通过信号关闭型表面增强拉曼散射（SERS）标记技术快速检测水及中药饮料中的无毒砷

《Microchemical Journal》：Rapid screening of toxic free arsenic in water and traditional Chinese medicine beverages via signal-off SERS tagging

本方法开发了一种基于信号-off的表面增强拉曼散射（SERS）策略，用于快速检测水及中药中的总游离砷。通过甲巯咪唑（MMI）作为多功能探针，在酸性条件下将As(V)还原为As(III)并与MMI形成硫配位复合物，通过监测MMI特征SERS信号的浓度依赖性衰减实现高灵敏检测（检测限0.6 fmol/L），并成功应用于实际样品分析，验证了其快速（2分钟内达平衡）、高选择性（超越WHO安全指南）和稳健性（回收率93.8-106%，RSD<6.1%）的特点。

　　

王新兰|吴雄|齐梦涵|赖华生|谢建莲

赣南医学院第一附属医院肿瘤科，中国赣州341000

摘要

本文提出了一种“信号关闭”型表面增强拉曼散射（SERS）策略，用于快速、超灵敏地检测水中的总游离砷和中药饮料中的游离砷。该方法使用甲巯咪唑（MMI）作为多功能探针，首先将五价砷（As(V)）还原为三价砷（As(III)），然后形成As-MMI复合物，从而导致特征MMI SERS信号的浓度依赖性衰减。在优化条件下，该检测方法可在2分钟内达到快速平衡，并对游离砷具有优异的选择性，这归因于酸性pH下的氧化还原作用和As-S复合作用。其检测限低至0.6 fmol/L，比世界卫生组织（WHO）对饮用水的安全指南低八个数量级以上。通过实际水样和中药饮料样品中的添加砷的定量回收（93.8–106%）验证了其实用性，相对标准偏差低于6.1%。这项工作为环境和药品质量控制中游离砷的监测提供了一个快速、选择性和超灵敏的平台。

引言

中药中砷的存在是治疗效果与患者安全之间的一个关键挑战[1]。特别值得关注的是所谓的“游离砷”，即从天然基质中释放出来并溶解在水煎剂中的亚砷酸盐[As(III)]和砷酸盐[As(V)]离子[2]。这种迁移主要通过两种途径发生：(i) 处理含矿物成分（如雄黄(As₄S₄)时，煮沸可以促进可溶性砷的释放；(ii) 通过工业硫熏处理污染草药材料，这种做法会在产品表面沉积有毒的三氧化二砷(As₂O₃)残留物。与结合在有机复合物或矿物晶格中的砷化合物不同，游离砷是最易被吸收且毒性最强的形式，存在显著的全身暴露风险[3]。因此，监管机构制定了严格的标准，例如《中华人民共和国药典》规定特定材料中总砷的含量上限为2 mg/kg，世界卫生组织（WHO）规定饮用水中砷的含量上限为10 μg/L。确保符合这些标准需要使用稳健、灵敏且快速的分析方法，特别是能够定量检测游离砷的方法，以保护公众健康而不影响中药配方的完整性。

表面增强拉曼散射（SERS）在砷分析中具有吸引力，因为它结合了分子指纹识别、高灵敏度和快速响应。在SERS中，信号增强通常来源于局部等离子体热点的电磁增强与界面电荷转移效应的化学增强的共同作用[4]、[5]、[6]。最近的基础研究和前瞻性研究表明，SERS的进步不仅取决于基底设计，还取决于对机制的理解、定量可靠性和界面化学控制[7]、[8]。这种更广泛的分析视角对于砷传感尤为重要，因为在实际应用中，基质效应和吸附竞争往往会影响性能[9]、[10]。

在过去五年中，与砷相关的SERS研究取得了显著进展，包括砷SERS化学的综述性研究、纳米结构银膜上的直接砷物种分析，以及针对环境系统中不稳定砷的现场导向DGT-SERS成像技术[11]、[12]、[13]。受体功能化的SERS界面和针对食品基质的砷SERS纳米传感器也提高了选择性并扩展了应用范围[14]、[15]。然而，仍存在一些重要限制。许多报道的方法仍然依赖于SERS活性界面上的直接砷吸附，这种方法容易受到基质干扰、竞争性吸附和基底间差异的影响，从而影响复杂样品中的重复性和定量稳健性[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。此外，一些研究仍停留在概念验证阶段，而针对实际、成分多样样品的分析流程仍不完善[10]、[15]。

为了解决这些问题，我们开发了一种“信号关闭”型SERS策略，通过将砷的化学性质与甲巯咪唑诱导的信号减弱相结合，将砷的识别转化为间接但定量的拉曼响应。该方法不依赖于基底界面上的直接砷光谱读数，而是利用化学响应性探针系统将砷的反应和复合作用转化为可测量的SERS强度下降，从而提高了复杂基质中的选择性和分析稳健性。本研究致力于建立和验证一种基于机制的SERS方法，用于实际样品中游离砷的测定，重点关注化学选择性、定量性能和操作简便性。将砷引发的甲巯咪唑消耗和复合物形成整合到“信号关闭”型SERS工作流程中，可以克服基于直接吸附的砷SERS检测的关键限制，为复杂样品分析提供一种更实用的分析方法。本文研究了不同离子的选择性、化学动力学过程和样品分析。

材料

AgNO₃（99.98%）、NH₃·H₂O（25%–28%）、葡萄糖（99.9%）、PVP K30（GR）和ZnCl₂（99.95%）均购自上海阿拉丁生化科技有限公司。甲巯咪唑（HPLC级）和Na₂SO₃（AR级）购自北京索尔巴生物科技有限公司。H₂SO₄（98%）、HCl（37%）、无水Na₂SO₄（99.5%）和H₂O₂（30%）购自西龙科技有限公司。MgSO₄（AR级）、Al(NO₃)₃（AR级）、FeSO₄（AR级）、Na₂S₂O₅（AR级）、K₂SO₄（AR级）、Na₂S₂O₃（AR级）、Cu(NO₃)₂（AR级）和离子交换树脂DOWEX 50WX8也购自这些公司。

砷的SERS检测

我们开发了一种“信号关闭”型SERS策略，用于间接检测砷（图1A）。该策略使用甲巯咪唑（MMI）作为牺牲指示探针，因其具有强烈的特征SERS信号和硫醇基团（CS）的高反应性而受到选择[18]。在酸性条件下，五价砷（As(V)）预计会与MMI发生氧化还原反应，其中As(V)被还原为三价砷（As(III)），同时MMI被氧化为二硫化物类物质[19]。由此产生的三价砷（As(III)

结论

我们开发了一种“信号关闭”型SERS策略，用于快速、超灵敏且选择性地检测复杂草药基质中的砷。在该策略中，甲巯咪唑发挥三种作用：作为还原剂将五价砷（As(V)）还原为三价砷（As(III)）；作为配位剂生成As-MMI硫配合物；以及作为探针分子，其消耗量通过SERS强度的下降来测量。关键的氧化还原步骤非常快速，仅需2分钟即可达到平衡。这使得能够完成全面的分析。

CRediT作者贡献声明

王新兰：撰写初稿、进行研究、数据整理、概念构思。吴雄：撰写初稿、进行研究、数据整理。齐梦涵：撰写初稿、进行研究、进行正式分析、数据整理。赖华生：撰写与编辑、数据可视化、项目监督、资源管理、方法学研究、资金筹集、概念构思。谢建莲：撰写与编辑、数据可视化、验证、进行正式分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号：22564002）和赣南医学院高层次人才研究启动基金的财政支持。