Food Chem | 华南理工大学孙大文院士：一种用于食品农药残留流动磁检测的榴莲状多层核壳SERS基底

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Introduction

农药的不合理使用必然会导致农产品中农药残留超标，不仅影响农产品的贸易，而且影响消费者的食品安全。表面增强拉曼光谱（SERS）分析技术因其独特的化学指纹特征和高灵敏度，可以在痕量水平上非侵入性、快速地检测各种分析物而受到科学家们的青睐。在使用SERS检测时，可以通过改进SERS基底的结构和调节其中贵金属的形貌来实现目标SERS信号的放大。

本研究旨在探索一种在磁核表面生长形状均一、密度高且分布均匀的Au刺状结构的方法，构建榴莲状Fe3O4@Au@Ag@Au（DFAAA）高性能SERS基底。在DFAAA的多层核壳结构中，每个壳层被赋予不同的功能，以更好地控制微观结构，提供更强的结构鲁棒性，并提供同时的磁响应和光响应。最外层高度有序的Au刺结构不仅赋予了SERS基底榴莲状的形貌，而且使SERS基底具有巨大的比表面积和纳米级的粗糙度，有利于提高灵敏度、均匀性和重现性。

Results and Discussion

DFAAA的合成与表征

具有多层核壳结构的DFAAA的合成过程如图1A所示。通过TEM和电位仪分别对合成材料的微观形貌、元素组成（图2）和ζ-电位（图3A）进行了表征。如图2A所示，合成的Fe3O4NPs粒径均一，接近球形，平均粒径为（137.53±31.58）nm。经过PEI修饰后，Fe3O4NPs表面可以清晰地观察到6 nm厚的半透明层（图2B），而统计平均粒径增加到（153.16±25.68）nm，ζ-电位增加到55.33 mV，表明PEI成功修饰了Fe3O4NPs。从图2E中可以直观地观察到榴莲状DFAAA，粒径为（337.35±57.75）nm，Zeta电位为ö13.27 mV。Au刺排列紧密，数量丰富，长度均一。并且0.234和0.203nm的晶格条纹（图2I）分别对应于Au的[111]和[200]晶面，与XRD结果一致（图3E）。此外，从DFAAA（图2F,G,J-L）的能量色散X射线光谱元素分布图中可以清晰地观察到各元素（Fe、O、Au、Ag）的分布情况，进一步证明了DFAAA的成功合成。

UV-vis光谱（图3B）显示，Au晶种水溶胶光谱在508 nm处有较强的吸收峰。DFAAA制备过程中合成的纳米材料的XRD图谱如图3E所示。6个特征峰的位置和相对强度与Fe3O4（No.88-0315）的JadePDF卡片中的位置和相对强度匹配较好，而经过PEI修饰后没有太大变化。在Fe3O4、FA、FAA和DFAAA的FTIR图谱（图3C）中，在580 cm -1 附近Fe-O-Fe键伸缩振动的强谱带明显，证明了Fe3O4的存在。此外，由于反应体系中存在一些有机残基，O-H、N-H和C-O键伸缩振动产生的3429和1634 cm -1 处的谱带在谱图中也一直存在。所制备的纳米材料的磁滞回线如图3D所示，由于超细磁铁矿纳米晶体的组成，显示出超顺磁性行为。

图1 DFAAA SERS底物制备过程示意图（A）；DFAAA对目标标准溶液的SERS检测过程示意图（B）；DFAAA底物对罗非鱼中MG和苹果中福美双的破坏性（C）和非破坏性（D）SERS检测过程示意图

图2 TEM图像和TEM-EDS元素映射

图3 纳米材料的Zeta电势（A）、UV-vis光谱（B）、FT-IR光谱（C）、磁滞回线（D）、XRD图谱（E）和XPS光谱（F）

SERS基底的优化

反应结束后，FA-1和FA-2的磁分离上清液为无色，而FA-3的磁分离上清液为淡粉色，说明前两者的Au种子与Fe3O4@PEI完全结合，而FA-3的Au种子过量，从图4A-C的TEM照片中也可以看出。FA-1表面的Au种子过于稀疏，导致SERS强度较低，为185.87（图4J），而FA-3表面的Au种子过于拥挤，过量的Au种子造成浪费。

如图4D-F所示，过少的AgNO3只能使Ag壳层覆盖部分FA表面，而过多的AgNO3则会导致自成核的AgNPs的形成，且纳米颗粒会因过度生长而相互粘连。这些情况会导致后续生长过程中出现Au刺分布不均匀、长度不一等问题。只有当AgNO3的用量合适时，FA表面才能成功覆盖一层均匀且薄的Ag壳层，且纳米粒子仍能保持良好的分散性，这也表现出最高的SERS信号强度（图4K），为后续榴莲状Au壳层的生长奠定了良好的基础。观察TEM照片（图4G-I），发现随着HAuCl4用量的增加，Au刺的长度变长。对于DFAAA-3.5，表面的Au刺分布紧密，平均长度可达45 nm，但长短不一（图4I）。

图4 FA-(1–3)（A-C）、FAA-(60–140)（D-F）和DFAAA-(1–3.5)（G-I）的TEM图片，FA-(1–3)（J）、FAA-(60–140)（K）和DFAAA-(1–3.5)（L）的SERS光谱

SERS增强机制

如图4M所示，可以清楚地观察到当贵金属纳米结构之间的间隙小于10 nm时形成的"热点"区域，主要来源于单个衬底表面上紧邻的Au组分之间的（图4M 2），以及紧邻的衬底颗粒之间的（图4M 3）。综合分析发现，在所有模拟基底中，DFAAA-2.3的SERS效应最强，这也与实际的SERS检测结果一致（图4L）。

DFAAA的SERS性质

如图5C所示，30个SERS光谱在1331 cm-1处峰强度的RSD为9.35%，3个平行基底的拉曼扫描的RSD分别为7.07%、7.08%和7.05%，表明DFAAA具有良好的点对点和基底对基底的重复性和均匀性。此外，由于DFAAA表面的Au支链在储存过程中仍然不可避免地发生氧化，4-NBT在DFAAA上1331 cm-1处的SERS强度在储存过程中逐渐降低，至第35天降至原始强度的76.63%（图5D）。

图5 DFAAA上4-NBT的SERS光谱（A）和浓度-特征峰（1331 cm-1）强度双对数函数曲线（B）。从3个平行的DFAAA基底上随机选取10个点记录的4-NBT的SERS光谱（C）。4-NBT在DFAAA上储存35 d期间1331 cm-1处的SERS号强度统计图（D）。DFAAA基底（E-1、F-1、G-1）的SERS图像，以及通过瞄准3个平行DFAAA基底（E-2、F-2、G-2）在1331 cm-1处的拉曼位移的SERS映射。不同类型食品污染物的SERS光谱（H）。MG（I-N）和福美双（O-T）在标准溶液（I、L、O、R）、实际样品组织（J、M、P、S）和实际样品表面（K、N、Q、T）中的SERS光谱（I-K、O-Q）和相应浓度特征峰强双对数函数曲线（L-N、R-T）

DFAAA在MG和福美双检测中的应用

DFAAA最早用于检测一系列浓度梯度的MG和福美双标准溶液。检测过程如图1B所示。由于DFAAA带负电荷（图3A），而MG的检测靶标是带正电荷的（图5L），在孵育过程中由于静电相互作用，MG很容易被DFAAA“捕获”，然后通过SERS测试可以检测。对于福美双（图5R），其在孵育过程中以Au-S键的形式吸附在DFAAA基底表面。SERS信号强烈依赖于SERS基底附近目标物的接近程度及其相互作用，共价键有助于拉曼散射的优异放大。

使用DFAAA进行了实际样品中农药残留的破坏性SERS检测过程如图1C所示。在罗非鱼中MG的SERS破坏性检测中，虽然复杂基质在给SERS光谱带来噪声的同时也减弱了SERS响应（图5J），但MG浓度的对数与特征峰（1176 cm-1）强度之间仍具有良好的线性关系（图5M），对应的LOD为0.045 mg/kg。对于福美双，苹果基质对其SERS光谱没有太大影响（图5P），苹果中福美双浓度与特征峰强度之间的对数线性方程为Y＝0.2844X＋2.8660，工作范围为0.2～20 mg/kg，相关系数R2＝0.9737（图5S），计算LOD为9.02×10-4 mg/kg。

该方法有效避免了实际样品表面带来的荧光干扰，从图5K和Q可以看出，SERS光谱几乎没有背景噪声。在加标回收实验中，无损检测的RSD值均小于8.67%（表1），证明该方法具有良好的检测稳定性。“流动磁检测方法”的提出不仅拓展了磁性SERS基底的应用范围，而且为实现定量无损检测提供了更有效的途径。

表1 DFAAA-SERS-HPLC法在不同检测环境下检测MG和福美双的回收率实验结果

DFAAA底物的选择性

如图5H所示，在相同的检测条件下，除CV外，其他干扰物质的SERS响应均较低，对MG和福美双的峰形和特征峰强度几乎没有影响。由于CR与DFAAA一样带负电，不能靠近基底表面产生良好的SERS响应。相反，MG和CV由于带有正电荷而牢固地吸附在基底表面，从而产生强烈的SERS响应。和DFAAA与三唑磷和PM的相互作用较弱，因此对它们的SERS响应非常有限。

Conclusion

在目前的研究中，成功制备了覆盖均匀Au刺的榴莲状DFAAA SERS基底，用于食品中痕量农药残留的检测。无论是在标准溶液检测、实际样品破坏性检测还是非破坏性检测中，DFAAA表面和DFAAA纳米颗粒之间都保证了SERS基底的高灵敏度，并允许MG和福美双农药的极低检出限。对于真实样本（鱼和苹果），破坏性和非破坏性检测的回收率分别为83.33%～110.67%和79.30%～118.34%，说明DFAAA在MG和福美双检测中的实用性。此外，DFAAA还表现出3.01×107的拉曼信号的高EF值，30 d的长期稳定性和SERS响应的高重现性，RSD为9.35%。此外，本研究提出的"流动磁检测方法"可以忽略实际样品形状，为DFAAA对痕量农药残留的无损检测提供了更便捷高效的途径，也为其他磁性SERS基底的应用提供了更实用的方法。总体而言，所研制的DFAAASERS基底提高了目标分子检测过程中SERS信号的灵敏度、均匀性、重现性和可靠性，在食品安全方面具有较大的应用潜力。

A durian-shaped multilayer core-shell SERS substrate for flow magnetic detection of pesticide residues on foods

Mingchun Lva,c,d, Hongbin Pua,b,c,d, Da-Wen Suna,b,c,d,e,*

a School of Food Science and Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510641, China

b Guangdong Laboratory for Lingnan Modern Agriculture, Guangzhou 510642, China

c Academy of Contemporary Food Engineering, South China University of Technology, Guangzhou Higher Education Mega Centre, Guangzhou 510006, China

d Engineering and Technological Research Centre of Guangdong Province on Intelligent Sensing and Process Control of Cold Chain Foods, & Guangdong Province Engineering Laboratory for Intelligent Cold Chain Logistics Equipment for Agricultural Products, Guangzhou Higher Education Mega Centre, Guangzhou 510006, China

e Food Refrigeration and Computerized Food Technology (FRCFT), Agriculture and Food Science Centre, University College Dublin, National University of Ireland, Belfield, Dublin 4, Ireland

*Corresponding author.

Abstract

A new type of durian-shaped Fe3O4@Au@Ag@Au (DFAAA) multilayer core-shell composite was prepared as an efficient surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate. The optimization process and SERS enhancement mechanism of the substrate were further explained with finite-difference time-domain simulation. The dense and uniform spiny array on the DFAAA surface had abundant “hot spots”, greatly improving sensitivity, uniformity and reproducibility, with a Raman enhancement factor of 3.01 × 107 and storage-life of 30 d. A “flow magnetic detection method” was proposed to realize rapid and flexible detection of pesticide residues on the surface of different foods including fish and apple. The limit of detection of malachite green and thiram on the fish and apple surfaces were 0.13 and 0.18 ng/cm2, respectively. With its high SERS performance and good magnetic, the DFAAA possessed great application prospects as a facile SERS substrate for rapid and non-destructive detection of trace pesticide residues on foods.

Reference:

LV M, PU H, SUN D W. A durian-shaped multilayer core-shell SERS substrate for flow magnetic detection of pesticide residues on foods[J]. Food Chemistry, 2024, 433: 137389. DOI:10.1016/j.foodchem.2023.137389.

翻译：王止箭（实习）

编辑：梁安琪；责任编辑：张睿梅

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