基于银纳米粒子可控聚集与二硫化碳信号放大的SERS技术增强大米中草甘膦检测研究

《Food Chemistry: X》：Enhancing glyphosate detection in rice by SERS: controlled aggregation of silver nanoparticles and carbon disulfide-mediated signal amplification

本研究针对传统色谱法检测草甘膦（GPH）存在的设备依赖性强、耗时较长等问题，开发了一种结合二硫化碳（CS2）衍生化与银纳米粒子（AgNPs）吸附-聚集策略的表面增强拉曼光谱（SERS）新方法。通过将GPH转化为具有强拉曼活性的噻唑衍生物（ThzGPH），并优化纳米粒子聚集顺序，实现了0.13 μmol/L的检测限（LOD），22分钟内完成分析，为复杂食品基质中痕量GPH的快速现场监测提供了高效解决方案。

　　

草甘膦（glyphosate, GPH）作为全球使用最广泛的除草剂，在保障农业生产的同时，其残留问题日益引发公共健康担忧。自2015年被国际癌症研究机构（IARC）列为2A类可能人类致癌物以来，各国对食品中草甘膦的残留限量要求日趋严格，例如欧盟规定大米中的最大残留限量（MRL）为0.1 mg/kg。然而，现有检测技术如液相色谱-质谱联用（LC-MS）虽灵敏度高，但依赖大型仪器和复杂前处理，难以用于现场快速筛查；免疫分析法虽适于现场应用，却易受交叉反应干扰且成本较高。这一技术空白亟需开发兼具高灵敏度、快速响应及现场适用性的新型检测平台。

在此背景下，表面增强拉曼光谱（SERS）技术因其独特的分子特异性、快速分析能力及与便携式仪器的兼容性而备受关注。其增强机制依赖于贵金属纳米结构局域表面等离子体共振（LSPR）产生的电磁场热点（hotspots）。但草甘膦分子本身拉曼散射截面小，且易受复杂食品基质干扰，直接SERS检测面临巨大挑战。常见解决策略包括化学衍生化、纳米结构工程化及引入分子识别元件（如适配体或抗体），但这些方法往往存在反应条件苛刻、稳定性差或成本高昂等新问题。

发表于《Food Chemistry: X》的最新研究通过创新性地整合分子工程与纳米材料科学，提出了一种基于银纳米粒子（AgNPs）可控聚集与二硫化碳（CS₂）介导信号放强的SERS新方法，成功实现了大米中痕量草甘膦的高灵敏、快速检测。

为开展研究，团队主要运用了以下关键技术：首先，采用柠檬酸钠还原法合成不同尺寸的AgNPs，并通过紫外-可见光谱（UV-Vis）和透射电子显微镜（TEM）对其形貌和尺寸进行表征优化；其次，建立了pH控制的二步衍生化反应，将草甘膦转化为具有强拉曼活性及银纳米粒子亲和力的噻唑衍生物ThzGPH；第三，系统比较了“吸附后聚集”（analyte pre-adsorption before aggregation）与“聚集后吸附”（aggregation-first）两种纳米粒子处理策略对信号的影响；第四，利用有限时域差分（FDTD）模拟了纳米粒子聚集状态下的电磁场分布，从理论上验证实验现象；最后，通过加标回收实验评估了该方法在实际大米样品中的准确性和可靠性。

3.1. SERS基底的优化

研究人员通过调控柠檬酸钠浓度（0.5%–2.5%）合成了不同尺寸的AgNPs。UV-Vis光谱显示，其表面等离子体共振（SPR）峰随柠檬酸钠浓度增加发生蓝移，表明纳米粒子尺寸减小。TEM成像证实了椭圆形AgNPs的形成，其平均直径从90.10 nm（0.5% citrate）降至57.94 nm（2.0% citrate）。以罗丹明6G（R6G）为模型分子评估SERS性能发现，1.0%柠檬酸钠制备的AgNPs在1505 cm^?1处信号最强，且胶体稳定性良好，故被选为后续实验的优选基底。

3.2. 聚集诱导SERS增强的机制

研究探讨了氯化钠（NaCl）浓度对AgNPs聚集状态及SERS信号的影响。结果表明，70 mmol/L NaCl诱导的聚集能使R6G在1505 cm^?1处的信号达到峰值。关键创新在于比较了两种聚集策略：传统的“聚集优先”法（先加盐诱导AgNPs聚集，再加入分析物）和本研究主张的“吸附优先”法（先将分析物ThzGPH吸附于AgNPs，再加盐聚集）。时间依赖的SERS监测显示，“吸附优先”策略在反应1分钟时信号强度比“聚集优先”法高出64.78%，6分钟时仍保持11.83%的优势。FDTD模拟直观表明，聚集的AgNPs纳米间隙（<10 nm）内存在极强的电磁场增强。“吸附优先”策略确保了分析物分子在聚集前均匀分布于纳米粒子表面，从而在聚集发生后能更有效地定位于这些电磁“热点”区域，避免了“聚集优先”策略中分析物可能被包埋于预形成聚集体内部而无法接触最强增强区域的缺点。

3.3. GPH的SERS分析性能

定量检测依赖于将GPH通过CS₂介导的两步衍生化转化为ThzGPH：先在碱性条件下形成二硫代氨基甲酸酯中间体（GPHCS₂），再经酸化环化生成ThzGPH。该衍生物通过Ag–S键牢固吸附于AgNPs，并在1214 cm^?1处产生强特征拉曼峰。在优化条件下，该方法在0.5–50 μmol/L浓度范围内呈良好线性关系，检测限（LOD）低至0.13 μmol/L（信噪比S/N=3），低于欧盟规定的MRL。方法特异性高，能有效区分GPH与可能共存的氨基酸（如蛋氨酸、谷氨酸、甘氨酸）。重复性实验（n=40）显示1214 cm^?1峰强度的相对标准偏差（RSD）为8.39%，符合分析要求。在大米样品中的加标回收率为80.82%–129.62%，与高效液相色谱-质谱（HPLC-MS）参考方法结果具有可比性，证明了其在实际样品中的应用潜力。总分析时间仅需22分钟。

本研究成功开发了一种集成了CS₂介导衍生化与AgNPs吸附-聚集策略的SERS新方法，用于大米中痕量草甘膦的高灵敏、快速检测。该方法通过巧妙的分子设计赋予草甘膦强拉曼活性，并通过优化纳米粒子处理顺序，实现了分析物在电磁热点区域的最佳定位，显著提升了检测灵敏度与效率。所达到的0.13 μmol/L检测限满足了现行最严格的法规要求，22分钟的分析速度和良好的实际样品适用性，标志着其在农产品安全快速现场监测领域巨大的应用潜力。该研究不仅为草甘膦检测提供了一种强有力的技术替代方案，其提出的“吸附优先”策略和分子设计原则（同时引入金属结合基团和拉曼活性基团）也为SERS技术应用于其他小分子污染物的检测提供了普适性框架。