摘要 動物性食品安全問題日益突出,愈演愈烈,有關(guān)問題食品的報(bào)道也受到了公眾的廣泛關(guān)注。一旦獸藥在畜牧養(yǎng)殖過程中被過度使用或?yàn)E用,藥物殘留將給人類健康帶來嚴(yán)重危害。常見的殘留檢測方法存在成本高、速度慢和效率低等缺點(diǎn),通常需要專業(yè)人員操作,傳統(tǒng)的理化方法已不能滿足食品質(zhì)量檢測的需要,因此研發(fā)快速高效的獸藥殘留檢測方法起著關(guān)鍵作用。近年來,表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)技術(shù)在真?zhèn)舞b別、非法添加物檢測和農(nóng)獸藥殘留等諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,并以其快速檢測、無損等優(yōu)勢在食品檢測領(lǐng)域有著更為廣闊的發(fā)展前景。與其他檢測方法不同的是,SERS通過信號放大和高靈敏度的指紋光譜,可以快速識別目標(biāo)分析物,進(jìn)行定性或半定量分析。本文主要介紹了拉曼光譜和SERS在動物源性食品中獸藥殘留檢測中的研究和應(yīng)用,重點(diǎn)介紹了SERS的優(yōu)勢、食品樣品的前處理以及SERS結(jié)合其他技術(shù)檢測多種獸藥的相關(guān)研究,并提出了SERS在實(shí)際監(jiān)測中面臨的挑戰(zhàn)。
關(guān)鍵詞 食品安全;表面增強(qiáng)拉曼光譜法;動物源性食品;獸藥殘留;樣品前處理
中圖分類號:O657. 3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1000-0518(2024)04-0459-13
肉、魚、家禽、牛奶和奶制品以及其他動物源性食品在人類營養(yǎng)領(lǐng)域中占據(jù)著顯著的地位[1]。隨著畜牧業(yè)養(yǎng)殖規(guī)?;彤a(chǎn)業(yè)化的大規(guī)模發(fā)展,養(yǎng)殖戶在動物飼養(yǎng)過程中使用獸藥,目的是預(yù)防、診斷和治療動物疾病或者調(diào)節(jié)動物生理機(jī)能。由于養(yǎng)殖人員專業(yè)知識的缺乏或?qū)?jīng)濟(jì)利益的過度追求,養(yǎng)殖過程出現(xiàn)了濫用獸藥的情況,導(dǎo)致動物源性食品內(nèi)的獸藥殘留超標(biāo),通過食物鏈逐漸聚集,進(jìn)入人體,對人體健康產(chǎn)生嚴(yán)重威脅[2]。盡管食品安全監(jiān)控體系在不斷完善發(fā)展,獸藥殘留仍然是動物源性食品中監(jiān)管的重點(diǎn)和難點(diǎn)。目前,我國國家標(biāo)準(zhǔn)的獸藥殘留檢測方法有氣相色譜法、液相色譜法、薄層色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜連用法和液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法等[3]。以上檢測方法存在操作復(fù)雜、費(fèi)力、耗時(shí)、對儀器設(shè)備要求較高以及需要專業(yè)人士操作,并且只可以在實(shí)驗(yàn)室規(guī)模上使用等缺點(diǎn),沒有辦法滿足對食品現(xiàn)場快速檢測的要求。而一些快檢技術(shù),如免疫學(xué)技術(shù)、生物傳感技術(shù)和拉曼光譜檢測技術(shù)等,具有快捷簡便、操作簡單和價(jià)格低廉等特點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)快速篩查、實(shí)時(shí)監(jiān)測和無需樣品預(yù)處理的即時(shí)物質(zhì)鑒定,被廣泛應(yīng)用在食品快檢領(lǐng)域,滿足市場需求。其中,表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface-enhanced Ramanspectroscopy, SERS)技術(shù)操作簡便,所需樣品量少、損壞少,檢測耗時(shí)短,獲得待測物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)信息,在食品安全檢測領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景[4]。因此,本文就拉曼光譜技術(shù)在動物源性食品檢測領(lǐng)域的發(fā)展前景、基底、方法及應(yīng)用等展開介紹,拉曼檢測復(fù)雜基質(zhì)選用的樣品前處理方法,并討論了β-受體激動劑和抗生素的SERS檢測研究,最后預(yù)測SERS在實(shí)際應(yīng)用場景中的難題。
1 SERS 技術(shù)
1. 1 SERS
拉曼光譜技術(shù)作為高靈敏度的檢測工具,是一種可以提供拉曼光譜特征和光譜信息的光譜技術(shù)。拉曼光譜分析法是基于印度科學(xué)家Chandrasehara Venkata Raman發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)。簡單說,拉曼散射是當(dāng)光入射到材料表面時(shí),光發(fā)生的一種非彈性散射效應(yīng),通過分析與入射光不同的散射光譜,從而得到分子振動模式及相關(guān)化學(xué)信息,運(yùn)用于后續(xù)的分析[5]。然而,拉曼散射的產(chǎn)率很低,導(dǎo)致在大多數(shù)情況下拉曼信號很弱,易受熒光干擾,設(shè)備成本高[6]。就“如何增強(qiáng)分子拉曼散射”這一問題,科學(xué)家們展開了大量實(shí)驗(yàn)。 粗糙銀電極表面吸附分子的拉曼散射被放大,表明金屬材料在激光照射下具有獨(dú)特的電磁學(xué)效應(yīng)。 隨后,表面增強(qiáng)拉曼散射效應(yīng)這一概念的提出,推動拉曼增強(qiáng)領(lǐng)域的研究進(jìn)入新階段。關(guān)于SERS增強(qiáng)機(jī)理的研究,典型的模型包含電磁場增強(qiáng)機(jī)理(Electromagnetic enhancement, EM)和化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理(Chemical enhancement, CM),二者分別通過影響電場強(qiáng)度和分子極化率張量實(shí)現(xiàn)拉曼信號的增強(qiáng)。
1. 1. 1 電磁場增強(qiáng)機(jī)理
電磁場增強(qiáng)機(jī)理如圖1所示,當(dāng)光入射到金屬與介質(zhì)的界面,金屬納米顆粒表面的自由電子受激發(fā)而振蕩并產(chǎn)生電磁波[7]。若入射光的頻率與這些振蕩的自由電子的固有頻率匹配時(shí),則發(fā)生表面等離子激元共振(Surface plasmon resonance, SPR)。如果這種電磁場被局限在金屬表面很小的范圍內(nèi)時(shí),則稱局域表面等離子激元共振(Localized surface plasmon resonance, LSPR)[8]。由于處于局域電磁場中的分子的散射截面得到極大程度地放大,其拉曼散射信號增強(qiáng)倍數(shù)與電場強(qiáng)度的四次方成正比,局域電磁場較小的增加使拉曼信號被極大地放大。此外,電磁場增強(qiáng)機(jī)制與增強(qiáng)襯底的光學(xué)性質(zhì)、性質(zhì)、大小、增強(qiáng)基底種類和納米粒子間隙等因素密不可分。增強(qiáng)襯底的光學(xué)性質(zhì)主要通過SPR和局域電磁場增強(qiáng)來增強(qiáng)拉曼光譜。SPR導(dǎo)致金屬表面附近的電磁場強(qiáng)度顯著增加而增加的電磁場可以延伸到金屬表面附近的分子上,達(dá)到增強(qiáng)信號的效果。研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)金屬粒子相互接近且作用時(shí),縫隙之間的物理增強(qiáng)因子可達(dá)1×10。
1. 1. 2 化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理
化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理是指被測物質(zhì)分子與金屬表面通過化學(xué)吸附接觸后,會形成一種類似配位化學(xué)鍵的化學(xué)接觸并產(chǎn)生新的振動激發(fā)態(tài); 若入射光的能量合適,會激發(fā)金屬中的自由電子在吸附分子和金屬之間來回躍遷,并產(chǎn)生共振現(xiàn)象,增加分子的瞬間極化率,從而提高分子的拉曼散射效率,增強(qiáng)拉曼信號[9]。
化學(xué)增強(qiáng)一般可以用來解釋上述電磁增強(qiáng)解釋不了的一些情況: 同一種SERS基底表面吸附不同類型的樣品分子時(shí),存在不同程度的拉曼增強(qiáng); 某些SERS基底只能選擇性增強(qiáng)一些特殊分子; 在多層樣品分子吸附模型中,最靠近基底的分子的SERS信號高出其他層分子2個(gè)數(shù)量級以上[10]。
1. 2 SERS 基底
合適的表面增強(qiáng)活性基底是影響SERS發(fā)展的關(guān)鍵因素[11]。利用SERS活性基底的電磁增強(qiáng)與化學(xué)增強(qiáng)的作用,SERS效應(yīng)增強(qiáng)了吸附在基底上目標(biāo)分子的信號強(qiáng)度。金(Au)和銀(Ag)等貴金屬納米顆粒具有顯著的局部電磁增強(qiáng)效應(yīng),研究人員常用此類材料作為高性能SERS基底。SERS增強(qiáng)與金屬納米顆粒的表面狀態(tài)、形狀、尺寸和材質(zhì)等性質(zhì)直接相關(guān)。Zhang等[12]利用膠體銀作為拉曼基底,采用SERS技術(shù)檢測液態(tài)奶中的三聚氰胺,在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到檢測的目的,因其光學(xué)吸收光譜,研究人員對納米級膠體銀的研究頗有興趣。趙佳等[13]對貴金屬如金、銀等核殼復(fù)合納米顆粒的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了調(diào)查,可調(diào)節(jié)的核殼尺寸實(shí)現(xiàn)了對多功能納米粒子性質(zhì)的可控合成。另外,SERS襯底在環(huán)境中的穩(wěn)定性也十分重要,在實(shí)際應(yīng)用中,SERS襯底應(yīng)具有長達(dá)1年的保質(zhì)期。最后,襯底需要具備優(yōu)秀的再現(xiàn)性。在納米技術(shù)水平,把握同批次和點(diǎn)對點(diǎn)檢測的再現(xiàn)性是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。
1. 3 SERS 聯(lián)用其他技術(shù)
近年來,SERS技術(shù)在獸藥殘留檢測領(lǐng)域取得了良好的效果,主要應(yīng)用于牛奶、蜂蜜等簡單基質(zhì)[14]。例如,應(yīng)用SERS技術(shù)檢測動物源性食品內(nèi)抗生素的殘留,可以直接對樣品進(jìn)行檢測,無需對食品樣品進(jìn)行前處理,使檢測時(shí)間縮短。當(dāng)前該方法主要用于檢測動物源性食品中的氯霉素和環(huán)丙沙星類抗生素,檢出限可至20 μg/mL[15]。
SERS技術(shù)盡管具有靈敏度高、耗時(shí)短和無污染等優(yōu)點(diǎn),其應(yīng)用還存在一定局限。SERS作為一種檢測技術(shù),而不是分離手段,當(dāng)對復(fù)雜樣品分析時(shí),被測樣品通常是多種物質(zhì)組成的混合體系,僅使用SERS技術(shù)無法完成檢測并對組成成分的表征。于是,出現(xiàn)了SERS技術(shù)與免疫分析[16]、微流控[17]和分子印跡[18]等技術(shù)結(jié)合發(fā)揮優(yōu)勢,彌補(bǔ)了半定量的不足,推動SERS技術(shù)在復(fù)雜的食品體系中對多種痕量目標(biāo)物檢測的發(fā)展進(jìn)程。SERS聯(lián)用其他技術(shù),提高SERS檢測能力的主要方法有: 1)分離技術(shù): 萃取法[19]、薄層色譜法[20]和高效液相色譜法[21]等。選用SERS技術(shù)檢測前,利用目標(biāo)物與復(fù)雜體系中其他雜質(zhì)理化性質(zhì)不同,分離提存目標(biāo)物,富集目標(biāo)物含量,選擇增強(qiáng)試劑進(jìn)行預(yù)處理,提高SERS檢測的準(zhǔn)確度和靈敏度。2)捕捉技術(shù): 抗體[22]、適配體[23]和分子印跡[18]等。借助捕捉技術(shù)特異性識別目標(biāo)物質(zhì)的特性,達(dá)到選擇性檢測目標(biāo)物的目的,大大縮短了分析檢測的時(shí)間,降低了被測物質(zhì)的檢測限(LOD)。3)微流體技術(shù)[17]??梢詫?shí)現(xiàn)在微觀尺寸下,對微量液體精準(zhǔn)操控和處理,避免了由于人工上樣導(dǎo)致SERS檢測結(jié)果的不穩(wěn)定,對流動的液體進(jìn)行精確的控制。另外,多通道的微流體技術(shù)可實(shí)現(xiàn)SERS的高通量檢測,使得檢測更加穩(wěn)定、實(shí)時(shí)和高效。SERS技術(shù)與其他技術(shù)手段聯(lián)用,以增強(qiáng)SERS的檢測能力,實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)分子精確、靈敏的檢測。
1. 4 SERS 技術(shù)在動物源性食品獸藥安全檢測中的應(yīng)用
SERS技術(shù)憑借自身高靈敏、檢測迅速和所需樣品少等優(yōu)點(diǎn),在快速篩查和定性分析等方面有著獨(dú)特的優(yōu)勢,因此,在動物源性食品獸藥檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。
在獸藥檢測方面,Shao等[24]利用銀納米粒子作為SERS基底,成功實(shí)現(xiàn)對鴨肉和雞肉樣品中殘留二硝托胺和托曲珠利的檢測,為快速現(xiàn)場檢測提供了新的方法。Chen 等[25]開發(fā)了一種靈敏高效的Ag/納米纖維素SERS基材,利用柔性模板構(gòu)建的納米孔網(wǎng)格,AgNPs在交叉纖維上進(jìn)行原位生長,合成了Ag@NCF 薄膜,保證了SERS底物的良好均勻性,適合實(shí)際樣品的原位檢測,以實(shí)現(xiàn)對魚肉中恩諾沙星含量的測定,LOD為0. 069 mg/L。Ma等[26]報(bào)道了一種基于花狀金納米顆粒(AuNFs)和磁珠分離的超靈敏SERS免疫傳感器檢測雞肉中的金剛烷胺殘留。在磁珠分離的輔助下,AuNFs通過增強(qiáng)局部電磁場來提高靈敏度,可有效檢測實(shí)際雞肉樣品中的獸藥殘留。Liang 等[27]研制出均勻的尖狀A(yù)u@AgNPs-Bi2WO6實(shí)現(xiàn)了對氯霉素定量檢測,穩(wěn)定的金屬半導(dǎo)體復(fù)合薄膜為復(fù)雜食品基質(zhì)中農(nóng)獸殘的準(zhǔn)確檢測提供了更多的可能。另外,其他多種獸藥殘留均可利用SERS技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場快速檢測,應(yīng)用于眾多場所。
2 樣品前處理方法
與農(nóng)作物檢測相比,動物源性食品中殘留的獸藥有著基質(zhì)成分復(fù)雜、待檢測含量較低等特征,在檢測過程中,考慮到其他殘留物對檢測結(jié)果的影響,部分獸藥殘留穩(wěn)定性差,通常需要在檢測前進(jìn)行前處理工作。同時(shí),動物源性食品含有較高的蛋白質(zhì)、脂肪、糖類、無機(jī)鹽和維生素等成分,在前處理階段要盡可能多地提取出目標(biāo)物,獲得較低的LOD[28]。在完整的試驗(yàn)過程中,樣品的前處理占用了大部分的時(shí)間,這是因?yàn)闃悠非疤幚戆硕鄠€(gè)關(guān)鍵步驟,主要有提取、凈化、濃縮、富集和化學(xué)衍生化等,這些步驟對于確保試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性至關(guān)重要。單一獸藥殘留檢測已發(fā)展較為成熟,需要設(shè)計(jì)開發(fā)多種獸藥監(jiān)測體系[29]。目前,同步檢測多種獸藥已經(jīng)成為獸藥殘留分析的主流發(fā)展方向,結(jié)合現(xiàn)有的快檢技術(shù),準(zhǔn)確、快速獲取目標(biāo)物的濃度。因此,能夠同時(shí)處理上百種獸藥的前處理技術(shù)尤為重要,拉曼檢測獸藥殘留的常用樣品前處理方法有液-液萃?。↙LE)、固相萃取及QuEChERS(Quick, easy, cheap,effective, rugged, safety)等技術(shù)[30]。
2. 1 LLE 技術(shù)
LLE是一種經(jīng)典的樣品凈化技術(shù),通過利用不同物質(zhì)在溶劑中溶解度的差異,將目標(biāo)物與基質(zhì)進(jìn)行分離,并消除干擾物質(zhì)[31]。在選擇LLE作為前處理方法時(shí),需要考慮有機(jī)溶劑與目標(biāo)物的溶解度特性,以及對基底檢測的影響。曹晨等[32]建立了一種快速檢測牛奶中恩諾沙星和環(huán)丙沙星的SERS方法,選用LLE的前處理方法,利用提取劑與水相納米銀SERS基底互不相溶的原理,提高萃取效率,排除干擾峰對目標(biāo)物特征峰的影響。施思倩等[33]利用正己烷作為萃取劑,建立了SERS技術(shù)快速檢測豬肉中殘留左旋咪唑的方法,研究結(jié)果表明,一次LLE比二次LLE的提取效果更好,目標(biāo)物質(zhì)拉曼峰強(qiáng)度較強(qiáng)。LLE適用于水相SERS基底,如金膠、銀膠等液體基質(zhì),選用有機(jī)溶劑萃取,獲得高質(zhì)量的特征峰拉曼光譜圖,以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)分析。
2. 2 固相萃取(SPE)
SPE是一種常用于固體樣品前處理的技術(shù),通過選擇性吸附和洗脫的原理實(shí)現(xiàn)樣品的凈化和分離,更多地應(yīng)用于固體樣品[34]。與LLE相比,SPE具有許多優(yōu)點(diǎn),如選擇性吸附劑可以凈化小體積樣品、回收率高和操作簡單等[35]。近年來,固相萃取技術(shù)在獸藥殘留檢測中得到廣泛應(yīng)用。同時(shí),將SPE與SERS結(jié)合,可以進(jìn)一步提高檢測的靈敏度和選擇性。Jin等[36]利用活性炭、C18和氧化石墨烯等作為固相吸附劑,結(jié)合SERS技術(shù),可以從復(fù)雜的混合物中富集目標(biāo)物,并實(shí)現(xiàn)痕量水平的快速檢測。Yurova等[37]設(shè)計(jì)了一種基于Al2O3負(fù)載AgNP的新型SERS-活性吸附劑的表面增強(qiáng)拉曼檢測方案,SPE與SERS的結(jié)合達(dá)到調(diào)整光學(xué)性質(zhì)和增強(qiáng)拉曼信號的作用,結(jié)果表明Al2O3這類金屬顆粒將是一種很有開發(fā)前景的SPE與SERS結(jié)合的復(fù)合材料。固相吸附物理性能對于拉曼信號的提高起到了促進(jìn)作用,富集檢測物,從而減少樣品流失。
2. 3 QuEChERS 技術(shù)
QuEChERS技術(shù)的工作原理與SPE相似,利用吸附劑填料吸附樣品中的雜質(zhì),實(shí)現(xiàn)分離凈化、除雜的目的[38]。該技術(shù)因簡便、快速、成本低和減少環(huán)境污染,并且能夠滿足實(shí)驗(yàn)需要,已廣泛應(yīng)用于動物源食品的前處理分析[39]。Liu等[40]采用QuEChERS樣品前處理技術(shù)提取玉米、小麥和蛋白飼料樣品中的黃曲霉毒素B1 (Aflatoxin B1, AFB1),QuEChERS技術(shù)對樣品進(jìn)行優(yōu)化,消除其他基質(zhì)干擾,廣泛使用于現(xiàn)場快速檢測。
QuEChERS預(yù)處理目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)藥、獸藥和生物毒素等多種領(lǐng)域,適用于批量檢測樣品,通過優(yōu)化提取、沉淀和純化等工藝,縮短檢測時(shí)間,提高檢測效率,相較傳統(tǒng)檢測手段,有著更多的適用場景。根據(jù)樣品基質(zhì)的不同及實(shí)驗(yàn)要求,選用不同的樣品前處理方法,達(dá)到高效的分離效果,提高回收率。
3 拉曼光譜技術(shù)檢測獸藥殘留
獸藥殘留即藥物殘留,是指畜禽動物使用藥物后,在動物體內(nèi)殘留藥物未分解的廢物和雜質(zhì),也會因藥物存在飼料添加劑中,動物消化后排入環(huán)境中,從而引起對動物和人體的危害[41]。在動物養(yǎng)殖過程中,常見疾病包括細(xì)菌性疾病、病毒性疾病以及寄生蟲疾病等。動物源性食品中的獸藥殘留主要包含3類:抗菌類藥物、抗病毒類藥物和寄生蟲類藥物。SERS運(yùn)用在動物源性食品獸藥殘留中的檢測主要集中在β-受體激動劑和抗生素藥物方面[42]。
3. 1 β-受體激動劑
β-受體激動劑具有類似腎上腺素的功能,俗稱瘦肉精,在醫(yī)學(xué)上具有興奮呼吸道平滑肌、降低微血管通透性的作用,還能夠增加動物體內(nèi)蛋白質(zhì)含量、瘦肉率等,可提高飼料的利用率[43]。β-受體激動劑具有苯乙醇胺母核,主要包括鹽酸克倫特羅、萊克多巴胺和沙丁醇等。
3. 1. 1 鹽酸克倫特羅
鹽酸克倫特羅(CLB, 7-[2-甲基丙烷-2-亞氨基-甲基]-4-氨基-3,5-二氯苯甲醇鹽酸鹽)是一種β-腎上腺類神經(jīng)興奮劑。畜禽產(chǎn)品中殘留的CLB會通過食物鏈在人體內(nèi)富集,CLB與人免疫球蛋白G(HIgG)相互作用,通過氫鍵和范德華力同HIgG相結(jié)合,導(dǎo)致HIgG的性質(zhì)及人體內(nèi)CLB藥物濃度的改變,從而改變HIgG的生理功能并對人體產(chǎn)生一定的毒害性[44]。
Duan等[45]利用SERS結(jié)合適配體識別技術(shù),對CLB進(jìn)行超靈敏定量檢測,將合成的Fe3O4@Au@Ag納米粒子作為活性底物,CLB適配體固定在底物表面,即捕捉探針,如圖2所示。互補(bǔ)DNA(cDNA)與攜帶拉曼報(bào)告基因4-巰基苯甲酸(4-MBA)的金納米顆粒(AuNPs)連接形成信號探針。在信號探針上連接游離CLB和cDNA,在捕獲探針上固定適配體,通過競爭結(jié)合來檢測CLB。在外磁場的作用下,利用Fe3O4@Au@AgNPs 和AuNPs 之間的耦合效應(yīng),使拉曼信號分析4-MBA 靠近SERS 活性底物,促使SERS效應(yīng)顯著增強(qiáng),提高定量分析的靈敏度,LOD達(dá)到0. 003 ng/mL。豬肉樣品中CLB的加標(biāo)回收率為90. 7%~108. 0%,變異系數(shù)(CV)為2. 2%~3. 1%,具有較高的精密度和準(zhǔn)確度。該方法憑借磁性納米粒子自身磁性作用,磁性質(zhì)金屬核殼與金納米顆粒之間充分接觸,SPR導(dǎo)致金屬表面附近的電磁場強(qiáng)度顯著增加。更好地與適配體結(jié)合,F(xiàn)e3O4@Au@AgNPs和AuNPs基底產(chǎn)生較強(qiáng)的耦合效應(yīng)使其表現(xiàn)出強(qiáng)烈的SERS增強(qiáng)效果。
側(cè)流免疫層析(Lateral flow immunoassay, LFI)技術(shù)與拉曼結(jié)合,比色信號可以滿足不同環(huán)境下的檢測需求,作為一種有效的即時(shí)檢測方法對快速、直接和實(shí)時(shí)監(jiān)測違禁添加物發(fā)揮著重要作用。Wu等[46]選用超靈敏免疫層析法,基于高性能磁性Fe3O4@Au納米標(biāo)簽作為捕獲/檢測的雙功能工具,納米材料表面修飾拉曼分子5,5′-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)(DTNB)和抗體。比色信號對分析物進(jìn)行快速視覺檢測,而SERS信號用于靈敏和定量分析,在實(shí)際樣品檢測中,該方法的回收率為89. 63%~110. 6%,表現(xiàn)出較高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。Cheng等[47]選用免疫磁珠樣品制備法,成功合成了氧化石墨烯/金納米顆粒,將氧化石墨烯/金修飾的SERS探針用于檢測動物尿液中的克倫特羅殘留。此探針在4 ℃下保持4周,實(shí)驗(yàn)結(jié)果無差異,穩(wěn)定性良好。該方法中,克倫特羅的檢出限為0. 5 ng/mL,定量限為1 ng/mL,也可用于養(yǎng)殖過程中對克倫特羅的常規(guī)檢測。以上2種磁性基底在SERS發(fā)展領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景,例如,可將SERS與微流控技術(shù)相結(jié)合,運(yùn)用在核酸、細(xì)菌和食品農(nóng)獸藥殘留等多種檢測領(lǐng)域,在復(fù)雜的樣本中實(shí)現(xiàn)即時(shí)檢驗(yàn)的目的。
3. 1. 2 萊克多巴胺
萊克多巴胺與克倫特羅均具有相同的苯乙胺結(jié)構(gòu),在拉曼圖譜中的特征峰也相同。作為一種新型人工合成的β-受體激動劑,萊克多巴胺也屬于瘦肉精的一種,我國早在2011年12月5日起,禁止生產(chǎn)、銷售該物質(zhì)。盡管如此,在食品問題報(bào)道中還會有相關(guān)案件,更需要食品監(jiān)管的嚴(yán)格執(zhí)法。以貴金屬AuNPs為SERS增強(qiáng)基底,操作步驟簡單化,達(dá)到實(shí)際檢測要求。例如,Yu等[48]以AuNPs為SERS活性增強(qiáng)基底,將其與CLB和萊克多巴胺2種物質(zhì)的抗體結(jié)合,檢測游離的CLB和萊克多巴胺。建立了一種基于多重競爭SERS免疫分析的高靈敏度方法; 該方法的LOD為1. 0 pg/mL,具有很大的應(yīng)用潛力。Zhai等[49]在處理豬尿的過程中,分別選用了LLE和LLE聯(lián)合固相萃取柱分離的方法得到了萊克多巴胺待測樣品,以AuNPs為拉曼基底進(jìn)行檢測,2種前處理方法得出的檢出限分別為0. 8和0. 4 μg/mL。
3. 2 抗生素
抗生素是一類次級代謝產(chǎn)物或合成類似物,在低濃度時(shí)不僅干擾細(xì)胞發(fā)育,還會殺死或者抑制微生物的生長,不同于其他消毒劑或殺菌劑[50]。1928年,英國細(xì)菌學(xué)家弗萊明發(fā)現(xiàn)青霉素具有抗藥特性,從此,各種抗生素被開發(fā)出來并應(yīng)用,預(yù)防和治療人類疾病??股氐某霈F(xiàn)徹底改變了人類醫(yī)學(xué),也被廣泛用在畜牧養(yǎng)殖業(yè)。在肉、魚、奶、蛋和水果等多種食品中,常常檢測到抗生素的殘留,這些殘留物會通過食物鏈在人體內(nèi)累積,從而對人體器官造成一定程度的損害,誘發(fā)貧血和心血管等疾?。?1]。獸藥殘留檢測中常見的抗生素類獸藥有四環(huán)素類、β-內(nèi)酰胺類、大環(huán)內(nèi)酯類、氨基甙類、喹諾酮類、林可霉素類和氯霉素類等。這些殘留物可以通過食物鏈進(jìn)入人體,并產(chǎn)生毒性作用,引發(fā)嚴(yán)重甚至致命性的過敏反應(yīng)[52]。拉曼光譜檢測技術(shù)作為現(xiàn)場快速檢測獸藥殘留的快檢技術(shù)之一,有著十分廣闊的應(yīng)用范圍。
3. 2. 1 四環(huán)素類
四環(huán)素類的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是含有氫化駢四苯基本骨架,典型代表有四環(huán)素、土霉素、金霉素和多西環(huán)素等,具有廣譜抗菌、成本低的特點(diǎn)。Liu等[53]將磁性納米顆粒和金銀核殼納米星制備出功能性磁性納米顆粒,圖3為磁性納米顆粒標(biāo)記檢測過程,采用不同拉曼探針分子進(jìn)行編碼標(biāo)記,表征不同類型的抗生素并加以區(qū)分。在水基環(huán)境下,利用其在磁場中特異性響應(yīng)的特性,分離待測分析物,同時(shí)檢測氯霉素和四環(huán)素這2種廣譜抗菌藥物?;赟ERS納米的磁性免疫分析法具有較高的特異性,氯霉素和四環(huán)素檢出限分別為159. 49和294. 12 fg/mL,表現(xiàn)出優(yōu)異的選擇性和回收率。該方案為高通量檢測有害小分子開辟了新方向,在環(huán)境檢測、中藥篩查和食品安全等方面具有巨大的應(yīng)用潛力。
膠體金免疫分析試紙條結(jié)合SERS技術(shù),利用SERS的高靈敏度和免疫吸附法的高特異性,對動物源性食品中的抗生素進(jìn)行檢測。Shi等[54]基于SERS的LFI試紙條應(yīng)用在牛奶中抗生素的靈敏檢測,利用膠體金與新毒素(Neomycin, NEO)單克隆抗體和拉曼探針分子4-氨基苯硫酚結(jié)合,制備成免疫探針,如圖4所示。游離的新霉素和包被抗原與免疫探針直接進(jìn)行競爭,分析了不同濃度新霉素的牛奶樣品的試紙條,選用拉曼分析儀定量檢測,樣品回收率為89. 7%~105. 6%,相對標(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)為2. 4%~5. 3%,表明了SERS-LFI條能夠有效檢測牛奶樣品中的目標(biāo)分析物。
3. 2. 2 β-內(nèi)酰胺類
應(yīng)用廣泛的β-內(nèi)酰胺類抗生素包括青霉素、頭孢霉素、頭霉素、碳霉素和單內(nèi)酰環(huán)生素等,這類抗生素化學(xué)結(jié)構(gòu)中含有β-內(nèi)酰胺環(huán),特點(diǎn)是廣譜抗菌、殺菌活性強(qiáng)、毒性低和適應(yīng)性廣[55]。這類抗生素進(jìn)入動物體的主要途徑是口服、飼料、水或注射,30%~90%的抗生素會被動物排出體外,從而進(jìn)入人類的生活環(huán)境,引起環(huán)境中的微生物產(chǎn)生耐藥性,誘發(fā)難以治愈的感染[56]。青霉素G鈉(NaBP)是一種具有代表性的β-內(nèi)酰胺類化合物,在臨床醫(yī)學(xué)和飼料添加劑等方面廣泛應(yīng)用[57]。梁營芳等[58]提出了以AgNPs為基底,硫酸鎂作為凝聚劑,采用SERS測定NaBP含量的方法,硫酸鎂作為凝聚劑對NaBP的SERS增強(qiáng)起著至關(guān)重要的作用,濃度為1×10?2 mol/L的硫酸鎂引起AgNPs聚集效果最優(yōu),在AgNPs基底上的NaBP表現(xiàn)出最大增強(qiáng)效果。NaBP的回收率為80. 0%~96. 0%,RSD為2. 3%~6. 5%。該方法具有簡便、快速的特點(diǎn),可發(fā)展成一種標(biāo)準(zhǔn)的檢測方法。
3. 2. 3 喹諾酮類
喹諾酮類又稱吡啶酮酸類,基本結(jié)構(gòu)為4-喹諾酮,抗菌效果強(qiáng),被大量用于畜禽、水產(chǎn)養(yǎng)殖的疾病治療。常見的喹諾酮類藥物有恩諾沙星、沙拉沙星、達(dá)氟沙星和環(huán)丙沙星等[59]。因致病菌產(chǎn)生耐藥性和發(fā)生潛在致癌性質(zhì),其殘留問題已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[59]。閆帥等[61]結(jié)合QuEChERS快速樣品前處理方法,實(shí)現(xiàn)對雞蛋中喹諾酮類抗生素殘留的檢測。該實(shí)驗(yàn)使用0. 2%甲酸-乙腈溶液提取蛋清中恩諾沙星的殘留,建立拉曼特征峰強(qiáng)度與濃度的單變量線性回歸和偏最小二乘回歸模型確定SERS定量檢測雞蛋中喹諾酮類的可行性,提取特征光譜變量以實(shí)現(xiàn)簡化、提高模型穩(wěn)健和適用的目的。He等[62]設(shè)計(jì)了一種將SERS和樹突狀銀納米襯底聯(lián)用的方法,利用近紅外激發(fā)光譜在銀納米基底下對恩諾沙星、環(huán)丙沙星和氯霉素這3種抗生素檢測,并對3種抗生素進(jìn)行快速、準(zhǔn)確地識別和表征。Wang等[63]利用基于半導(dǎo)體襯底的SERS技術(shù),制備出Ag-TiO2納米粒子的活性底物,對實(shí)際水樣中鹽酸二氟沙星、環(huán)丙沙星和恩諾沙星等廣泛喹諾酮類抗生素的SERS檢測,準(zhǔn)確從混合抗生素殘留樣品中區(qū)分每種抗生素,并且得到的LOD均遠(yuǎn)低于歐盟規(guī)定的最大殘留限量100 μg/kg,加標(biāo)回收率均在80. 8%以上,RSD在2. 1%~4. 7%之間。由此,可以得出,SERS增強(qiáng)基底的發(fā)展已經(jīng)從單一的貴金屬,向著多形態(tài)、多結(jié)構(gòu)和多組分的態(tài)勢發(fā)展,建立新型的SERS檢測方法。
3. 2. 4 磺胺類
磺胺類抗生素是一類用于人和動物治療和預(yù)防的藥物,被磺胺污染的肉或奶制品會對人類的健康產(chǎn)生嚴(yán)重的潛在問題[64]。此類抗生素的基本結(jié)構(gòu)主要是對氨基苯磺酰胺,被廣泛使用的藥物有磺胺二甲嘧啶、磺胺甲唑等[65]。分子印跡技術(shù)可利用識別位點(diǎn)的技術(shù),實(shí)現(xiàn)特異性識別目標(biāo)分子的作用。拉曼技術(shù)領(lǐng)域結(jié)合分子印跡技術(shù)開展了較為廣泛的研究。劉琳[66]將分子印跡技術(shù)與SERS聯(lián)用,首先利用表面印跡法在銀球表面合成MIP殼層?;谠簧L法制備,在合成聚合物時(shí)直接將前驅(qū)體硝酸銀加入到體系內(nèi),聚合反應(yīng)結(jié)束后將硝酸銀還原為AgNPs,成功開發(fā)銀基-分子印跡聚合物襯底。MIP@AgNPs SERS基底具有良好的穩(wěn)定性,在水基環(huán)境下對磺胺二甲基嘧啶和牛奶中進(jìn)行檢測,回收率分別為85. 1%~102. 5%和85. 2%~98. 0%。新型的柔性襯底材料憑借其強(qiáng)附著力在SERS領(lǐng)域獲得快速發(fā)展,這種基底有著良好的光學(xué)透性,并提高了納米顆粒的穩(wěn)定性,利于分析物的聚集。如Ouyang等[67]將銀納米顆粒表面改性與凝膠化進(jìn)行了結(jié)合,作為“橋梁”的β-環(huán)糊清加強(qiáng)了目標(biāo)物與銀納米顆粒之間的弱親和力,并保證了底物良好的重現(xiàn)性和靈敏度。β-環(huán)糊清修飾增強(qiáng)了磺胺類化合物對Ag表面的親和力,在對磺胺類化合物的痕量檢測中,檢出限低至10 ng/mL。以上2種檢測方法的共同點(diǎn)均是在銀納米顆粒的表面進(jìn)行改變,制備殼層或者凝膠界面,增加基底的穩(wěn)定性,在實(shí)際檢測過程中提高靈敏度。水凝膠作為一種柔性基底材料可用于復(fù)雜樣品的檢測領(lǐng)域,可以有效解決拉曼信息重現(xiàn)性差的問題,控制粒子間距,最大程度上放大拉曼信號,產(chǎn)生更多的“熱點(diǎn)”。因此,該材料在獸藥、農(nóng)藥、核酸和細(xì)菌等領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展前景,在拉曼基底材料的研發(fā)進(jìn)程上取得進(jìn)步。
表1是2011?2022年期間有關(guān)肉類、牛奶及其他動物源性食品中的應(yīng)用或研究成果,SERS活性基底的選擇主要集中在Au和Ag這2種貴金屬,可見在其他金屬材料或者半導(dǎo)體等領(lǐng)域有著很大的開發(fā)空間,拉曼檢測技術(shù)在獸藥殘留檢測領(lǐng)域進(jìn)一步深入研究。
4 結(jié)論與展望
SERS作為一種超靈敏的檢測技術(shù),能夠檢測食品中的微痕量殘留物質(zhì),在食品違禁添加物的檢測方面體現(xiàn)出巨大的潛力。值得注意的是,SERS可快速獲得化合物的特征信息,靈敏度較高且?guī)缀醪恍枰獦悠分苽?,在食品安全檢測方面具有十分廣闊的應(yīng)用前景。而在動物源性食品領(lǐng)域中檢測痕量殘留物方面,食品樣品的復(fù)雜性和多樣性,給檢測帶來了不同程度的影響,需要根據(jù)不同基質(zhì),選用特定的前處理手段,最大程度上富集檢測物,減少流失。本文概述了多種獸藥殘留檢測領(lǐng)域的研究方法和復(fù)雜食品的前處理手段,SERS檢測技術(shù)發(fā)展態(tài)勢迅猛。盡管如此,SERS技術(shù)在動物源性食品中的檢測依然面對著很大挑戰(zhàn): 1)動物源性食品基質(zhì)的復(fù)雜性及其對SERS信號的影響; 2)較低的獸藥殘留量,信號強(qiáng)度低; 3)目標(biāo)分析物與納米活性基底之間的弱親和力; 4)SERS信號強(qiáng)度趨于穩(wěn)定,減少因信號引發(fā)的假陽性概率。SERS在未來的發(fā)展中,還需要解決定量化和重現(xiàn)性的問題,高效率分離基質(zhì)與待測物,突破瓶頸,建立完善的動物源性食品中獸藥殘留檢測的分析方法,并應(yīng)用于相關(guān)食品監(jiān)管部門,達(dá)到在動物源性食品中有效應(yīng)用的目的。
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