表面增强拉曼散射传感技术在食品生物胺快速检测中的应用研究进展
作者: 葛一鸣 陈晨 刘筱芊 王新悦 徐志祥
摘 要:生物胺主要由微生物氨基酸脱羧酶作用于氨基酸脱羧而生成,广泛存在于食品中。生物胺摄入过量可能会引起直接或间接的毒性作用,因此开展食品中生物胺的快速筛查至关重要。表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)技术作为一种高灵敏、无损检测、快速响应的光谱分析技术,在食品生物胺快速、高灵敏检测中得到了广泛的应用。本文简述了SERS的原理和机制,概述了SERS不同的检测模式以及相应的增敏基底构建,总结了近年来SERS传感技术在食品生物胺检测中的应用,提出了SERS技术在食品生物胺快速检测中存在的问题和不足,并对未来的研究发展方向和应用前景进行了展望。
关键词:生物胺;表面增强拉曼散射;快速检测
Research Progress on the Application of Surface-Enhanced Raman Scattering Technology for Rapid Detection of Bioamine in Foods
GE Yiming CHEN Chen LIU Xiaoqian WANG Xinyue XU Zhixiang
(1.College of Food Science and Engineering, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China;
2.College of Life Science, Shandong Agricultural University, Taian 271018, China)
Abstract: Bioamines are mainly produced by the reaction of microbial amino acid decarboxylase on amino acid decarboxylation and are widely found in foods. Excessive intake of bioamines may cause direct or indirect toxic effects, so rapid detection of bioamines in food is essential. Surface-enhanced Raman scattering (SERS) technology, as a highly sensitive, non-destructive detection and fast response spectral analysis technology, has been widely used in the rapid and sensitive detection of bioamines. Herein, the principle and mechanism of SERS, different SERS detection modes and corresponding sensitized base were summarized. The application of SERS technology for bioamines detection was summarized. The existing problems and shortcomings of SERS technology were pointed out, and the future research development direction were prospected.
Keywords: bioamine; surface-enhanced Raman scattering; rapid detection
生物胺是动植物和微生物在代谢过程中由氨基酸脱羧或醛酮的胺化作用形成的一类非常重要的有机化合物,普遍存在于富含蛋白质的食品或发酵制品中,如奶酪、葡萄酒、水产品和肉类[1]。少量的生物胺对于维持人体生理功能具有重要意义,可以促进生长和代谢等。然而,短时间内摄入过量的生物胺会引发过敏症状或中毒反应,出现恶心、呕吐、头晕等不良反应,严重情况下可导致死亡[2]。此外,部分生物胺还可以和亚硝酸盐反应形成致癌物质N-亚硝胺化合物[3],尤其是我国传统的腌制肉类及其他加工肉品中含量较高,大量食用此类食物可能导致患癌风险增加,对人体健康造成威胁[4]。因此,从食品安全问题源头出发对生物胺进行检测至关重要。
1 食品中生物胺检测的研究现状
食品中常见的生物胺具有高极性、低分子量,且存在于复杂食物基质中的特点,因此食品中生物胺的准确检测具有挑战性。目前,国内外针对生物胺的检测方法分为传统仪器分析方法和新兴快速检测技术两大类[5]。传统仪器分析方法主要有液相色谱[6]、气相色谱-质谱联用[7]、液相色谱-质谱联用[8]等。基于大型精密仪器的检测技术具有良好的准确性和稳定性,但存在样品前处理过程复杂、检测成本高、检测时间长等不足,难以实现生物胺的快速检测。
新兴快速检测技术因其具有操作简单、反应速度快、灵敏度高等特点,在生物胺检测应用方面发展迅速,主要包括酶联免疫分析[9]、电化学传感器[10]、毛细管电泳[11]、表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering,SERS)等。SERS技术因具有优异的“指纹”分子图谱(谱图直接反映了分子结构的振动转动信号)、灵敏度高(可实现单分子检测)、快速响应(通常在几秒或十几秒内可获得信号响应)、无损检测(无须破坏样品原有样貌)、操作简单等优点受到广泛关注,目前已成为食品中生物胺高灵敏快速筛查的重要技术之一[12-13]。如图1所示,SERS技术大致经历了3个发展阶段。
2 SERS技术研究现状
2.1 SERS信号增强机理
尽管目前关于SERS机理的解释还有很多争议,但结合大多数针对SERS增强效应机理的文献报道,研究人员已经在两种机制上达成一致,即物理增强和化学增强。物理增强也称电磁增强(Electromagnetic Enhancement,EM),主要通过贵金属或过渡金属的粗糙表面激发出的局域表面等离子共振(Localized Surface Plasmon Resonance,LSPR)效应产生强大电磁场来实现拉曼信号的增强。对于EM增强,当一定频率的激光照射到金属纳米结构表面时,其表面的自由电子产生集体振荡,当振荡频率与入射频率相同时在表面附近产生局域表面等离子体共振,吸附于该区域的分子受到激发之后光散射信号显著放大,EM增强效应主要依赖于SERS基底的性能,增强因子(Enhancement Factors,EFs)可以达到1015左右。化学增强(Chemical Enhancement,CM)主要通过SERS基底与吸附在其表面的待测分子之间相互作用,产生电荷转移等效应增强拉曼信号,其EFs较弱,约为102,但在某些特定的体系中,化学增强还是能起到很大作用[14-15]。虽然上述两种增强机制的作用方式不同,但两种增强机制的贡献很难区分,因此一般认为是两种增强机制的协同增强作用[16]。
目前,SERS效应主要依赖于活性衬底的增强性能,灵敏、稳定的增敏衬底对于SERS的实际应用和检测结果的可靠性至关重要。自发现粗糙银电极表面上的拉曼增强效应现象以来,广大科学家致力于尝试开发不同类型的活性衬底来提高SERS效应,并将纳米技术和材料科学等领域应用到SERS技术上来,使得SERS技术迅猛发展。目前发现只有Au、Ag、Cu 3种常用金属和少数碱性金属具有很强的SERS性能,对于其他金属SERS活性衬底的开发研究长期没有取得实质性进展[17-19]。在常用的Au、Ag、Cu 3种金属材料中,Au的稳定性最好,具有良好的生物相容性和金属惰性,但Ag的光学表面等离子体共振性质最优异,SERS性能最佳,Cu相对于Au、Ag来说SERS性能较差[20]。因此,绝大多数的研究集中在Au和Ag纳米材料。此外,Au、Ag纳米材料表面经过纳米化处理后,在合适的激发波长下才表现出较高的SERS活性。
2.2 SERS检测模式
近年来,SERS检测技术根据是否使用拉曼报告分子等探针标记物分为SERS直接检测、基于拉曼标记的SERS间接检测两种模式,如图2所示。
2.2.1 SERS直接检测模式
SERS直接检测技术是通过拉曼光谱仪直接采集位于SERS基底表面的分析物的SERS信号,无须通过标记直接实现对目标分析物的分析检测[21-22]。
近年来,SERS免标记检测技术重点研究以Au、Ag等贵金属纳米材料为基础的高性能SERS活性衬底开发及应用机理,从而增强目标分子的拉曼“指纹图谱”信号,提高检测灵敏度。该模式的优点在于检测速度快、免标记、可实现原位检测。然而,贵金属SERS基底化学性质活泼、制备烦琐,检测信号稳定性、重现性较差,同时在检测过程中易受到食品中复杂成分的干扰[23-25]。
2.2.2 SERS间接检测模式
SERS间接检测技术利用含有拉曼报告分子的SERS信号探针对目标分析物进行标记,以拉曼报告分子的SERS信号作为目标物质的检测信号,实现对分析物的定性或定量分析。通常,SERS基底、拉曼报告分子、保护涂层和识别元件共同构成SERS信号探针。其中,拉曼报告分子一般为拉曼散射截面大、金属亲和力强的分子,按照特征拉曼峰位置的不同,拉曼报告分子分为“指纹区”报告分子(特征峰位于800~1 800 cm-1)和“静默区”报告分子(特征峰位于1 800~2 800 cm-1)[21,26]。在SERS检测过程中,SERS基底容易受到环境基质等干扰导致SERS信号稳定性较差,因此通常在SERS基底表面修饰硅层、金属层和多聚物等保护层以提高检测稳定性[27]。此外,抗体、适配体等生物识别元件常应用于SERS检测探针的构建,提高了SERS间接检测技术的选择性。
表1对SERS直接检测模式和间接检测模式的优缺点进行了总结对比。相对于SERS直接检测而言,SERS间接检测模式灵敏度高、稳定性好、抗干扰能力强,然而该模式耗时较长、成本较高、检测模式相对复杂[28-30]。
3 SERS直接检测模式在食品生物胺检测中的应用研究进展
3.1 基于金属纳米溶胶的生物胺SERS检测研究
贵金属纳米溶胶主要包括Au、Ag等纳米颗粒,是广泛应用的SERS基底,具有制备简单、SERS活性较高等优势。常见的贵金属纳米颗粒主要包括金纳米颗粒溶胶和银纳米颗粒溶胶,这两种金属具有较强SERS信号放大性能以及稳定性,检测微量生物胺也能获得较好的结果。JANČI等[31]开发了一种基于SERS的快速、灵敏地检测鱼类中组胺的方法。该方法采用了简单且广泛使用的银纳米颗粒溶胶SERS基底,将用高氯酸和1-丁醇分别提取、纯化后的组胺与银纳米颗粒溶胶SERS基底直接孵育后采集SERS光谱,样品制备时间仅为30 min,检测组胺的线性范围为0~200 mg·kg-1,具有较好的实际应用价值。
3.2 基于金属纳米粒子阵列基底的生物胺SERS检测研究
基于金属纳米颗粒溶胶的SERS基底具有灵敏度高等优势,然而其信号稳定性较差,难以准确定量待测物的浓度,一定程度上制约了SERS检测技术的实际应用和商业化。因此,制备高稳定性的SERS贵金属纳米粒子溶胶基底成为近年来的重点研究方向[32]。
SUN等[33]制备了对巯基苯甲酸分子功能化的高灵敏度三维玫瑰状SERS基底用于猪肉样品中液态和气态腐胺和尸胺的检测。该研究利用ZnO纳米棒阵列在柔性多孔聚偏氟乙烯膜上的三维形貌和Au纳米种子原位生长的优点,制备了具有丰富SERS“热点”的三维玫瑰状AuNP/Au/ZnO/P异质结构,显著增强了局域表面等离子体共振效应和拉曼增强的电荷转移效应。该SERS底物具有高灵敏度、重复性、稳定性和均匀性,在10 min内实现了对液体腐胺和尸胺的高灵敏度定量检测。BETTINI等[34]研发了基于Ag纳米颗粒(NPs)-纤维素杂化底物构建的SERS传感器用于检测低浓度组胺,并测试了不同Ag NPs用量下的SERS增强效果,建立的传感器检测方法允许检测水溶液中低至10-12 mol·L-1的组胺浓度。