張 旭,陳 陽(yáng),嚴(yán) 霞,史曉鳳,馬 君
(中國(guó)海洋大學(xué)青島市光學(xué)光電子重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,山東 青島 266100)
果蔬農(nóng)藥殘留是食品安全一直存在且不可忽視的問(wèn)題。倍硫磷是一種兼有接觸和內(nèi)吸性的廣譜、速效的殺蟲(chóng)劑。多菌靈是一種廣譜性殺菌劑,對(duì)皮膚和眼睛有刺激,經(jīng)口中毒出現(xiàn)頭昏、惡心、嘔吐。這兩種農(nóng)藥也是果蔬中常用的殺蟲(chóng)劑和殺菌劑,也是容易殘留和超標(biāo)的農(nóng)藥。超標(biāo)的農(nóng)藥殘留對(duì)人和動(dòng)物危害極大[1],還會(huì)造成環(huán)境污染[2]。目前國(guó)內(nèi)外農(nóng)藥殘留的檢測(cè)方法主要包括理化檢測(cè)法(色譜檢測(cè)技術(shù)及其聯(lián)用技術(shù)等)[3-4]和生物檢測(cè)技術(shù)(生物傳感器、酶聯(lián)免疫測(cè)定法、生物芯片等)[5]。這些方法各自存在不同的優(yōu)缺點(diǎn)而被局限于不同的檢測(cè)領(lǐng)域。
表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface enhanced Raman spectroscopy,SERS)是一種與粗糙金屬材料(如金、銀等)相關(guān)的表面增強(qiáng)效應(yīng),可使拉曼信號(hào)增強(qiáng)約1014~1015倍。因其靈敏度高、信息含量豐富,作為一種獨(dú)立的檢測(cè)手段被用于各方面的檢測(cè)中[6-7]。近年來(lái),SERS技術(shù)也被廣泛用于農(nóng)藥殘留的檢測(cè)。2013年杜一平小組[8]應(yīng)用GMA-EDMA多孔材料結(jié)合快速高靈敏SERS檢測(cè)方法,對(duì)兩種農(nóng)藥三環(huán)唑和百草枯的最低檢測(cè)濃度為5×10-3和1×10-3mg/L。2014年,Zhu Yiqun等[9]通過(guò)銀鏡反應(yīng)制備了基于濾紙上沉積銀納米粒子(Ag NPs)的實(shí)用SERS基底,快速、便攜和準(zhǔn)確地鑒定和檢測(cè)了果蔬表皮的福美雙和對(duì)氧磷農(nóng)藥殘留。2014年,Li Xiaozhou等[10]采用SERS技術(shù)檢測(cè)蘋(píng)果皮中磷酸鹽和倍硫磷的農(nóng)藥殘留,檢測(cè)極限分別為0.05和0.4 mg/L。2015年,Ma Chunhua等[11]應(yīng)用SERS技術(shù)檢測(cè)茶葉中的多菌靈,SERS峰強(qiáng)和多菌靈濃度的線性范圍為0.5~8.0 mg/kg,檢測(cè)限為0.1 mg/kg,另外,研究發(fā)現(xiàn)茶葉上多菌靈的半衰期為4 d。2017年Chen Zhai等[12]應(yīng)用SERS技術(shù)檢測(cè)蘋(píng)果樣品中啶蟲(chóng)脒、毒死蜱和多菌靈的混合農(nóng)藥,它們的最低可檢測(cè)濃度分別為0.005 4,0.064和0.014 mg/kg。
目前,果蔬表皮農(nóng)藥殘留的快速、高靈敏度的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)技術(shù)仍是研究的關(guān)鍵問(wèn)題。本文以蘋(píng)果為例,以果蔬表皮常見(jiàn)的兩種農(nóng)藥——?dú)⑾x(chóng)劑倍硫磷和殺菌劑多菌靈為研究對(duì)象,應(yīng)用GMA-EDMA多孔材料結(jié)合金納米顆粒制備的納米檢測(cè)棒,快速、無(wú)損檢測(cè)果蔬表皮兩種農(nóng)藥,探究?jī)煞N農(nóng)藥殘留在果蔬表皮的衰減規(guī)律,并對(duì)日常生活中常用的清洗方式的效果進(jìn)行了比對(duì)研究。
實(shí)驗(yàn)儀器:Ocean Optics 公司的便攜式QE65000系列拉曼光譜儀,分辨率為6 cm-1,光譜范圍0~1 800 cm-1;上海熙隆光電科技有限公司生產(chǎn)的FC-785-500-MM型窄線寬半導(dǎo)體激光器,激發(fā)波長(zhǎng)為785 nm,激光器耦合入光纖的功率可調(diào),最大為500 mW;InPhotonics公司生產(chǎn)的785 nm RPB型號(hào)的Y形反射式光纖探頭;日立集團(tuán)的S4800掃描電子顯微鏡。
實(shí)驗(yàn)試劑:檸檬酸三鈉、氯金酸(HAuCl4· 4H20)、甲醇、乙醇均購(gòu)于國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司,倍硫磷、多菌靈購(gòu)于阿拉丁試劑有限公司,以上試劑均為分析純。
實(shí)驗(yàn)樣品:從市場(chǎng)購(gòu)買(mǎi)的新鮮富士蘋(píng)果。
倍硫磷與多菌靈均難溶于水,配制標(biāo)準(zhǔn)液時(shí),先用乙醇配制成0.1 g/L的標(biāo)準(zhǔn)液,再用超純水稀釋成0.02、0.05、0.1、0.2、0.5、1.0、2.0、4.0、5.0和6.0 mg/L等不同濃度備用。購(gòu)置的蘋(píng)果先用清水充分沖洗,再用超純水沖洗,自然晾干后,用記號(hào)筆在蘋(píng)果表面標(biāo)記出1 cm2的區(qū)域,分別取200 μL不同濃度的倍硫磷、多菌靈溶液滴加到不同的標(biāo)記區(qū)域內(nèi),放置在陰涼通風(fēng)處,自然晾干待用。
納米檢測(cè)棒分為兩部分:金納米顆粒直接涂于待測(cè)蘋(píng)果表面,吸附殘留農(nóng)藥,滴加微量NaCl使金納米顆粒聚集;多孔材料再將金納米顆粒吸附于表面,由于毛細(xì)作用,該多孔材料具有良好的吸水性,在檢測(cè)蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留時(shí),可以將探測(cè)物吸附在多孔材料表面,并直接在其表面進(jìn)行SERS探測(cè),使SERS探測(cè)更加方便、靈敏度更高。
金納米顆粒的制備參考Frens法[13],以檸檬酸鈉作為還原劑加熱還原氯金酸,制備好的金納米顆粒呈紫紅色,冷卻待用。
GMA-EDMA多孔材料的制備參考Frantisek Svec的方法[14-15],通過(guò)原位聚合反應(yīng)得到GMA-EDMA多孔材料。制備過(guò)程如下,首先將單體GMA、交聯(lián)劑EDMA、制孔劑環(huán)己醇和十二醇按一定體積比(VGMA∶VEDMA∶V環(huán)己醇∶V十二醇為15∶15∶49∶21)混合,再加入一定量的AIBN作為熱引發(fā)劑,AIBN占GMA與EDMA混合物質(zhì)量比的1.15%,將混合溶液充分混勻。將適量混合溶液加入到容量為5 mL的塑料模具中,通氮?dú)庖猿浞峙趴栈旌先芤阂约澳>咧械难鯕猓杆賹⒛>呙芊獠⒅萌牒銣叵渲?5 ℃下反應(yīng)12 h。反應(yīng)完成后,分別以10倍柱體積無(wú)水乙醇和10倍柱體積超純水沖洗殘留制孔劑,最終得到的GMA-EDMA多孔材料為白色柱狀固體,存儲(chǔ)備用。
應(yīng)用納米檢測(cè)棒檢測(cè)蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留過(guò)程如圖1所示,取100 μL金納米顆粒均勻滴加在蘋(píng)果表皮標(biāo)記區(qū)域內(nèi),覆蓋整個(gè)標(biāo)記區(qū)域,靜置1 min使表面農(nóng)藥與金納米顆粒充分吸附,滴加微量NaCl溶液使吸附了農(nóng)藥的金納米顆粒聚集,隨后用GMA-EDMA多孔材料將混合溶液吸附在其表面進(jìn)行SERS探測(cè)。作為對(duì)照,蘋(píng)果表皮無(wú)農(nóng)藥殘留區(qū)域的SERS光譜也通過(guò)相同的實(shí)驗(yàn)方法獲得。
圖1 蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)示意圖
探測(cè)倍硫磷時(shí)到達(dá)樣品表面的激光功率30 mW,積分時(shí)間10 s;由于多菌靈在溫度高于215 ℃時(shí)升華,探測(cè)多菌靈時(shí)到達(dá)樣品表面的激光功率10 mW,積分時(shí)間15 s,分別在樣品表面5個(gè)不同位置采集光譜,每個(gè)位置采集5次。并用Origin軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
圖2 納米檢測(cè)棒掃描電鏡圖
以1 mg/L的多菌靈為探針?lè)肿?,?duì)比納米檢測(cè)棒和金納米顆粒的增強(qiáng)效果(見(jiàn)圖3)。滴加微量NaCl溶液于金納米顆粒與農(nóng)藥的混合溶液中,SERS信號(hào)有了一個(gè)數(shù)量級(jí)以上的提高(見(jiàn)圖3中b和c);再以納米檢測(cè)棒吸附一定量上述混合溶液,SERS信號(hào)進(jìn)一步增強(qiáng)約15倍(見(jiàn)圖3中a和b)。產(chǎn)生增強(qiáng)的原因?yàn)镹aCl溶液的加入改變了金納米顆粒的聚集狀態(tài),使得納米顆粒間距變小,“熱點(diǎn)”效應(yīng)更強(qiáng);納米檢測(cè)棒中的GMA-EDMA多孔材料表面具有豐富的三維孔結(jié)構(gòu),可以使金納米顆粒聚集在多孔材料表面,金納米顆粒一方面進(jìn)一步提高了聚集狀態(tài),另一方面形成三維結(jié)構(gòu),從而形成更多的“熱點(diǎn)”。該納米檢測(cè)棒可以大幅提高僅以金納米顆粒為基底的增強(qiáng)效果,而且可以使SERS探測(cè)更加方便、靈敏度更高,可以用于蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留的檢測(cè)。
(a:納米檢測(cè)棒,b:金納米顆粒+NaCl溶液,c: 金納米顆粒,d:空白。 a: Detection stick, b: Gold NPs+NaCl solution, c: Gold NPs, d: Blank.)
表1為倍硫磷和多菌靈SERS峰位及其振動(dòng)模式歸屬[10-11],這些特征峰可以作為兩種農(nóng)藥的“指紋”譜,在實(shí)際檢測(cè)中可以作為能否檢測(cè)出兩種農(nóng)藥的依據(jù)。
圖4(b)以倍硫磷的1 048和1 220 cm-1處的特征峰強(qiáng)度與溶液濃度做關(guān)系曲線,隨著濃度的增加,特征峰強(qiáng)度也在增加,濃度高于1.0 mg/L時(shí),峰強(qiáng)隨濃度增加趨于緩慢,低于0.05 mg/L檢測(cè)不到信號(hào),在低濃度(0.05~1.0 mg/L)范圍內(nèi)對(duì)拉曼峰強(qiáng)與濃度的關(guān)系做線性擬合,有良好的線性關(guān)系,線性回歸決定系數(shù)R2均為0.99。
表1 倍硫磷和多菌靈SERS峰歸屬
圖4 不同濃度倍硫磷SERS譜及擬合曲線
以納米檢測(cè)棒為基底檢測(cè)多菌靈各濃度SERS譜,以630和1 218 cm-1處的特征峰強(qiáng)度與溶液濃度做關(guān)系曲線(見(jiàn)圖5(b))。隨著濃度的增加,特征峰強(qiáng)度也在增加,濃度高于0.50 mg/L時(shí),峰強(qiáng)隨濃度增加趨于緩慢,低于0.05 mg/L時(shí)檢測(cè)不到特征峰信號(hào),在低濃度(0.05~0.50 mg/L)范圍內(nèi)對(duì)拉曼峰強(qiáng)與濃度的關(guān)系做線性擬合,有良好的線性關(guān)系,線性回歸決定系數(shù)R2均為0.99。
結(jié)果表明以納米檢測(cè)棒為基底對(duì)倍硫磷和多菌靈的最低檢測(cè)濃度可達(dá)0.05 mg/L,且在低濃度范圍內(nèi)峰強(qiáng)與濃度均有良好的線性關(guān)系,可以為農(nóng)藥殘留定量檢測(cè)提供一種定量模型。該納米檢測(cè)棒靈敏度高,同時(shí)可以定量檢測(cè)農(nóng)藥殘留,能夠用于蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留的檢測(cè)。
取滴加了不同濃度農(nóng)藥的蘋(píng)果樣品,分別用納米檢測(cè)棒直接在蘋(píng)果表面進(jìn)行檢測(cè)。滴加了不同濃度倍硫磷蘋(píng)果的檢測(cè)結(jié)果如圖6所示。蘋(píng)果表皮倍硫磷SERS譜中,濃度低至0.1 mg/L時(shí),仍可以探測(cè)到1 048和1 220 cm-1處的SERS信號(hào),低于0.1 mg/L檢測(cè)不到SERS信號(hào),分別對(duì)特征峰強(qiáng)與濃度進(jìn)行線性回歸,分析可得,倍硫磷在蘋(píng)果表皮殘留的最低檢測(cè)濃度為0.1 mg/L,在0.1~2.0 mg/L的濃度范圍內(nèi)拉曼峰強(qiáng)與濃度有良好的線性關(guān)系,可用于蘋(píng)果表面倍硫磷農(nóng)藥殘留定量分析的依據(jù)。
圖5 不同濃度多菌靈SERS譜及擬合曲線
蘋(píng)果表皮多菌靈的SERS譜見(jiàn)圖7。在濃度為0.05 mg/L時(shí),630、1 262 cm-1處的特征峰依然可見(jiàn)。低于0.05 mg/L時(shí)檢測(cè)不到特征峰信號(hào),拉曼特征峰強(qiáng)與濃度的關(guān)系,在低濃度范圍內(nèi)(0.05~0.5 mg/L),濃度與峰強(qiáng)成線性關(guān)系,倍硫磷和多菌靈在蘋(píng)果表皮殘留濃度與峰強(qiáng)擬合曲線如表2所示。 在蘋(píng)果表皮檢測(cè)到的農(nóng)藥的濃度范圍與標(biāo)準(zhǔn)液檢測(cè)結(jié)果存在差異,主要原因是蘋(píng)果表皮的吸收以及農(nóng)藥干燥過(guò)程中的蒸發(fā)。
圖6 蘋(píng)果表皮倍硫磷SERS譜及擬合曲線
應(yīng)用SERS技術(shù),結(jié)合實(shí)驗(yàn)室制備的檢測(cè)棒,可以實(shí)現(xiàn)蘋(píng)果表面農(nóng)藥殘留的快速、高靈敏并且無(wú)損的檢測(cè)。低濃度范圍內(nèi),蘋(píng)果表皮殘留農(nóng)藥的濃度與拉曼峰強(qiáng)度均成良好的線性相關(guān)性。該方法無(wú)需復(fù)雜的樣品前處理過(guò)程,檢測(cè)時(shí)間只需數(shù)分鐘,可以對(duì)蘋(píng)果表皮的農(nóng)藥殘留進(jìn)行定量分析,結(jié)合小型化便攜式拉曼光譜儀和集成化的拉曼探頭,可以為蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留的現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)提供一種便捷方法。
圖7 蘋(píng)果表皮多菌靈SERS譜及擬合曲線
取200 μL濃度5.0 mg/L的農(nóng)藥滴加在不同蘋(píng)果上的標(biāo)記區(qū)域內(nèi),置于通風(fēng)的環(huán)境中自然晾干,待表面晾干后選取一組蘋(píng)果進(jìn)行表面農(nóng)藥殘留測(cè)定,之后每隔24 h選取另一組進(jìn)行測(cè)定。
蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留隨時(shí)間衰減變化如圖8所示,表3為對(duì)衰減變化的擬合曲線。分析可知,倍硫磷農(nóng)藥在蘋(píng)果表面的殘留隨時(shí)間的推移大致成指數(shù)衰減,大約1~2 d后特征峰強(qiáng)度衰減為e-1,即衰減時(shí)間常數(shù)為1~2 d;多菌靈隨時(shí)間衰減較慢,約4~5 d衰減為e-1,即衰減時(shí)間常數(shù)為4~5 d,之后趨于穩(wěn)定,一周以后仍可以探測(cè)到兩種農(nóng)藥微弱的SERS特征峰。倍硫磷衰減較快,主要原因可能是倍硫磷為乳油試劑,所配置的倍硫磷標(biāo)準(zhǔn)液由高濃度的倍硫磷乙醇溶液用純水稀釋得到,未添加其他乳化劑,隨著滴加在蘋(píng)果表皮溶液的蒸發(fā)倍硫磷也會(huì)有蒸發(fā)損失。印證了蘋(píng)果表皮檢測(cè)農(nóng)藥殘留時(shí)與純品檢測(cè)存在差異的原因。因此,實(shí)際噴灑的倍硫磷農(nóng)藥會(huì)添加乳化劑,以使得倍硫磷在蘋(píng)果表皮的藥效時(shí)間更長(zhǎng)。雖然農(nóng)藥殘留會(huì)隨時(shí)間衰減,但是一段時(shí)間后衰減變緩,并趨于穩(wěn)定,說(shuō)明農(nóng)藥殘留可以長(zhǎng)期存在于蘋(píng)果表面,造成環(huán)境污染、食品污染等。因此,控制農(nóng)藥的用量以及蘋(píng)果入市前的禁藥期對(duì)食品安全問(wèn)題尤為重要。農(nóng)藥使用說(shuō)明書(shū)提到蘋(píng)果采摘前兩種農(nóng)藥的禁藥期為10~20 d,根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得農(nóng)藥衰減時(shí)間常數(shù),該禁藥期時(shí)間是合理的。
圖8 蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留隨時(shí)間衰減規(guī)律
表3 蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留隨時(shí)間衰減擬合曲線
不同清洗劑對(duì)蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留清洗效果如圖9所示。蘋(píng)果經(jīng)浸泡可以清洗掉大部分的農(nóng)藥殘留,隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng),大體成e指數(shù)衰減,相應(yīng)的擬合曲線見(jiàn)表4。4種不同清洗劑對(duì)倍硫磷的清洗效果,衰減系數(shù)分別為:清水(5.3)、鹽水(0.7)、小蘇打水(1.3)、果蔬洗滌劑(1.9)。鹽水的清洗效果較好,清水清洗效果一般,表現(xiàn)為清洗效率較低,時(shí)間常數(shù)更長(zhǎng),超過(guò)5 min。對(duì)多菌靈的清洗效果與倍硫磷類(lèi)似,清水清洗效果一般,時(shí)間常數(shù)大約24 min,鹽水和果蔬洗滌劑的清洗方式對(duì)多菌靈清洗效果顯著,時(shí)間常數(shù)在3 min左右。清水清洗效果不佳與這兩種農(nóng)藥在水中溶解度低有關(guān),清水無(wú)法有效的將蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留洗脫下來(lái)。綜合分析4種清洗劑對(duì)兩種農(nóng)藥的清洗效果可知,鹽水和果蔬洗滌劑能更快的將農(nóng)藥殘留洗脫下來(lái),日常生活中購(gòu)買(mǎi)的蘋(píng)果可利用鹽水或果蔬洗滌劑進(jìn)行浸泡清洗,能有效去除農(nóng)藥殘留,由于果蔬洗滌劑也可能在蘋(píng)果表面殘留不易沖洗干凈,因此日常生活中可用淡鹽水浸泡10 min左右再用清水沖洗。僅用清水清洗效果較慢,但是20 min之后測(cè)得的農(nóng)藥殘留量與其他清洗劑最終清洗效果相當(dāng),可見(jiàn)只用清水浸泡清洗可以通過(guò)延長(zhǎng)時(shí)間達(dá)到較好的清洗效果。
圖9 不同清洗劑對(duì)蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留清洗效果
表4 不同清洗劑對(duì)蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留清洗效果擬合曲線
本研究提出了一種蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留無(wú)損、快速檢測(cè)的方法,采用表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)結(jié)合納米檢測(cè)棒對(duì)蘋(píng)果表面殘留的倍硫磷和多菌靈農(nóng)藥進(jìn)行了快速無(wú)損檢測(cè)。結(jié)果顯示,該方法檢測(cè)靈敏度高、方便快捷,對(duì)倍硫磷和多菌靈農(nóng)藥的檢測(cè)在低濃度范圍內(nèi)特征峰強(qiáng)度與濃度成良好的線性關(guān)系,可作為定量分析蘋(píng)果表皮農(nóng)藥殘留的參考。且蘋(píng)果表皮倍硫磷和多菌靈的最低檢測(cè)濃度分別為0.1和0.05 mg/L。
分析蘋(píng)果表皮倍硫磷和多菌靈農(nóng)藥殘留行為,殘留隨時(shí)間成e指數(shù)衰減,衰減時(shí)間常數(shù)分別為1~2 d和4~5 d。農(nóng)藥可長(zhǎng)期殘留在表皮,因此蘋(píng)果食用前的清洗對(duì)人類(lèi)健康尤為重要。使用納米檢測(cè)棒分別對(duì)4種清洗劑清洗效果進(jìn)行檢測(cè)、分析,農(nóng)藥殘留隨浸泡時(shí)間的增長(zhǎng)成e指數(shù)衰減,由于農(nóng)藥難溶于水,清水的清洗效果一般,需要增加浸泡時(shí)間,果蔬洗滌劑、淡鹽水對(duì)農(nóng)藥有良好的清洗效果。綜合考慮可食用性、清洗效果等因素,蘋(píng)果食用前可用淡鹽水浸泡10 min以上,再用清水沖洗,或者只用清水浸泡20 min以上,都能有效去除大部分農(nóng)藥殘留。
中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)2021年2期