内标嵌入的核壳结构表面增强拉曼光谱用于食品农药精准定量:综述

《Food Chemistry》:IS-embedded core–shell SERS for precision pesticide quantification in foods: a review

【字体: 大 中 小 】 时间:2026年10月23日 来源:Food Chemistry 10.4

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   摘要表面增强拉曼散射(SERS)为快速农药残留检测提供了灵敏的分子指纹识别,但其定量可靠性仍受热点不均匀性、基底差异、分析物吸附以及复杂食品基质等因素的制约。内标嵌入的核壳纳米结构能够实现比值校正,以消除共模波动;而其外壳可调控分析物的传输、抗污染、筛分分子并促进选择性富集。

  

摘要

表面增强拉曼散射(SERS)为快速农药残留检测提供了灵敏的分子指纹识别,但其定量可靠性仍受热点不均匀性、基底差异、分析物吸附以及复杂食品基质等因素的制约。内标嵌入的核壳纳米结构能够实现比值校正,以消除共模波动;而其外壳可调控分析物的传输、抗污染、筛分分子并促进选择性富集。本综述总结了内标嵌入核壳SERS的最新进展,特别关注内标的位置、外壳化学、局域电磁场和质量传输等问题。所报道的系统进一步从定量限(LOQ)、回收率、精密度、基质效应、重现性、不确定度、法规相关性以及与现有参考方法的对比等方面进行了评估。现有证据表明,内标SERS可作为可校准平台,用于快速筛查和近场定量检测,与液相色谱-串联质谱(LC-MS/MS)或气相色谱-串联质谱(GC-MS/MS)确证分析形成互补。未来的优先方向包括与最大残留限量(MRL)相关的经验证的定量限、批间和仪器间重现性、储存稳定性以及可扩展制造。

引言

农药残留仍是食品安全质量控制、公共卫生保护和国际贸易中的长期关切。监管决策不仅取决于是否检出农药,还取决于特定商品中的浓度是否超过适用的最大残留限量(MRL),以及检测结果是否具有足够的选择性、可追溯性和不确定度控制。LC-MS/MS(de Oliveira Silva, Lopes, de Andrade Nobre, & Do Nascimento, 2026)和GC-MS/MS(Bulai? Nevisti? & Kova? Tomas, 2023)仍然是多残留农药确证鉴定和定量分析的主要技术,因为它们结合了色谱分离、高选择性、广泛的分析物覆盖以及成熟的质量控制体系。然而,这些方法依赖于标准化的前处理和净化、色谱分离、基质匹配或内标校准、经过培训的人员以及集中式仪器,因此无法单独满足农场、市场、港口和加工场所对高频筛查的需求。作为一种界面光谱技术,SERS可通过在受控质量体系中支持快速筛查或近场定量检测,并将可疑或临界样品引导至色谱-质谱确证分析,从而与现有残留分析方法形成互补。
SERS能够快速从微量样品中获得分子振动指纹,并在分析物能够到达等离子体增强区域时大幅增强拉曼散射。其从粗糙化银电极(Albrecht & Creighton, 1977; Fleischmann, Hendra, & McQuillan, 1974; Jeanmaire & Van Duyne, 1977)到可控纳米间隙、纳米腔和分级等离子体结构(Moskovits, 1985)的发展历程,得到了电磁增强和化学增强研究、单分子行为(Kneipp et al., 1997; Nie & Emory, 1997)以及热点工程(Chen et al., 2024; Jackson & Halas, 2004)的支撑。然而,对于食品分析而言,核心挑战并非在纯标准溶液中最大化增强因子,而是在基底形貌、激光聚焦、农药吸附、样品组成和萃取回收率等条件均发生变化时,维持可重现、可转移且经验证的结构信号-浓度关系。
常规SERS中的绝对峰强度同时包含浓度信息和多种非目标变异来源。纳米间隙几何构型的微小变化、颗粒聚集或聚焦的改变都可能影响局域电磁场(Kim et al., 2018; Willets, 2014)。食品基质还会引入额外的非共模误差:色素和多酚可能产生荧光或竞争吸附位点;蛋白质和多糖可能污染金属表面;脂质会改变局域介电环境;盐分会破坏胶体稳定性;而不同农药的表面亲和力、取向和电荷转移行为各不相同(Bell et al., 2020; Sloan-Dennison et al., 2024)。因此,外部校准曲线或单一诊断峰很少能保证在真实食品中的可转移定量。即使批内相对标准偏差(RSD)较低,也不能说明校准在合成批次、仪器或食品来源之间得以保持。
内标嵌入的核壳结构通过两种互补功能来克服上述局限(Shen et al., 2015; Zou et al., 2016)。首先,稳定封装的拉曼报告基团提供内部参考信号,利用目标物与内标强度比进行归一化可减少由激光功率、聚焦、基底载量以及部分热点不均匀性引起的共模波动(Wu et al., 2024)。其次,外壳可通过物理隔离、孔径筛分、表面亲和力或分子印迹来调控分析物和干扰物的进入(Wen et al., 2026)。重要的是,嵌入的内标并不能自动校正探针添加之前发生的萃取损失,也不能完全补偿竞争吸附、外壳扩散、分析物特异性化学增强,或分析物通道与参考通道空间不匹配造成的采样误差。
先前的综述已从食品安全应用(Jiang et al., 2021; Xu, Gao, Han, & Zhao, 2017)、农药类别(Yu et al., 2025)、热点控制(Wang et al., 2025)、灵活便携平台或基底制备(Que, Xin, Zhu, Wang, & Li, 2026)等角度对SERS进行了探讨。这些贡献奠定了重要的基础,但通常将增强性能和分析可靠性置于不同层面讨论。本综述聚焦于更具体的分析学问题,即内标位置和核壳界面化学如何共同决定比值校准在真实食品中是否仍然有效。为避免基于材料和基于基质的分类之间的重复,本综述首先探讨目标/参考通道匹配、内标位置以及外壳介导的质量传输;然后比较不同外壳化学的优势与局限;最后在一个二维架构——基质-化学框架中组织食品应用。所报道的性能在方法验证、基于MRL的决策以及与参考方法一致性的背景下进行评估。
为保持严格且聚焦的研究范围,应用和性能评估仅限于农药残留。非农药分析物的检出限和回收率数据不用于评判农药方法的成熟度。此类研究仅在其提供了有关内标封装、核壳电磁耦合、外壳隔离或比值校准的有限机制证据时被引用(Chen et al., 2024; Li, Zhang, Ding, Panneerselvam, & Tian, 2017)。这一边界防止了基于特定分析物吸附、传输或界面反应条件所取得的性能被不加批判地外推至复杂的农药-食品组合。本聚焦性叙述性综述优先选取过去五年内发表的文献,检索关键词组合包括"SERS""内标""核壳结构""农药残留""食品""定量检测"。早期研究在必要时被保留,以建立电磁增强、内部参考校准、外壳隔离和界面质量传输等基本理论。整体分析工作流程总结于图1,将基质特异性样品前处理与外壳调控的分析物传输相联系,进而关联到内部参考归一化、比值校准、分析验证和面向MRL的决策。

章节摘要

内标嵌入核壳SERS的设计原则与定量机制

内标嵌入核壳探针的分析价值不仅取决于内标的拉曼强度本身。一种用于定量分析的结构应至少满足三个条件:内标必须化学稳定且光谱稳定;目标物通道与参考通道应对所校正的扰动尽可能响应一致;外壳不应引入严重的浓度或基质依赖的非线性质量传输。核壳探针应

核壳设计与性能分析

核壳探针可按内标位置或按外壳成分分类。为避免重复,本节以外壳化学作为主要组织轴线,并在各类别中指明内标位置。比较的重点不在于材料标签,而在于增强效果、内标保护、分析物传输、基质耐受性、重现性和可制造性之间的权衡取舍。

食品中农药残留的定量分析

核壳结构的实用价值只有在纳米探针被用于食品基质时才真正显现。相同结构在透明溶剂、茶汤、蔬菜匀浆或含脂提取物中的表现可能截然不同(Lin, Yu, Ku, & Chung, 2023)。因此,本节按基质化学和前处理负担组织应用案例,采用二维结构×基质框架,以减少基于材料分类和基于食品分类之间的重复。本节

分析性能、法规适用性与转化

跨研究比较表明,内标嵌入核壳SERS的主要差距在于验证深度,而非仅仅是灵敏度。表2将农药精密度、回收率或准确度与基底表征指标分列,并标明每项研究的浓度基准以及检出限与MRL比较的局限性。仅溶液基准和草本基质基准被明确标注。非内标峰强度检测和活体植物传输研究不被视为经验证的

挑战与未来展望

内标嵌入核壳SERS下一阶段的挑战已不再仅仅是能否产生足够强的拉曼信号,而是能否实现定量性能的验证、跨基质和跨批次的转移以及通过可扩展制造实现可重现。因此,未来的研究应聚焦于四个密切相关的优先方向:目标通道与内部参考通道之间的计量匹配、基质驱动的外壳设计、方法级验证以及

CRediT作者贡献声明

韩殊:撰写—审阅与编辑,撰写—初稿。吴雨婷:撰写—审阅与编辑,撰写—初稿。金尚中:撰写—审阅与编辑,撰写—初稿。张帆丽:撰写—审阅与编辑,监督,概念构思。

利益冲突声明

作者声明不存在已知的可能影响本文所报道工作的竞争性经济利益关系或个人关系。

致谢

本研究受国家自然科学基金(22104135和22361132532)及浙江省自然科学基金(LY23B050003)资助。
韩殊|吴雨婷|金尚中|张帆丽
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