构物质上组成新型SERS活性复合基底，能够克服单独非金属纳米材料增强效应弱的缺点，且良好的回收率和优异的性能也使其成为SERS研究的热点[23-25]。总之，SERS复合基底的发展大大扩展了SERS基底材料的适用范围，复合基底的设计和开发也对SERS的理论和应用研究作出了重要贡献。

3 SERS在食品检测中的应用

SERS具有操作简便、灵敏、快速无损及能够实现单分子“指纹”光谱信息识别的特点，在食源性致病菌、真菌毒素、药物残留、食品添加剂及非法化学添加物等检测方面具有较好的应用前景，研究者们基于此建立了一系列检测方法。

3.1 食源性致病菌

食源性致病菌可通过污染水或食物进入人体，从而导致人类疾病。目前，食源性疾病在全球各个国家被认为是最重要的公共卫生问题[7]。

WANG等[26]基于M13噬菌体构建了特异性SERS纳米探针用于检测水性介质中的金黄色葡萄球菌，该方法对金黄色葡萄球菌检测范围为101～106CFU·mL-1。此外，该SERS探针对金黄色葡萄球菌还具有灭活能力，可同时选择性检测和灭活金黄色葡萄球菌。YANG等[27]开发了一种基于三维DNA Walker的新型SERS技术，用于鼠伤寒沙门氏菌的定量分析。当加入鼠伤寒沙门氏菌时，适配体与菌结合，并释放出与其互补的DNA，进而引发金纳米粒子（AuMNPs）表面的“DNA Walker”，产生单链DNA用于搭载大量的SERS探针，最后通过磁分离去除体系中游离的SERS探针，并对SERS信号进行分析。在最优的条件下，该方法对鼠伤寒沙门氏菌检测限为4 CFU·mL-1。DUAN等[28]结合两条适配体，开发出一种高度选择性和敏感性的SERS传感器用于副溶血性弧菌的检测。以合成的SiO2@Au核壳状纳米颗粒为基底，并在AU-S键的作用下将适配体1固定在Au壳表面，并将氰基染料3（Cy3）修饰在另一条适配体2上。当体系中加入副溶血性弧菌，适配体与菌结合，从而形成SiO2@Au-Apt1-副溶血性弧菌-Apt2-Cy3复合物，进而拉近Cy3和Au的距离，从而SERS强度发生变化。最优条件下，副溶血性弧菌在101～106CFU·mL-1呈现良好的线性关系，检测限为10 CFU·mL-1。

3.2 真菌毒素

霉菌毒素是真菌产生的次生代谢产物，有较强的毒性[29]。据报道[30]，全球平均25%的粮食受到真菌毒素的污染，发展高通量、高灵敏和快速无损检测技术成为食品和农产品品质安全检测领域的研究热点。

LI等[29]受花椰菜启发制备了一种3D-纳米SERS底物，通过在聚二甲基硅氧烷包阳极氧化铝（PDMS@AAO）复合衬底的表面上溅射金纳米颗粒，达到较高的SERS活性。在最佳条件下，该SERS底物对4-巯基苯甲酸（4-MBA）的检测限为10-12mol·L-1。此外，该3D纳米SERS底物还可实现无标记同步检测3种霉菌毒素（黄曲霉毒素B1、脱氧雪腐镰刀菌烯醇和玉米赤霉烯酮），检测限分别为1.8 ng·mL-1、47.7 ng·mL-1和24.8 ng·mL-1（S/N=3）。DING等[31]报道了一种基于SERS技术的竞争性免疫分析技术用于赭曲霉毒素A（Ochratoxin A，OTA）的检测，使用赭曲霉毒素A-牛血清白蛋白共轭SERS纳米标记和抗OTA功能化的磁珠进行高灵敏和特异性检测OTA，当OTA存在时，OTA和SERS纳米标记对磁珠进行竞争性反应，利用吸附在磁珠上的SERS纳米标记的特征峰对OTA进行定量分析，在1～1 000 pg·mL-1范围内有良好的线性关系，检测限为0.61 pg·mL-1。ZHANG等[32]研发了基于多重SERS的传感器用于同时检测玉米中的6种真菌毒素，该传感器检测限远低欧盟、美国和中国对于真菌检测标准所设定的霉菌毒素限量，且检测时间少于20 min。最优条件下，该方法对黄曲霉毒素B1、玉米赤霉烯酮、伏马菌素B1，脱氧雪腐镰刀菌烯醇、赭曲霉毒素A和T-2毒素检测限分别为0.96 pg·mL-1、6.2 pg·mL-1、0.26 ng·mL-1、0.11 ng·mL-1、15.7 pg·mL-1和8.6 pg·mL-1，检测结果与液相色谱-质谱法一致。

3.3 药物残留

为确保水果、蔬菜等农产品的质量和大量供应，杀虫剂等药物在农产品生产和贮存中被广泛使用，因此导致果蔬中的杀虫剂等药物残留问题日趋增多，为保障国民饮食安全，对果蔬等农产品中有害残留物进行检测至关重要[33]。

HASSAN等[34]提出了基于银纳米颗粒结合固相萃取的SERS传感器，用于快速定量检测绿茶中灭多威、啶虫脒和2,4-D残留量。该SERS传感器信号强度与灭多威、啶虫脒和2,4-D浓度之间存在良好的线性关系，相关回归系数分别为0.997 4、0.995 6和0.998 2，检 测 限 分 别 为5.58×10-4μg·mL-1、1.88×10-4μg·mL-1和4.72×10-3μg·mL-1，相 对 标 准 偏 差 值 小 于5%。ZHAO等[35]开发了3D银枝晶（SD）/电聚合分子标识符构建（EMI）/银纳米颗粒构建的多层纸质SERS传感器，用于检测食品和农产品中吡虫啉的残留，其检测限低至0.028 11 ng·mL-1。LEE等[36]采用非热自旋涂层溶胶-凝胶法制备化学稳定的二氧化锆纳米颗粒（ZrO2NFs），然后沉积金纳米颗粒，形成整体金纳米颗粒/二氧化锆纳米颗粒（Au NPs/ZrO2NFs）基底。优化后的Au NPs/ZrO2NFs（0.3 mol·L-1二氧化锆浓度）具有很高的SERS活性，可以区分亚胺硫磷、甲萘威、氯菊酯和氯氰菊酯4种农药残留的特征拉曼峰，检测限分别为10-8mol·L-1、10-7mol·L-1、10-7mol·L-1和10-6mol·L-1。

3.4 食品添加剂及非法化学添加物

随着世界人口的增加和食品工业的发展，食品消费正在迅速增长，与此同时，食品生产过程中滥用或过量使用添加剂、频繁加入非法化学添加物，已成为主要的食品质量安全问题之一。非法食品添加物是指危害性未知或者因毒性较大而被禁止的化学合成物[37]，如三聚氰胺、孔雀石绿、苏丹化合物和吊白块等。在食品中使用非法添加剂将损害人类健康，影响社会稳定。因此，建立一种快速灵敏的先进检测技术对于食品工业健康发展十分重要。

WU[38]等合成了八面体晶体结构的金属有机骨架（MOF，UiO-66(NH2)），通过在MOF表面种植金纳米颗粒，制造UiO-66(NH2)通用SERS传感器，可快速灵敏地测定食品中的胭脂红和橙黄II。与金纳米颗粒相比，UiO-66(NH2)@Au具有更好的SERS性能，胭脂红和橙黄II的检测限低至0.401 5 mg·L-1和0.054 6 mg·L-1，相 关 回 归 系 数R2分 别 为0.968 4和0.991 2。AI等[39]在聚乙烯吡咯烷酮表面活性剂下，采用抗坏血酸的硝酸银水相还原法，成功地合成了花形银纳米颗粒。该花状银纳米结构的SERS底物活性高且稳定性强，用于检测浓度仅为10-9mol·L-1的罗丹明6G（R6G），其SERS信号仍然清晰。对4种不同食用色素（亮蓝、柠檬黄、日落黄和胭脂红）进行SERS分析，并确定了特征谱带，使用主成分分析法，在约10-8mol·L-1的浓度下对食品着色剂的含量进行了定量分析，亮蓝、柠檬黄、日落黄和胭脂 红 的 检 测 限 分 别 为79.285 μg·L-1、5.3436 μg·L-1、45.238 μg·L-1和50.244 μg·L-1。ZHAO等[40]合 成 了 银纳米颗粒作为SERS基底，将样品与银胶体基底混合后加入盐酸，可以实现痕量苏丹黑B的快速定量检测，检测浓度低至0.05 mg·L-1。ZHANG等[41]通过基于衍生反应的SERS技术与自制便携式吹扫采样装置相结合，开发了一种简单的现场快速定量测定水产品中痕量甲醛的方法。通过吹扫采样程序从复杂的水基质中分离出痕量甲醛与衍生试剂反应生成拉曼活性分析物，用于后续的SERS分析，Au/SiO2纳米颗粒被用作增强基质，以实现拉曼信号强度的显著增强。在最佳条件下，该方法可实现0.17 μg·L-1的极低检测限。在新鲜的鱿鱼和虾样品中可以发现痕量挥发性甲醛，而没有明显的基质干扰，上述方法的定量检测范围为0.13～0.21 mg·kg-1，加标水产品样品的回收率为70.0%～89.1%，相对标准偏差为2.3%～7.2%（n=3）。

4 结语

SERS因其操作简便、灵敏、快速无损且能够提供单分子“指纹”光谱信息的优势，在检测食品成分、食源性致病菌、真菌毒素、药物残留、食品添加剂及非法化学添加物等方面具有良好的应用前景。然而，在食品安全检测的实际应用中，现阶段SERS技术还处于试验探索阶段，虽然SERS基底的制备方法和材料种类繁多，但仍然存在着稳定性、重现性差等问题，因此SERS技术应用于食品安全检测中的定量分析仍然是一个挑战。随着SERS技术的发展，SERS的未来可能会着重于开发各种灵敏度高、稳定性好和重现性优异的活性基底，同时，操作简便、快速灵敏、模型稳定、抗干扰、低成本的小型便携式拉曼光谱分析仪也将是仪器研发的重点。SERS技术作为一种新兴的检测技术和分析手段，未来在人类健康、食品安全和社会经济等方面将发挥重要作用和贡献。