表面增强拉曼光谱测定小麦表面的脱氧雪腐镰刀菌烯醇

前言

脱氧雪腐镰刀菌烯醇 (deoxynivalenol, DON),又称呕吐毒素，是镰刀菌属中一些物种次生代谢产生的一种真菌毒素，属于B族的单端孢霉烯族化合物。DON 污染经常发生在小麦、玉米、水稻和大麦等谷物的生产场所或储存过程中,其污染地区已经遍布全球。人类和动物食用被DON污染的产品后容易引起呕吐、胃部不适、腹泻等消化系统紊乱，并可能产生神经毒性和免疫抑制等急性和慢性影响。基于表面增强拉曼散射技术的光谱法不仅具有预处理简单和检测速度快的优势，还可以提供丰富的指纹信息，在食品中DON等真菌毒素的快速现场检测方面显示出了极大的应用潜力。

研究内容

将小麦表面收集的银纳米颗粒(silver nanoparticles, AgNPs)直接滴加到铝箔表面进行SERS检测, 从而建立小麦表面DON的快速检测方法

仪器：SEED3000拉曼光谱仪（SEED3000目前已经升级为Portman便携拉曼光谱仪）（上海如海光电科技有限公司）

实验结果与分析

为了考察 AgNPs 的浓度对其在铝箔表面形成 SERS 基底均匀性和增强效果的影响，实验中分别采用不同质量浓度的 AgNPs (0.05、0.09、0.14、0.17、0.34、0.68 和 1.02 mg/L) 在铝箔表面进行自组装，以此作为增强基底对 DON 进行 SERS 检测，并以其处于 850 和 1560 cm⁻¹ 波数处的特征拉曼谱峰强度为定量依据，实验结果见图 1。从图 1 中可以看出，将 AgNPs 在铝箔表面进行自组装后可以直接作为增强基底实现对 DON 的 SERS 检测，并且在一定的浓度范围内，增强效果随着 AgNPs 浓度的增加而不断增强，但是当 AgNPs 浓度继续增加时，增强效果不再增加反而慢慢开始降低，主要是由于 AgNPs 浓度过大时，测定相同浓度的 DON，附着在每颗 AgNPs 表面的 DON 含量在降低，利用拉曼光谱仪对其进行 SERS 测定，在测定的光斑范围内，DON 的量就偏低，从而导致其 SERS 光谱的信号强度下降。因此，结合上述结果，实验中选择了质量浓度为 0.34 mg/L 的 AgNPs 在铝箔表面进行自组装。

图1 AgNPs 浓度对 SERS 测定 DON 的影响

为了提高 AgNPs SERS 基底对 DON 进行检测的选择性和灵敏度，实验中选择了 SHCD 和 1硫代癸烷分别对 AgNPs 进行修饰，捕获 DON 并在铝箔表面进行自组装，并以此作为 SERS 增强基底对 DON 进行 SERS 检测，结果见图 3。实验结果显示，经过修饰的 AgNPs 和没有经过修饰的 AgNPs 均可以在铝箔表面进行自组装形成 SERS 基底，但是从图 3 中可以看到，虽然这几种 AgNPs 作为 SERS 基底材料均可以实现对 DON 的检测，但是利用 1硫代癸烷对 AgNPs 进行修饰后，其在铝箔表面所组装的 SERS 基底对 DON 进行检测，其拉曼信号强度明显高于其他两种 SERS 基底（图 3 中对数据进行方差分析，并用 Turkey 做了两两事后检验，其中 a 和 b 分别代表不同的显著水平）。相对于未经修饰的 AgNPs，选择的两种修饰剂都是通过巯基将其固定到 AgNPs 上，由于修饰剂上的羟基与 DON 的羟基之间存在氢键作用，DON 更容易在其表面进行富集，因此采用两种修饰剂的 AgNPs 都可以在一定程度上提高对目标物的捕获能力。另外，AgNPs 经过 1硫代癸烷修饰后，外露的烷基链还可以降低 AgNPs 之间的聚集作用，将其分散到小麦表面可以更好地捕获目标物。所以本实验中选择 1硫代癸烷对 AgNPs 进行修饰。

图2 不同 AgNPs 表面修饰剂对 SERS 测定 DON 的影响。

A: 无修饰的 AgNPs; B: SH-CD 修饰 AgNPs

为了考察本方法对 DON 测定效果，在上述选定的实验条件下，将 1硫代癸烷修饰的 AgNPs 与一系列不同浓度的 DON 混合，滴加到铝箔表面，待其自然干燥后，利用拉曼光谱仪对其进行 SERS 检测，结果如图 3 所示。从图 3a 可以清楚地观察到 DON 的 3 组特征谱峰，其波数分别位于 850、1050 和 1560 cm⁻¹，并且其信号强度随着 DON 浓度的增加也不断增强。图 3b 是以 DON 位于 1560 cm⁻¹ 处的特征谱峰强度为定量依据作图。

图3利用所制备的 SERS 基底检测不同质量浓度的 DON

(a)及其线性关系(b)对小麦样品进行了 DON 添加回收实验。

将小麦样品浸泡到含有不同浓度 DON 的溶液中 (DON 质量浓度分别是 250、100 和 50 mg/L)，5 min 后取出小麦置于铝箔表面并晾干，然后在每粒小麦表面取 5 μL AgNPs 溶液进行分散吸取再分散再吸取，重复 5 次，吸取每粒小麦表面的 AgNPs 溶液混合，取其中 4 μL 并将其滴加到干净的铝箔表面，晾干，利用拉曼光谱仪对其进行 SERS 检测。其加标浓度分别为 50、25 和 12 μg/g。从图 4 和表 1 的实验结果可以看出，在 3 种不同添加量的小麦表面都检测到了 DON 的拉曼信号，其回收率均大于 80%，RSDs 均小于 6%，表明本方法检测小麦表面的 DON 具有较高的准确性，证实了该方法是一种快速有效的检测手段。

图4对不同添加量 DON 小麦颗粒进行 SERS 检测的光谱

表 1 小麦中 DON 的添加回收实验结果

结论

本研究将 1硫代癸烷修饰的 AgNPs 分散到小麦表面，实现了 AgNPs 溶液对小麦表面 DON 的快速提取，减少了烦琐的前处理过程；同时 AgNPs 还可以作为 SERS 增强基底材料，将其滴加到铝箔表面就可以实现对小麦表面 DON 的快速 SERS 测定，无需额外制备 SERS 基底。该方法操作简单、快速，根据各物质的特征拉曼指纹图谱，采用便携式拉曼光谱仪，本方法还有望用于其他粮食和蔬果表面污染物的快速现场检测。

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