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(1.中國(guó)醫(yī)學(xué)科學(xué)院北京協(xié)和醫(yī)學(xué)院藥用植物研究所，中草藥物質(zhì)基礎(chǔ)與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100193;2.吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)中藥材學(xué)院 吉林長(zhǎng)春 130118;3.吉林農(nóng)業(yè)科技學(xué)院中藥學(xué)院,吉林吉林 132109)

1 前言

環(huán)境污染、食品及藥品安全歷來(lái)是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。當(dāng)今，三聚氰胺、孔雀石綠、農(nóng)獸藥殘留、冰毒等外源性有毒有害物質(zhì)已成為危害人類健康的重要安全風(fēng)險(xiǎn)因子。該類物質(zhì)往往具有隱蔽性強(qiáng)、污染性大、殘留量久、痕量、檢測(cè)難度大等特點(diǎn)[1]，其常用的檢測(cè)方法主要是氣相或氣/質(zhì)聯(lián)用、液相或液/質(zhì)聯(lián)用等儀器分析方法，但這些方法樣品制備繁瑣、檢測(cè)成本高。目前，表面增強(qiáng)拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering，SERS)已廣泛應(yīng)用于微量，甚至痕量外源性有毒有害物質(zhì)的快速篩查，已成為化學(xué)和生物分子領(lǐng)域最敏銳和極具前景的光譜方法之一[2]。

本文系統(tǒng)綜述SERS研究進(jìn)展，包括增強(qiáng)機(jī)理、常用及新型基底，同時(shí)針對(duì)其在外源性有害物質(zhì)檢測(cè)實(shí)例中探討了SERS的應(yīng)用前景?；诖?，展望SERS技術(shù)在外源性有害物質(zhì)篩檢中面臨的機(jī)遇和挑戰(zhàn)，旨在為實(shí)現(xiàn)該技術(shù)準(zhǔn)確、靈敏、定量的快速檢測(cè)發(fā)展提供參考。

2 SERS增強(qiáng)機(jī)理及活性基底分類

大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為，SERS強(qiáng)大光譜信號(hào)主要是由增強(qiáng)基底和待測(cè)物質(zhì)之間的相互作用引起，其機(jī)理包括電磁場(chǎng)增強(qiáng)(ElectromagneticEnhancement,EE)與化學(xué)增強(qiáng)(ChemicalEnhancement,CE)。電磁場(chǎng)增強(qiáng)主要源于吸附分子躍遷矩與入射光在基底表面產(chǎn)生表面等離子體耦合，具有方向性，但針對(duì)靶標(biāo)是非選擇性的，其模型為解釋SERS效應(yīng)提供了重大貢獻(xiàn)，但不足以說(shuō)明完整的SERS現(xiàn)象。因此，有人提出化學(xué)增強(qiáng)模型，該模型增加了吸附在金屬表面上分析物的散射截面，通過(guò)吸附物和金屬間特定作用(電子耦合、電荷轉(zhuǎn)移等)，使分子產(chǎn)生新的振動(dòng)激發(fā)態(tài)[3]。眾多研究表明，電磁場(chǎng)增強(qiáng)與化學(xué)增強(qiáng)共同影響SERS信號(hào)，只是貢獻(xiàn)有所差異，因此，找到兩者間增強(qiáng)效應(yīng)最大化平衡點(diǎn)至關(guān)重要。

SERS檢測(cè)效果主要取決于活性基底，表面狀態(tài)、粗糙度一致的均勻性基底更易產(chǎn)生良好拉曼效應(yīng)。目前已制備的基底主要分為剛性和柔性材料。剛性基底采用固體材料為載體，如金屬電極、石英片、InAs/GaAs、ZnO、TiO2和α-Fe2O3半導(dǎo)體等。為了克服剛性基底結(jié)構(gòu)單一、靈活性差、適用性窄等不足，研究者將納米粒子固定在柔性材質(zhì)上，不僅優(yōu)化了拉曼散射性能，同時(shí)使基底具有良好機(jī)械韌性、便于攜帶及運(yùn)輸?shù)忍攸c(diǎn)。常用柔性基底主要是基于纖維紙、石墨烯、柔性聚合物、碳納米管(CNTs)等材質(zhì)制備而成。Zhang等[4]于濾紙上沉積銀納米顆粒(AgNPs)得到柔性試紙，不僅操作方便，且極大節(jié)約成本。Gottesman等[5]制備的試紙基底，具有一定的生物可降解性，避免污染。相比單一材料，復(fù)合基底的性能相對(duì)更穩(wěn)定、重復(fù)性和靈敏度更優(yōu)異。Qiu等[6]制備Ag納米棒(AgNFs)，同時(shí)使用石墨烯模板(PMMA)，制備成單層石墨烯基底(G/AgNFs/PMMA)，最小檢測(cè)濃度可低至1.0×10-14mol·L-1。Zhang等[7]將多層AgNPs引入聚甲基丙烯酸寡聚乙二醇酯中得到復(fù)合物，增強(qiáng)因子高達(dá)1.29×107。目前復(fù)合活性基底主要由Au、Ag等貴金屬與柔性載體相結(jié)合，克服了貴金屬的生物毒性、固有形狀的局限性，同時(shí)保留了柔性特點(diǎn)，是當(dāng)前研究最活躍的增強(qiáng)基底[8 - 18]。Xu等[19]在硅晶片表面形成以雙金屬(Au和Ag)納米棒為核心、以異丙基丙烯酰胺為殼，成功制備了復(fù)合微凝膠(Au@AgNR@PNIPAM)，其呈現(xiàn)出高穩(wěn)定性、較好柔性、透明性及生物兼容性特點(diǎn)。為改變Ag與碳納米管的界面性能，Sun等[20]將CNTs交叉堆疊制得多孔碳納米管薄膜，沉積AgNPs，并引入中間層SiO2獲得摻雜基底(Ag/SiO2/CNTs)，重復(fù)性好、增強(qiáng)因子高、價(jià)格低廉。SERS柔性基底不僅具有柔韌多變、靈敏穩(wěn)定等優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保留著硬性基底固有的特性，在未來(lái)研發(fā)中更具應(yīng)用價(jià)值。

3 SERS在外源性有害物質(zhì)檢測(cè)中應(yīng)用研究

SERS可提供靶分子的特征指紋信息，針對(duì)待測(cè)物分子特性，優(yōu)選適宜基底，通過(guò)功能化修飾出高活性基底，極大拓展了SERS的應(yīng)用領(lǐng)域[21 - 39]。

3.1 食品非法添加劑

利用SERS技術(shù)可快速、無(wú)損地從食品中鑒別出非法添加劑，如孔雀石綠魚(yú)、蘇丹紅鴨蛋、三聚氰胺奶(MEL)等。Li等[40]用聚乙烯吡咯烷酮改性AgNPs單層膜以增強(qiáng)其均勻性和化學(xué)穩(wěn)定性，用其為基底檢測(cè)牛奶中MEL，最小檢測(cè)濃度低至1.0mg·L-1。Hu等[41]以Fe3O4為核，SiO2為殼，與AgNPs制備成復(fù)合磁性銀納米微球基底，檢測(cè)MEL時(shí)最低檢測(cè)濃度可低至126ng·mL-1。吳棉棉等[42]用NaBH4還原AgNPs自組裝成SERS基底，實(shí)現(xiàn)了多類別的有害物質(zhì)的定性檢測(cè)。SERS技術(shù)雖在快速檢測(cè)食品添加劑中具有良好應(yīng)用前景，但在此領(lǐng)域進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化檢測(cè)及商業(yè)推廣時(shí)，仍面臨諸多困難，如少量商業(yè)化SERS基底失效快、穩(wěn)定性差。

3.2 環(huán)境污染物

環(huán)境污染物如多環(huán)芳烴、農(nóng)藥等具有高積累、高致癌等特性，利用簡(jiǎn)單、快捷的SERS技術(shù)檢測(cè)環(huán)境中此類痕量污染物具有重要意義。龍億濤等[43]基于SERS可實(shí)現(xiàn)芳香類有機(jī)污染物現(xiàn)場(chǎng)快速定性及半定量分析。Chi等[44]建立了一種以Ag/ITO為基底的SERS系統(tǒng)，能靈敏、快速測(cè)定未經(jīng)處理水樣中低濃度硝酸鹽/亞硝酸鹽(1.0和0.1μg·mL-1)。Liou等[45]用4-氨基苯硫酚(p-ATP)表征涂有AgNPs的纖維素納米纖維(CNF)作為SERS活性基底檢測(cè)蘋(píng)果中噻苯達(dá)唑(TBZ)殺蟲(chóng)劑。楊良保團(tuán)隊(duì)[46]制備了“海膽狀”基底檢測(cè)有機(jī)污染物，結(jié)果呈現(xiàn)高靈敏度和高重現(xiàn)性。除檢測(cè)液體基質(zhì)中的污染物殘留水平，SERS還可直接用于固體基質(zhì)中的殘留物測(cè)定，如Hong等[47]將AuNPs固定于超濾(UF)膜上，制備成重復(fù)性極好的等離子SERS基底，可檢測(cè)橙皮中低至0.125μg·g-1噻菌靈農(nóng)藥。

選材對(duì)基底響應(yīng)增強(qiáng)的影響毋庸置疑，此外在現(xiàn)有材料上提高接觸面積也可實(shí)現(xiàn)信號(hào)增強(qiáng)，Tang等[48]使用ZnO納米棒陣列表面與尖端組裝AgNPs和銀納米球，制備成三維混合基底，大大增加了表面積，改善了信號(hào)增強(qiáng)效果。目前，雖然SERS應(yīng)用較多，但由于實(shí)際環(huán)境存在的特殊性與復(fù)雜性限制了SERS的應(yīng)用。因此，Yu等[49]用紙色譜分離與SERS相結(jié)合檢測(cè)羅丹明6G(Rh6G)，不僅簡(jiǎn)便、快捷、靈敏度高，同時(shí)在復(fù)雜樣品基質(zhì)情況下也能夠識(shí)別Rh6G。故在環(huán)境污染檢測(cè)中將SERS與快速分離技術(shù)相結(jié)合，提高靈敏度同時(shí)還可增加選擇性，有助于推廣應(yīng)用于環(huán)境領(lǐng)域。

3.3 獸藥添加

獸藥處方非法添加情況復(fù)雜，利用痕量、快速的SERS技術(shù)，從獸藥中篩檢出此類物質(zhì)越來(lái)越受到重視。Zhu等[50]用“競(jìng)爭(zhēng)性”SERS基底，檢測(cè)牛尿液中鹽酸克侖特羅，通過(guò)基底上固定抗體與SERS探針上標(biāo)記抗體競(jìng)爭(zhēng)性結(jié)合目標(biāo)物，最低檢測(cè)濃度可低至0.1pg·mL-1。徐寧寧等[51]制備的Au@PVP納米單層SERS基底，檢測(cè)羅非魚(yú)肉中孔雀石綠(MG)含量，最低檢測(cè)濃度可低至1.0×10-12mol·L-1。SERS用于獸藥，其拉曼信號(hào)易受熒光干擾，掩蓋待測(cè)物信號(hào)，因此，如何克服背景基質(zhì)干擾是目前解決其在獸藥檢測(cè)領(lǐng)域的關(guān)鍵突破口。

3.4 毒品

簡(jiǎn)便、快速的SERS逐漸成為精準(zhǔn)檢驗(yàn)毒品的新技術(shù)。張建紅等[52]把SERS用于毒品海洛因的快速篩檢，并協(xié)助海關(guān)檢測(cè)20批毒品海洛因樣品，展現(xiàn)了SERS在海洛因篩檢中具有快捷、準(zhǔn)確的優(yōu)勢(shì)。Yang等[53]建立了銀納米陣列基底檢測(cè)麻醉品氯胺酮方法，該方法可在3s內(nèi)完成檢測(cè)，是一種快速、非破壞性跟蹤檢測(cè)，可成為法醫(yī)實(shí)驗(yàn)室的重要分析技術(shù)。Sgmller等[54]將SERS與高效液相色譜(HPLC)技術(shù)結(jié)合用于可卡因、海洛因等檢測(cè)，檢測(cè)限低至1mg·mL-1，相比常規(guī)光譜該方法對(duì)可卡因、海洛因等可進(jìn)行獨(dú)特鑒定，可用于驗(yàn)證其他識(shí)別技術(shù)。楊良保團(tuán)隊(duì)[55-56]提倡動(dòng)態(tài)SERS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)、痕量、原位非損傷檢測(cè)，同時(shí)也可現(xiàn)場(chǎng)篩檢吸毒人員尿液[57-58]。目前關(guān)于毒品的檢測(cè)報(bào)道相對(duì)較少，但SERS具有簡(jiǎn)便、快速、痕量等特性，使其在該領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。

4 結(jié)論

由于集高靈敏度、高選擇性、高效于一體，以及痕量、單分子檢測(cè)等優(yōu)勢(shì)，SERS技術(shù)在外源性有害物質(zhì)污染篩檢中發(fā)展迅速。SERS已從簡(jiǎn)單定性升級(jí)至準(zhǔn)確定量水平，其配備的便攜式光譜系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確定量及快速篩檢提供了便利，此外單一SERS篩查逐漸轉(zhuǎn)化為與其他技術(shù)相結(jié)合，極大地提高SERS檢測(cè)效果，有助于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜基質(zhì)中痕量物質(zhì)的篩查。然而，由于SERS檢測(cè)會(huì)受分析環(huán)境、對(duì)象等影響，因此商品化基底的研究還需不斷拓展思路，研發(fā)應(yīng)用廣闊的復(fù)合柔性基底，優(yōu)化更適于多數(shù)基底的制備方法。建立適合當(dāng)今市場(chǎng)需求的快速篩檢設(shè)備，確立可靠檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，為實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)大規(guī)模外源性有害物篩查奠定基礎(chǔ)。