表面增强拉曼光谱在食品安全检测中的应用研究.pdf

现代食品XIANDAISHIPIN93/食品科技FoodScienceandTechnologydoi:10.16736/41-1434/ts.2023.13.023表面增强拉曼光谱在食品安全检测中的应用研究Application of Surface-Enhanced Raman Spectroscopy in Food Safety Detection 黄雅轩1,2，蔡依含3，何婉霞3，张莉滟1，赵 越1（1.南方医科大学附属广东省人民医院/广东省医学科学院检验科，广东 广州 510080；2.南方医科大学检验与生物技术学院，广东 广州 510515；3.广州南方学院云康医学与健康学院，广东 广州 510970）HUANG Yaxuan1,2,CAI Yihan3,HE Wanxia3,ZHANG Liyan1,ZHAO Yue1(1.Department of Clinical Laboratory,Guangdong Provincial Peoples Hospital/Guangdong Academy of Medical Sciences,Southern Medical University,Guangzhou 510080,China;2.The School of Laboratory Medicine and Biotechnology,Southern Medical University,Guangzhou 510515,China;3.Yunkang School of Medicine and Health,Guangzhou Nanfang College,Guangzhou 510970,China)摘 要：食品安全直接关系到人们的生命健康，现如今食品安全已作为全球性问题引发关注。因此，食品检测技术对于保证食品安全至关重要。检测食品中生物、化学和物理污染物的传统技术具有耗时久、费用高且流程复杂等特点，并常导致食品样本发生改变。基于此，相关部门急需改善并建立起新的食品检测体系，以快速鉴别这 3 类主要污染物。拉曼光谱具有无损、简便、灵敏、高效等优势，近年来该技术发展迅速，并在食品安全领域得到了广泛应用，同时提升了对食品中污染物的鉴别能力。本文就表面增强拉曼光谱技术与其在食品安全检测中对不同污染物鉴别的新进展、局限性和所具有的潜力等方面作一综述。关键词：表面增强拉曼光谱；食品安全；食品分析；污染物；快速检测Abstract：Food safety is directly related to peoples life and health,which has been widely concerned as a global problem nowadays.Hence,food detection technology is extremely important to ensure food safety.Traditional detection techniques for biological,chemical,and physical contaminants in food are time-consuming,costly,and complicated,leading to changes in food samples as well.It is urgent to improve and establish a new food testing system for identifying major contaminants effectively.Raman spectroscopy is non-destructive,simple,sensitive,and efficient.In recent years,this technology has developed rapidly and has been broadly used in the field of food safety,improving the ability to identify contaminants in food meanwhile.This paper reviews the progress,limitation,and potential of surface-enhanced Raman spectroscopy in the identification of different contaminants in food safety detection.Keywords：surface-enhanced Raman spectroscopy;food security;food analysis;contaminants;rapid detection中图分类号：O657.37基金项目：广东省基础与应用基础研究基金（2021A1515220022）。作者简介：黄雅轩（2001），女，本科，研究方向为拉曼光谱研究与病原菌快速检测及其耐药机制。通信作者：赵越（1987），男，硕士，主管技师，研究方向为病原菌快速检测及其耐药机制。E-mail：。现代食品XIANDAISHIPIN94/食品科技Food Science and Technology食品是人们赖以生存的基本条件，食品安全直接关系到人们的生命健康，也是国家经济平稳发展的重要基石。全球每年约 2 000 万人因食源性感染死亡，食品安全问题现已成为世界性的公共卫生问题1。世界卫生组织曾指出，食品安全是指食品在按照预期用途进行制备和（或）食用时，不会对消费者造成伤害。食品添加剂、动植物天然毒素、食源性感染如病毒等均可引发食品安全问题2。3 类污染物包括微生物（如细菌、真菌和病毒）、化学物质（如毒素、过敏原和农药）与物理污染物（如塑料、玻璃、金属和岩石），可在食品供应链中污染食品。目前电化学生物传感器、病原学培养等方法仍是用于筛选和检测食源性致病菌的主要方法，但在实际检测过程中，由于信号干扰、灵敏度不足等因素，限制了对食源性病原体的有效检出3。而现实中检测部门应准确及时地检测出食品是否变质及所含有的有害病原体，因此急需探索新的检测方法，快速检出其中的污染物。拉曼光谱（Raman Spectroscopy）作为现代物质分子结构研究的重要方法，被广泛应用于物质微结构研究。其主要通过拉曼位移确定物质结构，揭示分子生物特征4。拉曼位移即分子振动或转动频率，每种物质有其特征拉曼光谱。根据光谱中的拉曼峰创建独特的振动指纹，可从分子水平上鉴别物质5-7。表面增强拉曼光谱（Surface-Enhanced Raman Spectroscopy，SERS）由于局部等离子体共振，显著提高了拉曼光谱强度，现已广泛用于食品安全检测。本文就 SERS 技术与其在食品安全检测中对食源性病原体、化学及物理污染物鉴别的应用新进展、局限性和战略前景等方面作一综述。1 食品中的污染物1.1 食源性病原体食源性病原体包括细菌、真菌和病毒，对全球食品安全行业造成了极大的影响2。其中最常见的食源性病原体是沙门氏菌，约有 2 463 个血清型，以肠炎沙门氏菌和鼠伤寒沙门氏菌检出最多8。沙门氏菌感染会引发呕吐、肠胃炎、腹泻和高热等。大肠埃希菌O157:H7 也会对人体造成极大危害，10%感染者会合并溶血尿毒症综合征（Hemolytic Uremic Syndrome，HUS），且致死率达 3%5%9。此外，铜绿假单胞菌同样可引起食源性疾病，每年造成美国各州约 400 人死亡。其常对抗菌药物表现出高耐药性，在美国引起的 51 000 例感染中，有 6 000 例感染菌株为多重耐药菌10。李斯特菌亦能通过食品感染人体，且在过去数十年里，食品行业中出现了较多由李斯特菌引起的死亡案例。另外，人体摄入被耐甲氧西林金黄色葡萄球菌污染的食物后，1 6 h 内可出现严重的毒素反应，包括恶心呕吐、腹部不适等11。病毒对食品安全同样构成重大威胁，与食源性疾病密切相关。因病毒在食物中无法复制，其通过食物传播的可能性取决于病毒的活力与其对宿主细胞的敏感性。甲型肝炎病毒和诺如病毒常导致食源性疾病，而戊型肝炎病毒、轮状病毒、星状病毒等与食源性肠胃炎相关性较低12。1.2 食品中的有害化学物质农药和毒物是引起食源性疾病暴发最常见的化学物质。在食品生产过程中，有害的化学物质可能会人为或意外进入食品供应链。为了达到改善食品外观、颜色、延长保质期等目的，某些物质会被有意添加到食品中。其他有害化学物质则可能是在制备、加工和储存过程中被无意加入。若食品中某些化学物质含量超标，将对人体造成损害。对因其自身性质即可影响健康的化学物质，则应被禁止使用13。广州食品药品监督管理局于 2013 年第一季度对市内餐馆进行抽查，发现大米及米制品的镉含量高于建议水平 44.4%，引发全社会的广泛关注。镉不是人体必需元素，而是一种环境污染物，过量摄入将导致镉中毒，现已被WHO 列为重点研究的食品污染物14。除镉以外，其他有害化学物质对人体造成的损害同样严重，务必要引起高度重视。1.3 食品中的有害物理物质有害的物理物质包括木头、石头、金属、塑料、玻璃和昆虫等，均不应在食品中出现。上述物质可因其自身特点，如大小、形状、硬度或锋利度等导致窒息、割伤或消化道刺穿，在我国这类有害物理物质已引发了重大食品安全事件15。在 20142015 年，我国大陆地区共发生了 360 起食品异物事件。其中生物类异物（昆虫等）最为多见，约占 43.0%。此外，材料类异物（包括金属、玻璃、塑料等）、毛发类异物也较为常见，共占 28.5%。在各类形状大小的异物中，一般以 0.5 3.0 cm 的尺寸最为多见16。2 表面增强拉曼光谱每 108个光子中仅有一个光子会自发产生拉曼散现代食品XIANDAISHIPIN95/食品科技FoodScienceandTechnology射，因而拉曼散射相对较难被识别，极大限制了可获得的拉曼信号强度17。一般可通过提高入射激光功率、使用显微镜把激光束集中于特定的微小区域来提高拉曼激光获取效率，但这可能会产生样品光漂白等干扰效果18。印度物理学家拉曼最初发现，光在介质中传播时，散射光波长与入射光不同。拉曼散射是对改变频率光子的研究，可用于确定分子能量。然而，拉曼光谱的实际应用有限，拉曼信号在正常情况下强度较低，而过低的拉曼信号难以被传感器识别。FLEISCHMAN等19于 1974 年发现吡啶分子吸附在粗糙银电极表面可增强拉曼散射信号。另外，分子吸附于活性载体表面可减少荧光产生，优化拉曼信号强度和质量，并增强其稳定性。SERS 是一种超灵敏和高选择性的分析技术，金属 NPs 或纳米结构金属被大量使用以增强固有微弱拉曼信号20-21。有两种不同的方法可增强 SERS 中的拉曼信号，一是电磁增强，即在“热点”中靠近金属表面的原生电场被局部表面等离子体激元聚焦；二是将拉曼散射提高到 102倍左右，并通过金属表面和样品之间的静电相互作用进行化学放大22。根据不同的 SERS 底物，可分成两组介质，即吸附于固体基质上的金属纳米颗粒与胶体等离子体共振溶液。上述发展是电磁增强技术广泛应用的结果。金和银具有强烈的等离子体反应，常用作 SERS 基底。由于金的化学稳定性极高，其最适合作为 SERS 基底。此外，相关人员还针对其他金属进行研究，如用于紫外拉曼 光谱的铝23。有标记和无标记的 SERS 技术是可用于细菌检测的两种方法。拉曼光谱可作为无标记的检测方法提供由分子振动光谱组成的“分子指纹”24。无标记SERS，即直接将细菌及其代谢物黏附于纳米结构物质表面。为识别待测物，可直接检测纳米区域内生物分子的特征拉曼光谱。而在有标记的检测中，需引入拉曼报告分子以产生 SERS 信号。为捕获目标并实现特异性检测，配体（如抗体、适体或相关分子）常被固定在纳米结构物质表面，通过捕获前后拉曼光谱的变化可用来识别目标25。3 SERS