蘇心悅, 馬艷莉, 翟 晨, 李巖磊, 馬倩云, 孫劍鋒, 王文秀*

1. 河北農(nóng)業(yè)大學食品科技學院, 河北 保定 071000

2. 南陽理工學院張仲景國醫(yī)國藥學院, 河南 南陽 473000

3. 中糧營養(yǎng)健康研究院, 營養(yǎng)健康與食品安全北京市重點實驗室, 北京 102209

4. 北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院, 北京 100042

引 言

液體食品是指能夠流動的食品。 日常生活中常見的牛奶、 蜂蜜、 食用油、 飲料、 酒都屬于液體食品, 含有大量的營養(yǎng)物質(zhì), 如不飽和脂肪酸、 維生素、 微量元素等, 同時具有多種生理功能, 如軟化血管、 抑菌、 養(yǎng)顏等[1-3]。 因此, 液體食品質(zhì)量安全備受關(guān)注。 目前, 我國液體食品安全面臨的主要問題包括農(nóng)獸藥殘留、 非法添加、 腐敗變質(zhì)等[4-6]。 這些問題不但與消費者身體健康關(guān)系密切, 也關(guān)系著食品企業(yè)的效益。 因此, 實現(xiàn)液體食品質(zhì)量安全的快速、 準確、 無損監(jiān)測, 提高對液體食品相關(guān)安全指標的檢測水平, 對維護消費者合法權(quán)益、 提高企業(yè)效益、 保障液體食品品質(zhì)安全具有重要意義[7]。

目前對液體食品品質(zhì)安全的檢測方法包括色譜法、 光譜法、 質(zhì)譜法等。 其中, 光譜法具有檢測速度快、 操作簡單、 樣本需要量小等優(yōu)點[8], 對液體食品品質(zhì)安全的實時監(jiān)測更具潛力。 拉曼光譜屬于光譜技術(shù), 具有無損、 快速且不受水分干擾的獨特優(yōu)勢, 在液體食品領(lǐng)域得到廣泛研究。 表面增強拉曼光譜(surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技術(shù)是在傳統(tǒng)拉曼技術(shù)上的進一步提升, 既繼承了拉曼技術(shù)的優(yōu)點, 同時具有熒光背景更低、 靈敏度更高、 應用范圍更廣的優(yōu)勢[9-10]。 近些年已有較多研究將SERS技術(shù)用于奶類、 酒類、 飲料、 蜂蜜等液體食品安全的檢測中, 證實其能夠快速、 靈敏的檢測出農(nóng)獸藥殘留、 防腐劑、 甜味劑、 抗生素等[5, 11-14], 在液體食品品質(zhì)安全檢測方面表現(xiàn)出獨特的優(yōu)勢, 具有較好的應用前景。

本文簡述了SERS技術(shù)的原理, 深入探討了近幾年SERS技術(shù)在檢測液體食品安全領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀, 闡述了其在不同液體食品不同安全指標測定中的應用, 并對該技術(shù)在液體食品品質(zhì)安全檢測領(lǐng)域的應用前景和發(fā)展趨勢進行展望。

1 表面增強拉曼光譜技術(shù)原理及基底研究

表面增強拉曼光譜是將被測分子沉積在被修飾的粗糙金屬表面, 達到拉曼信號的極大增強。 目前關(guān)于其增強機理的研究, 電磁增強機制和化學增強機制被廣泛接受。 如圖1所示, 電磁增強原理認為拉曼信號的顯著增強歸功于貴金屬表面周圍電子的等離子體共振效應[15]。 化學增強機理認為被吸附的分子與基底金屬表面在入射光激發(fā)下發(fā)生化學反應, 導致拉曼信號增強[16]。

圖1 表面等離子共振

自拉曼散射效應被發(fā)現(xiàn)以來, 其增強基底的研究一直是重點, 隨著納米技術(shù)的進步以及高新納米制備設(shè)備的升級, 已有大量關(guān)于SERS基底的研究報道。 目前在液體食品品質(zhì)安全檢測領(lǐng)域, SERS基底的制備研究主要為貴金屬粒子溶膠和復合基底兩類。 貴金屬溶膠主要是由金、 銀兩種粒子制備, 通常采用氧化還原法、 種子生長法、 電化學沉積法等制備出形狀結(jié)構(gòu)各異的金屬納米粒子, 如球形、 棒狀、 枝狀、 核殼結(jié)構(gòu)等[17-18, 26, 36], 這類襯底制備方法相對簡單、 成本低, 但存在溶膠不穩(wěn)定, 易團聚的現(xiàn)象。 將修飾后的納米粒子與聚二甲基硅氧烷、 柔性濾紙、 石墨烯等固體材料結(jié)合成復合基底有效的避免了金屬溶膠聚沉問題[29, 32, 34], 穩(wěn)定性高, 同時研究發(fā)現(xiàn)金屬粒子與半導體材料、 多孔材料相結(jié)合具有協(xié)同增強作用, 因此這種復合基底比傳統(tǒng)溶膠有更高的增強效應[19]。 總之SERS繼承了傳統(tǒng)拉曼光譜的指紋特性和不受水分干擾的優(yōu)點, 并且具有更高的靈敏度, 應用范圍更廣, 在液體食品安全檢測領(lǐng)域具有廣闊的前景。

2 SERS技術(shù)在液體食品品質(zhì)檢測中的應用研究

液體食品質(zhì)量安全的檢測引起了人們的廣泛關(guān)注。 近年來, 許多學者探討了SERS技術(shù)對液體食品品質(zhì)安全指標無損和快速檢測的可行性, 通過制備靈敏度高、 均勻穩(wěn)定的SERS基底保證結(jié)果的準確性和可重復性。 表1匯總了近幾年SERS技術(shù)在液體食品安全檢測中的應用, 通常以檢出限值和準確度(R2)評價檢測結(jié)果。

表1 表面增強拉曼光譜技術(shù)在液體食品安全檢測中的應用

2.1 SERS對奶及奶制品的檢測

2.1.1 三聚氰胺

向牛奶中添加三聚氰胺是一種嚴重違法行為, 2008年由三聚氰胺引起的“毒奶粉”事件造成了嚴重的食品安全問題, 掀起快速檢測奶制品中三聚氰胺的技術(shù)狂潮, 利用SERS技術(shù)檢測牛奶中三聚氰胺成為研究熱點。 根據(jù)世衛(wèi)組織規(guī)定, 嬰兒奶粉中三聚氰胺殘留量不得超過1 mg·kg-1, 奶及奶制品中不得超過2.5 mg·kg-1, 這對于檢出限要求較高, 需要制備高靈敏度基底。 傳統(tǒng)金屬溶膠制備簡單, 成本低, 但形狀多為球形, 導致靈敏度受限, 難以滿足實際樣品中三聚氰胺的檢測要求。

為了提高對奶及奶制品中三聚氰胺的檢測效果, 研究者多采用氧化還原法、 種子生長法、 電化學沉積技術(shù)等制備形狀各異的納米粒子, 如枝狀、 棒狀、 星狀等[17-18]。 制備的納米粒子結(jié)構(gòu)層次更加豐富, 能夠產(chǎn)生更多的熱點區(qū)域; 同時納米粒子本身具有的尖銳針狀邊緣易產(chǎn)生避雷針效應, 使增強效果進一步加強。 Cuong等[17]利用電化學沉積技術(shù)將硝酸銀和氫氟酸水溶液沉積在硅片表面制備出枝狀銀納米粒子, 直接檢測了液體牛奶及嬰兒配方奶粉中的三聚氰胺, 最低檢出濃度分別為0.1和0.02 mg·L-1。 該基底結(jié)構(gòu)層次豐富, 且具有大量的分枝和納米間隙提供熱點, 獲得了更高的靈敏度, 使得樣品基質(zhì)的影響大大降低。 理想情況下, 這些修飾后的金屬聚集體能夠滿足痕量物質(zhì)的檢測需要, 但由于聚集體本身并不穩(wěn)定且易沉淀, 導致實驗結(jié)果的重現(xiàn)性差。 將金屬膠體整合在一些固體聚合物上能夠有效地解決膠體沉淀問題, 但不同形狀的納米粒子與固體聚合物之間的結(jié)合效果不同, 對樣品待測成分的增強效果也不同, 因此在實驗中還需要不斷嘗試。 Kaleem等[18]首先制備了多孔支架GMA-EDMA(甲基丙烯酸二甲酯-二甲基丙烯酸乙酯聚合物), 然后分別將制備的金納米球、 金納米棒、 三角金納米粒子與多孔基質(zhì)嵌合, 對比其對牛奶中三聚氰胺的增強效果。 結(jié)果表明金納米球的增強效果最好, 球狀結(jié)構(gòu)與多孔基質(zhì)上的細小孔洞結(jié)合更好, 能夠產(chǎn)生更多的熱點區(qū)域。 隨著納米技術(shù)和半導體材料的發(fā)展, 將金、 銀納米顆粒與復合納米材料或有機金屬框架結(jié)合制備SERS基底成為新的研究熱點。 Tiwari等[20]制備了一個由金屬-有機框架模板(MOF)合成的ZnO/ZnFe2O4(ZZF)納米復合結(jié)構(gòu)[圖2(a)], 該結(jié)構(gòu)呈長方體形, 納米片排列, 能夠積累可見光, 并提高了SERS對三聚氰胺的敏感性。 由金納米粒子裝飾所得到的Au-ZZF復合基底用于三聚氰胺檢測, 增強因子達到1.37×107, 檢出限為0.049 mg·L-1。

圖2 四種常見液體食品安全指標表面增強拉曼散射(SERS)檢測過程示意圖

在三鹿奶粉事件爆發(fā)后, 我國已出臺了更加嚴格的三聚氰胺抽檢制度, 利用SERS技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對牛奶中三聚氰胺的痕量、 快速分析, 但檢測條件和基底的不同導致對牛奶中三聚氰胺的定量檢測存在一定差異, 未來應制定統(tǒng)一測量標準。

2.1.2 抗生素

牛奶中的抗生素殘留是全球奶業(yè)普遍存在的問題, 長期飲用抗生素超標的奶會使消費者身體產(chǎn)生抗藥性, 帶來治療負擔。 因此, 實現(xiàn)奶中抗生素殘留的痕量、 快速檢測是必要的。 奶及奶制品中抗生素的檢測方法主要有高效液相色譜法、 分子印跡、 液相色譜法結(jié)合串聯(lián)質(zhì)譜法等, 這些方法均存在耗時耗力、 價錢昂貴等問題, 并且通常需要大量的樣品前處理工作, 不適合樣品高通量的在線檢測。 因此, SERS作為一種更加快速、 具有“指紋”特性的無損檢測技術(shù), 在奶及奶制品的抗生素殘留檢測中具有很好的應用前景。

Li等[21]研發(fā)了一種橫向免疫傳感器用來識別牛奶中的粘菌素, 用5,5-二硫代比斯-2-硝基苯甲酸(DTNB)作為標記分子, 標記金納米顆粒, 然后連接抗粘菌素單克隆抗體(mAb)。 優(yōu)化了SERS納米探針中金納米顆粒的尺寸, 然后將SERS納米探針應用于橫向流動條上, 進行拉曼信號讀出, 以高靈敏度的定量測定粘菌素。 該方法與常用的ELISA法相比, 檢測時間在20 min內(nèi), 檢出限值低至1×10-4mg·L-1, 不受其他抗生素干擾。 該傳感器的設(shè)計為實現(xiàn)液體食品品質(zhì)的現(xiàn)場實時檢測提供了參考方法。 在青霉素檢測方面, Wang等[22]采用替代反應制備了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子Ag@IP6@AuNPs, 該納米粒子的核-殼分子間隙能夠產(chǎn)生巨大的表面等離子體共振熱點區(qū)域, 并且熱點區(qū)域延伸至納米粒子表面, 協(xié)同增強了拉曼散射效應, 定量線性范圍更寬(3.88～3.88×10-6mg·L-1)。 由于金納米核和銀納米殼之間存在IP6作為保護層, 很大程度上避免了膠體氧化, 儲存期長達35 d。 該基底的選擇性更高, 且不受牛奶中纈氨酸、 苯丙氨酸、 色氨酸的干擾。 Wali等[23]利用光電化學蝕刻法制備了具有超密度懸空鍵(Si—H)的多孔硅材料(Psi), 通過優(yōu)化電阻率、 電流密度、 刻蝕時間等制備條件, 給沉積在Psi表面的AuNPs提供高密度熱點區(qū)域。 制備的AuNPs/Psi雜化結(jié)構(gòu)在不對牛奶進行任何前處理的情況下, 對牛奶中青霉素G和氨芐青霉素的檢測限低至1×10-9mg·L-1, 顯著提高了牛奶中青霉素的檢測效率。

由于抗生素種類較多, 奶中抗生素殘留通常不是一種, 目前SERS技術(shù)對奶及奶制品中抗生素的檢測研究主要集中于某單一抗生素的檢測。 因此, 如何利用表面增強拉曼光譜技術(shù)實現(xiàn)對多種抗生素的同時檢測, 是迫切需要解決的問題。

2.2 SERS對食用油的檢測

2.2.1 油脂氧化

食用油在食品烹飪中發(fā)揮著重要作用, 種類多樣, 如菜籽油、 大豆油、 橄欖油、 花生油等及各種混合油, 油的品種和質(zhì)量決定了其營養(yǎng)價值和價錢的巨大差異。 市場上食用油質(zhì)量良莠不齊, 地溝油、 反復煎炸油、 摻假油、 變質(zhì)油引發(fā)的食品安全問題引起人們的熱切關(guān)注, 因此迫切需要一種有效的技術(shù)手段對食用油的質(zhì)量和安全進行檢測與評價。

油脂氧化是影響油脂質(zhì)量的主要參數(shù), 光照、 水分、 溫度、 微生物等均會引起油脂氧化, 形成三酸甘油脂。 傳統(tǒng)方法測量指標如過氧化值(PV)、 苯胺值(AV)、 共軛二烯和己醛含量, 結(jié)果多反映的是氧化程度, 而SERS技術(shù)則能提供更具體的脂質(zhì)化學成分信息。

2.2.2 有害成分

在食用油加工、 儲藏、 使用過程中不可避免的會產(chǎn)生一些有害物質(zhì), 使食用油的品質(zhì)安全大大降低。 多環(huán)芳烴是一類含有兩個或兩個以上芳香環(huán)大分子的總稱, 具有致癌性和親脂性, 是食用油中常見有害物之一, 其含量與食用油的烹飪時間、 次數(shù)和溫度有關(guān)。 常見多環(huán)芳烴包括菲、 蒽、 芘、 苯并芘等, 我國對食用油中苯并芘含量有著嚴格的規(guī)定, 不得超過10 μg·kg-1。 傳統(tǒng)SERS金屬基底對苯并芘的吸附弱, 因此需要對金屬基底進行改性, 增加對苯并芘的親和力。 Su等[27]充分利用苯并芘的親脂特性, 開發(fā)了一種不需要樣品預處理的液體界面SERS技術(shù)。 過程如圖2(b)所示, 將食用油和三氯甲烷混合形成有機相后, 加入金納米粒子(GNPs)并劇烈震蕩, GNPs會在水-有機相界面自組裝成3D納米結(jié)構(gòu), 利用該技術(shù)可在3 min內(nèi)實現(xiàn)對食用油中苯并芘的快速、 直接、 準確檢測。 并且應用該方法可實現(xiàn)對大豆油煎炸過程中四種多環(huán)芳烴(菲、 蒽、 芘、 苯并芘)的同時檢測和對苯并芘隨煎炸時間含量變化的監(jiān)測, 對收集的小吃街煎炸油樣品可以快速識別出上述四種常見的多環(huán)芳烴; 該方法結(jié)合主成分分析能夠成功區(qū)分出摻有地溝油(比例0～100%)的大豆油樣品, 為糧油食品質(zhì)量監(jiān)測現(xiàn)場檢查提供了前景。 為使辣椒油顏色誘人, 不法商家會添加蘇丹紅進行染色, 該物質(zhì)是一種非食用性染料, 能夠致癌。 佟蕊等[28]將薄層色譜與SERS聯(lián)用檢測了辣椒油中的蘇丹紅, 首先將辣椒油經(jīng)固相萃取(SPE)以去除油脂和雜質(zhì)后, 滴加在薄層色譜板上進行分離, 隨后加入金納米棒溶膠進行SERS檢測。 在最優(yōu)實驗條件下, 蘇丹紅的檢出限低于1 mg·L-1, 實現(xiàn)了高脂肪基質(zhì)中蘇丹紅的快速、 靈敏檢測。

食用油成分復雜且不易分離, 一般的SERS基底是水融性的且無特異性, 在油脂中不易分散、 易受樣品基質(zhì)中其他成分的干擾, 給檢測過程和結(jié)果造成很大影響。 但總體來說, SERS技術(shù)結(jié)合化學計量分析方法如主成分分析、 聚類分析等, 能夠有效地從復雜基質(zhì)中提取到有用信息, 對食用油的氧化過程和有害成分進行快速無損的檢測, 有望成為食用油質(zhì)量和安全監(jiān)測的有力工具。

2.3 SERS對飲料的檢測

2.3.1 甜味劑

甜味劑能夠賦予飲品甜味, 人工甜味劑比普通的蔗糖甜度高十幾倍甚至百倍, 但過量攝入會有致癌風險。 阿斯巴甜、 糖精鈉、 甜蜜素等是目前常用的人工甜味劑, 其中阿斯巴甜熱量低, 頗受消費者喜愛, 被廣泛用于飲料中。 Chen等[29]首先計算阿斯巴甜分子的理論拉曼光譜, 根據(jù)阿斯巴甜分子結(jié)構(gòu)特性制備了一種基于硝酸銀-聚二甲基硅氧烷(PDMS)等離子體腔的SERS基底, 首先將銀離子滴加到液體PDMS中, 由于水的表面張力高于液體PDMS, 硝酸銀溶液進入液體PDMS時形成硝酸銀溶液球, 同時與殘留的Si—H基團發(fā)生反應, 銀離子逐漸被還原為銀納米顆粒, 將所得溶液在23 ℃下固化72 h, 隨著PDMS的凝固過程, 銀離子逐漸在腔表面積累, 形成等離子體腔。 檢測純凈水中阿斯巴甜含量, 檢出限為0.002 mg·L-1。 但本研究僅對純凈水中阿斯巴甜進行了檢測, 未對更加復雜的飲料基質(zhì)做進一步研究。 糖精鈉作為一種常用的甜味劑, 它的性質(zhì)更為穩(wěn)定, 不受pH、 溫度影響, 常用于代替蔗糖。 Han等[30]采用電子束沉積技術(shù)制備了銀納米棒陣列基底, 將樣品通過簡單的液-液萃取和去除CO2后, 檢測了市場上四種常見飲品可樂、 芬達、 雪碧、 玉泉汽水中的糖精鈉, 檢出限分別為5、 10、 20和20 mg·L-1, 遠低于國家標準。 將SERS技術(shù)與其他分離技術(shù)聯(lián)用能夠很大程度地降低檢出限, 如康燕等[31]利用二維薄層色譜與SERS聯(lián)用技術(shù)檢測了飲料中的糖精鈉。 采用制備的納米金/多孔二氧化硅復合材料作為SERS基底, 薄層色譜進行飲料與糖精鈉的分離, 通過優(yōu)化展開劑, 成功在實際樣品中提取出目標物, 使色譜分離能力和靈敏度大大提高, 最終檢出限為0.06 mg·L-1。

飲料中的甜味劑用量有著嚴格的規(guī)定, 因此對其定量檢測要求準確, 且對檢測成本和檢測時間也有更高的要求。 因此, 在提高基底性能的同時, 也要考慮試劑成本和制備過程難易。

2.3.2 色素

為使飲料色澤穩(wěn)定誘人, 商家通常會添加一些著色劑。 但在利益的驅(qū)使下, 一些不法商家為降低成本會添加過量甚至使用非食用性工業(yè)色素來代替, 侵犯消費者的合法權(quán)益及健康, 因此飲料中色素的快速檢測十分重要。

通常飲料中的色素不止一種, 因此若能實現(xiàn)多種色素的同時檢測, 便能最大程度地降低檢測時間和成本。 林爽等[32]利用液-液界面自組裝技術(shù)制備了成本較低的SERS濾紙基底, 具體為將檸檬酸鈉還原得到的銀溶膠依次加入適量的二氯甲烷和四丁基硝酸銨形成銀納米粒子薄膜, 然后將所得薄膜去除水和二氯甲烷后涂覆在濾紙上, 烘箱烘干。 利用該濾紙檢測了美年達中的羅丹明B、 日落黃和柯衣定三種色素。 三種物質(zhì)的檢出限分別為1、 100和1 mg·L-1, 但該研究僅對三種色素做了半定量分析。 在溶膠里添加鹽作為聚集劑, 可誘導膠體聚集產(chǎn)生更多熱點, 有效改善色素分子與基底的結(jié)合程度。 Ou等[33]先對金納米棒尺寸進行優(yōu)化后, 選擇五種金屬鹽作為聚集劑對比增強效果, 發(fā)現(xiàn)MgSO4對膠體的聚集效果最好。 在最優(yōu)條件下測定飲料中的誘惑紅和日落黃, 建立一些特征峰強度與濃度之間的線性關(guān)系,R2分別在0.948～0.955和0.976～0.987之間, 該方法可以在少量樣品制備的情況下實現(xiàn)對誘惑紅和日落黃的定量分析。 將金屬溶膠整合到固體襯底上, 能夠使基底更均勻、 穩(wěn)定, 在實際檢測中更具優(yōu)勢。 Kong等[34]開發(fā)了一種氧化石墨烯/Au@Ag納米硼膜(GO/Au@AgNBs膜), 用于飲料中常見6種著色劑的同時富集和SERS檢測。 實驗過程如圖2(c)所示, 將樣品溶液注入注射器, 并在支架中放置GO/Au@Ag NBs膜, 緩慢推動注射器, 迫使樣品流過SERS膜, 然后取出膜, 放在平臺上進行SERS檢測。 制備的GO/Au@AgNBs膜檢測羅丹明6G的最低濃度為4.946×10-4mg·L-1, 具有良好的靈敏度、 均勻性(相對標準偏差(RSD)為7.87%)、 重復性(RSD為10.44%)和穩(wěn)定性(保存時間可達60 d)。 此外, 采用支持向量機(SVM)分析方法對不同類型的著色劑進行分類和識別, 成功檢測出了能量飲料中的亮藍和楊梅酒中的肉堿。

色素的分子結(jié)構(gòu)較為復雜, 且大多數(shù)含有環(huán)狀結(jié)構(gòu)的共軛體系, 拉曼活性高, 更易檢測。 并且由于不同色素分子的結(jié)構(gòu)差異明顯, SERS光譜更易區(qū)分不受干擾。 因此, 該技術(shù)有望在實際檢測中實現(xiàn)多種色素的同時檢測。

2.4 SERS對蜂蜜的檢測

2.4.1 抗生素

養(yǎng)蜂人會使用抗生素等藥物來治療生病蜜蜂, 保證蜜蜂健康多采蜜, 但這些抗生素只有少量被蜜蜂代謝, 剩下的會隨著蜜蜂釀蜜過程帶到蜂蜜中去[35]。 蜂蜜中抗生素殘留問題的頻發(fā)引起了消費者注意, 如何利用SERS技術(shù)檢測蜂蜜中的抗生素成為該領(lǐng)域研究熱點。

蜂蜜的粘性和復雜成分給SERS檢測帶來了難度, 因此需要對基底和檢測條件進行優(yōu)化達到最佳增強效果。 孫文等[36]利用自聚合法制備了Au@PVP核殼結(jié)構(gòu)的納米粒子, 其金內(nèi)核具有表面等離子共振效應, 氯霉素分子通過氫鍵吸附在該基底上后, 檢出限可達3.23×10-5mg·L-1。 對蜂蜜樣品進行乙酸乙酯提取后檢測, 氯霉素含量在(15.83～1.42×10-3) mg·L-1, 相對標準偏差在3.51%～12.44%之間。 具有核殼結(jié)構(gòu)的Au@PVP粒子解決了傳統(tǒng)基底易氧化、 靈敏度低的缺點, 但檢測前需要先將樣品與Au@PVP基底混合吸附2 h, 相對耗時。 張璐濤等[37]開發(fā)了一種簡單快速的方法對蜂蜜中金霉素進行檢測, 以金納米粒子作為SERS增強基底, 對金溶膠與金霉素混合體積及混合時間進行優(yōu)化, 將蜂蜜經(jīng)過一定的除雜處理后, 進行檢測, 加標回收率均在80%～120%之間。 將樣品經(jīng)過一定處理后, 能夠有效降低樣品基質(zhì)帶來的干擾, 但這也破壞了SERS技術(shù)的及時性和無損性, 研究待測物與基底的結(jié)合機理在一定程度上可以避免過于繁雜的樣品前處理工作。 Fá等[38]通過葡萄糖還原硝酸銀制備了一種簡單的銀納米溶膠, 向銀溶膠和蜂蜜樣品混合液中添加碳酸鉀, 以促進銀溶膠團聚, 獲得的懸浮液進行離心, 所得到的表面不規(guī)則沉淀物更利于SERS檢測。 進一步分析發(fā)現(xiàn)蜂蜜中的土霉素能夠通過氧原子優(yōu)先與銀納米粒子簇發(fā)生吸附作用, 并且其SERS光譜與蜂蜜的SERS光譜存在明顯的區(qū)別, 因此不需要對樣品進行復雜的處理, 檢測級別可達到μg·L-1。

蜂蜜中抗生素的種類較多, 傳統(tǒng)檢測方法對于蜂蜜中不同種類的抗生素大量檢測一直較為困難。 SERS技術(shù)由于其指紋特性和檢測快速的特點在該檢測領(lǐng)域脫穎而出, 但仍存在不足: 不同的抗生素分子與基底的吸附方式存在很大差異, 對于不同的抗生素分子需要具體分析, 無法采用相同的SERS基底, 因此也無法制定同一測定標準, 未來還需要對抗生素與基底的結(jié)合機理做進一步研究。

2.4.2 農(nóng)獸藥殘留

農(nóng)藥殘留是影響蜂蜜品質(zhì)的另一個關(guān)鍵因素。 蜂蜜是由蜜蜂從植物花蜜或蜜露中取得, 并經(jīng)過一定釀造過程得到。 由于我國除草劑等農(nóng)藥的大量使用, 導致花蜜被污染, 從而導致了蜂蜜中的農(nóng)藥殘留, 影響了蜂蜜的質(zhì)量安全。

農(nóng)藥種類多, 結(jié)構(gòu)復雜, 在蜂蜜中殘留量較低。 因此, 利用SERS技術(shù)檢測蜂蜜中的農(nóng)藥殘留有一定難度, 目前該方面的研究較少, 以制備高靈敏度和高專一性的基底為主。 Kamal等[14]開發(fā)了一種Ag2SO3納米粒子作為SERS基底, 該粒子具有八面體結(jié)構(gòu)和尖銳的邊緣, 能夠較為準確的定量檢測含有4-氯苯酚的蜂蜜樣品。 值得注意的是, 許多農(nóng)藥分子對貴金屬基底的吸附性較弱, 一些金屬納米粒子結(jié)合碳材料、 有機金屬框架、 有機配位體能夠使這一情況得到改善, 但同時復雜的修飾也可能會阻礙待測分子與基底的接觸, 進而阻斷拉曼信號的增強, 因此在制備基底時也要考慮拉曼散射過程中化學增強效應。 Song等[39]將二硫化鎢粉經(jīng)超聲處理和水熱途徑合成WS2QDs量子點后與硝酸銀溶液室溫孵育30 min, 制備了一種單分散二硫化鎢量子點改性銀納米球(Ag@WS2QD)作為SERS基底, Ag@WS2QD能夠增強與待測分子之間的電荷轉(zhuǎn)移, 進而增強拉曼信號, 對于福雙美純?nèi)芤旱臋z出限為1.6×10-3mg·L-1, 對蜂蜜中福雙美的檢出限為2.4×10-3mg·L-1。

蜂蜜基質(zhì)復雜, 農(nóng)藥殘留量檢測限較低, 且在實際檢測中蜂蜜的其他成分也可以被吸附在基底上, 產(chǎn)生與目標分子相似的拉曼峰, 給蜂蜜中農(nóng)藥殘留的定性和定量檢測帶來了困難。 新興的樣品純化技術(shù)、 高靈敏的功能性SERS基底制備和可靠的定量分析方法為解決上述問題提供了新思路。

2.5 SERS對酒的檢測

2.5.1 品質(zhì)分析

葡萄酒由葡萄釀造而成, 風味和口感豐富多樣, 深受國內(nèi)外消費者青睞。 葡萄酒的產(chǎn)地決定了葡萄酒的商業(yè)價值, 因此葡萄酒的產(chǎn)地辨別也是其品質(zhì)檢測的一項重點。 Almeida等[40]開發(fā)了一種具有高拉曼活性的等離子體納米結(jié)構(gòu)作為增強基底, 利用SERS的指紋特性結(jié)合PCA方法成功鑒別了來自兩個不同地區(qū)的白葡萄酒。 該方法與傳統(tǒng)方法相比, 不需要提前對酒樣進行處理, 檢測成本更加低廉。 葡萄酒中存在大量的香氣成分, 不同的香氣組成反映了葡萄酒的原料、 產(chǎn)地、 釀造工藝等。 在葡萄酒香氣品質(zhì)評價方面, Leong等[41]利用受體能夠通過非共價相互作用來捕獲風味分子中的化學功能, 選擇四個表面受體, 觀察單個受體-風味分子之間的相互作用所產(chǎn)生的SERS光譜變化, 建立了一個機器學習驅(qū)動的多受體平臺(SERS測試機)用于葡萄酒的風味分析。 結(jié)合所有受體-風味SERS譜, 構(gòu)建了全面的“SERS超譜”, 用于使用化學測量學的預測分析。 結(jié)合主成分分析和支持向量機判別分析可以對葡萄酒的五種風味分子進行多重分析, 準確率達到100%。

SERS技術(shù)對葡萄酒的品質(zhì)分析涉及產(chǎn)地辨別、 香氣成分分析等, 研究范圍較廣, 但均處于研究初期。 酒成分復雜多樣, SERS技術(shù)在該領(lǐng)域應用具有一定困難, 但與紅外光譜相比, SERS技術(shù)不受水分干擾的特性仍具優(yōu)勢, 將其與化學計量學相結(jié)合對復雜光譜進行分析, 能夠有效簡化信息的提取。

2.5.2 人工添加物

目前, 各類酒中添加物的檢測仍集中在液相色譜、 氣相色譜、 紫外分光光度計等傳統(tǒng)方法, 費時且耗費昂貴。 近幾年SERS技術(shù)憑借成本低廉、 檢測快速準確的優(yōu)點越來越多的應用于酒中添加物的檢測。 Bao等[42]利用SERS技術(shù)結(jié)合機器算法快速區(qū)分出了白酒、 葡萄酒、 啤酒, 并分別對其中的氟班色林進行了快速定量分析, 對于白酒中的氟班色林, 檢出限達1 mg·L-1。 二氧化硫常被用作葡萄酒中的防腐劑和抗氧化劑, 是葡萄酒的檢測指標之一。 Mandrile等[43]將葡萄酒樣品經(jīng)簡單的固相萃取后, 利用銀納米顆粒(AgNPs)與含硫物質(zhì)的優(yōu)先結(jié)合特性, 測定了6種葡萄酒中二氧化硫的含量。 結(jié)果與Monier-Williams (OIV-MA-AS323-04A)方法測定結(jié)果一致, 為葡萄酒中二氧化硫的檢測提供了一種更加簡單、 快速的方法。 利用SERS技術(shù)對保健酒中非法添加物西地那非研究較多。 鄭娟梅等[44]通過對比Au、 Ag、 Au@Ag NPs三種納米粒子對西地那非的增強效果, 最終選擇金核銀殼納米粒子Au@Ag NPs作為增強劑, 對分析物提取pH、 溶解溶劑、 混合時間優(yōu)化, 檢測了保健酒中的西地那非, 檢出限為0.5 mg·L-1。 胡家勇等[45]以三聚氰胺作為內(nèi)標物, 對保健酒及其他保健產(chǎn)品中的西地那非建立定量檢測方法, 檢出限最低為0.05 mg·L-1,R2=0.996 9。

SERS技術(shù)結(jié)合化學計量算法對酒中的添加物進行定量檢測, 更加低廉、 快速、 便捷, 在一定程度上優(yōu)于傳統(tǒng)方法, 對實現(xiàn)酒中添加物的高通量檢測更具發(fā)展前景。

3 表面增強拉曼光譜技術(shù)的局限性及展望

SERS作為一種極具潛力的檢測方法, 在保障液體食品安全領(lǐng)域表現(xiàn)出了巨大優(yōu)勢并得到了廣泛的探索。 SERS技術(shù)克服了其他技術(shù)成本高、 易受環(huán)境影響、 無法現(xiàn)場檢測等缺點, 并且能夠提供分子的振動信息從而能夠定性、 定量對液體食品中的成分進行多重分析, 但SERS技術(shù)在液體食品安全領(lǐng)域中的應用仍處于起步階段, 還需要進一步解決以下問題: (1) 關(guān)于SERS的增強機理仍在研究中, 無法與目前實驗和應用所取得的進展相匹配; (2) SERS基底是SERS技術(shù)的重點, 基底的合成是一個需要反復試驗的過程, 制備具有復雜結(jié)構(gòu)的納米粒子并與新材料結(jié)合具有很大難度, 這會極大地影響到實驗的重復性并且難以標準化, 基底的穩(wěn)定性和保質(zhì)期也會影響到其商業(yè)需求, 因此制備SERS基底需要考慮基底的重復性、 穩(wěn)定性、 均勻性、 制備難易等因素; (3) 液體食品基質(zhì)復雜, 其中的雜質(zhì)會與待測物發(fā)生競爭或交叉反應給結(jié)果帶來干擾, 因此需要對液體樣品進行一定的預處理, 但這也在一定程度上影響了SERS技術(shù)的快速便捷和無損性。 (4) 同時對液體食品中多個分析物進行SERS檢測往往伴隨著精度或靈敏度的下降, 解決多個分子競爭底物上的有限結(jié)合位點問題仍然是一個挑戰(zhàn)。

綜上, 如何提高SERS技術(shù)的穩(wěn)定性及在復雜的液體基質(zhì)中實現(xiàn)快速、 準確的測定將是未來的主要研究方向。 要解決目前存在的問題, 首先要透徹研究SERS基底與分子結(jié)合的增強原理。 未來應選擇具有更多熱點區(qū)域的異型納米粒子進行研究, 如: 納米星、 納米棒、 納米花等, 襯底可由傳統(tǒng)金屬材料拓展到一些柔性材料和半導體材料。 穩(wěn)定性好、 多功能化、 高靈敏度的基底能夠減少基底的不確定性帶來的影響; 其次, 有效的液體食品前處理方法能夠最大程度的提取和富集目標物, 避免液體食品基質(zhì)的干擾, 如: 分子印跡、 固相萃取、 磁分離固相萃取等。 另外, 提高檢測的特異性也能降低基質(zhì)的干擾, 如: 制備具有選擇性吸附能力的功能化SERS底物或利用特定目標捕獲劑(如抗體、 適體或MIP)等。 此外, 將生物傳感器集成到自動化微流體設(shè)計中, 將SERS技術(shù)與一系列富集和捕獲、 混合裝置相結(jié)合, 能夠有效推動SERS技術(shù)在液體食品品質(zhì)安全現(xiàn)場監(jiān)測領(lǐng)域的廣泛應用。 對于液體食品中多個物質(zhì)的同時檢測可結(jié)合化學計量學進行分析, 減少無關(guān)信息和熒光背景的干擾, 提高特征提取和模型建立的性能, 從而實現(xiàn)多組分的同時定性、 定量檢測。

總之, 表面增強拉曼光譜技術(shù)在已有的液體食品領(lǐng)域應用中顯示出了其不可或缺的優(yōu)越性, 隨著拉曼技術(shù)、 納米技術(shù)、 材料化學、 提取和純化技術(shù)的發(fā)展, SERS在液體食品領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)單一被測物或同時多種被測物的準確、 痕量、 快速測定, 具有廣闊前景。