一种可控的自组装金纳米粒子（AuNRs）阵列，具有双重信号放大功能，可用于表面增强拉曼散射（SERS）技术检测蜂蜜中的5-羟甲基糠醛（5-HMF）

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Controllable self-assembled AuNRs array with dual signal amplification for SERS detection of 5-HMF in honey

　　

张佳斌|郭万辉|张浩|潘文|郭叶敏|张凡丽|王成|刘胜红

中国吉利江大学光电子技术学院，杭州310018，中华人民共和国

摘要

5-羟甲基糠醛（5-HMF）是一种在蜂蜜处理或储存不当过程中产生的有毒化合物，会危害人体健康。因此，快速准确地检测5-HMF至关重要。在本研究中，我们通过优化金纳米棒（AuNR）的纵横比并采用一种新型的三相自组装技术，制备了具有高密度等离子体热点的表面增强拉曼光谱（SERS）基底，显著提高了检测灵敏度和重复性。纵横比为3.5的AuNR阵列显示出最强的信号，这是因为其781纳米的纵向局域表面等离子体共振（LSPR）波长与785纳米的激发激光波长非常匹配，从而实现了高效的共振耦合。利用AuNR阵列的双重共振效应、探针诱导的场聚焦以及纳米间隙介导的等离子体耦合，共同产生了超高的电磁增强效果，用于SERS检测。使用AuNR阵列-3.5作为SERS基底时，信号强度与5-HMF浓度在1–50毫克/升范围内的变化呈正相关，检测限（LOD）低至0.093毫克/升。该基底表现出优异的均匀性（相对标准偏差RSD=3.86%）、重复性（批次间RSD=2.51%）、可重复使用性（RSD=13.2%）以及稳定性（在4摄氏度下储存30天）。在添加了5-HMF的蜂蜜样品中，该方法实现了35.4毫克/千克的检测限，远低于国际最大残留限（40毫克/千克），回收率在73.32%到95.92%之间，证实了其高灵敏度和准确性。这项工作为蜂蜜中5-HMF的检测提供了一种快速、高效的方法，并展示了其在基于SERS的食品安全监测技术中的应用潜力。

引言

蜂蜜是一种天然甜味剂，富含多种生物活性和营养成分[1]、[2]，历史上被广泛用作营养补充剂、医疗保健和工业生产[3]、[4]。Baumé度（Bé）是衡量蜂蜜含水量的关键指标，与蜂蜜的成熟度密切相关，42° Bé（约17.8%的水分含量）是标准条件下高质量成熟蜂蜜的基准。然而，一些不道德的贸易商或养蜂人采用高温处理方法人为脱水未成熟的蜂蜜以达到42° Bé的阈值。这种做法会破坏热敏性营养成分（如活性酶、挥发性酸），并导致5-羟甲基糠醛（5-HMF）的形成，这是劣质商业蜂蜜中的常见缺陷[5]、[6]、[7]、[8]、[9]。高水平的5-HMF具有细胞毒性、基因毒性、致突变性甚至致癌性[6]、[10]、[11]。鉴于这些风险，包括食品法典委员会和欧盟在内的监管机构已规定蜂蜜中5-HMF的最大残留限为40毫克/千克[12]。因此，快速灵敏地检测蜂蜜中的5-HMF已成为食品安全监测的关键工具。

传统的分析技术，如高效液相色谱（HPLC）、质谱（MS）和气相色谱（GC），因其高灵敏度、准确性和强特异性而在农产品质量评估、食品安全监测等相关领域得到广泛应用[13]、[14]、[15]。然而，这些方法在实际应用中仍存在显著局限性。具体来说，这些检测方法不适合快速食品安全筛查，因为它们耗时较长（数小时至数天），依赖于昂贵且体积庞大的仪器，需要专业技能，并且涉及复杂的样品制备步骤，可能导致结果偏差。为了解决这些局限性，研究人员开发了多种快速、现场检测5-HMF的方法。电化学传感依赖于5-HMF的电化学活性，响应迅速且成本低廉，但其选择性受到共存电活性物质的影响，导致痕量检测不准确[16]。基于荧光的方法利用特定的探针识别5-HMF以引发荧光变化，具有高灵敏度和选择性，但大多数探针需要复杂的化学修饰且成本较高[17]。近红外光谱基于分子特性实现非破坏性和快速检测，但灵敏度较低且光谱重叠严重，限制了痕量5-HMF的定量[18]。因此，迫切需要一种结合简单样品预处理、快速分析、高灵敏度和良好重复性的检测技术，用于现场监测蜂蜜中的5-HMF。

表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的分析技术，因其样品预处理要求低、响应迅速且具有非破坏性特征[19]、[20]、[21]，成为快速和超灵敏检测的理想选择[19]、[21]。这些优势使得SERS在食品安全分析中非常吸引人，特别是在污染物、农药残留物和非法添加剂的痕量检测方面[22]、[23]、[24]、[25]、[26]、[27]。SERS效应主要源于电磁（EM）和化学（CM）增强机制[28]、[29]，其中电磁增强主导了信号放大，主要与贵金属纳米结构中的局部表面等离子体共振有关，这在纳米级间隙处产生强烈的电磁热点和清晰的特征。因此，研究人员开发了多种基于等离子体的SERS基底。例如，张等人[30]使用胶体金基底实现了牛奶中5-HMF的快速SERS检测，检测限（LOD）为75微摩尔。然而，传统的胶体SERS基底由于等离子体热点分布不均匀，稳定性较差且重复性不足，这突显了需要性能更优的新基底[31]、[32]。近年来，自组装和纳米光刻等新兴制造技术被广泛用于制备高质量、高灵敏度的SERS基底。与其他制造策略相比，自组装方法简单、成本低廉，并且能够通过单层薄膜组装生成均匀分布的热点，从而提高SERS检测的重复性和稳定性，使其成为SERS基底制造的首选策略[33]、[34]、[35]、[36]、[37]。自组装基底还可以进行结构工程设计，以创建高强度的等离子体热点区域，同时保持与分析物和激发激光波长的良好兼容性[38]、[39]、[40]。作为定向固体基底的有前途的构建块，金纳米棒（AuNR）具有可调纵横比的优势，能够灵活满足SERS检测要求，为高性能基底的制备提供了有前景的技术途径[41]、[42]、[43]。

尽管SERS技术在食品分析领域发展迅速，但基于SERS的5-HMF检测在蜂蜜基质中的研究较少。在本研究中，我们提出了一种基于自组装AuNR阵列的无标记直接SERS检测策略，以解决稳定性差、重复性不足和灵敏度低的问题。通过合成具有可调纵横比的AuNR并采用三相界面自组装策略，我们制备了具有高密度等离子体热点的均匀基底，这些热点源自有序AuNR阵列的尖端和颗粒间隙。这种结构实现了双重拉曼信号放大，从而显著提高了检测灵敏度。纵横比为3.5的AuNR阵列（AuNR阵列-3.5）由于其纵向LSPR波长（781纳米）与785纳米激发激光波长几乎完全匹配，表现出最强的SERS响应。该基底还表现出优异的均匀性（RSD=3.86%）、出色的批次间重复性（RSD=2.51%）、可接受的重复使用性（RSD=13.2%）以及良好的稳定性（在4摄氏度下储存30天）。这种SERS策略能够在实际蜂蜜样品中实现高灵敏度的5-HMF检测，检测限为35.4毫克/千克，远低于国际最大残留限40毫克/千克。这些发现为蜂蜜中5-HMF的分析提供了一种高效可靠的方法，并为将SERS检测技术扩展到其他食品污染物提供了有前景的方法。

章节片段

试剂和溶液

溴化鲸蜡基三甲铵（CTAB，≥99%）、抗坏血酸（AA，≥99.99%）、硼氢化钠（NaBH₄，≥98%）、无水乙醇（EtOH，≥99.7%）和二氯甲烷（CH₂Cl₂，99.5%）购自上海阿拉丁生化科技有限公司（中国上海）。油酸钠（NaOL，>98.0%）和聚乙烯吡咯烷酮（PVP，分子量约58,000，≥99%）购自上海麦克林生化有限公司（中国上海）。氯金酸（HAuCl₄·H₂O，≥99.995%）和硝酸银（AgNO₃，≥99.9%）也来自该公司。

5-HMF的拉曼光谱分析

如图S1所示，5-HMF是一种含有呋喃环的糠醛衍生物[48]。固体5-HMF的特征拉曼峰如下：1025厘米^?1对应于呋喃环的对称CO伸缩振动，1370厘米^?1与环呼吸和CH₂弯曲的耦合模式相关，1524厘米^?1来源于呋喃环的共轭CC骨架振动，1583厘米^?1归因于–CHO基团的平面摆动，1667厘米^?1是其特征

结论

本研究开发了一种基于自组装AuNR阵列的固体基底，用于蜂蜜中5-HMF的快速和高灵敏度检测。通过优化AuNR合成过程以精确控制纵横比，并采用三相界面自组装技术，制备了具有高密度等离子体热点的均匀基底，显著提高了检测性能。实验结果表明，5-HMF的标准检测限（LOD）达到

CRediT作者贡献声明

张佳斌：研究、撰写——初稿。郭万辉：撰写——审阅与编辑。张浩：形式分析、资源准备。潘文：数据管理、方法学。郭叶敏：撰写——审阅与编辑。张凡丽：概念构思、撰写——初稿。王成：撰写——审阅与编辑。刘胜红：资金获取、项目管理、监督。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了新疆维吾尔自治区农业科学院农业科技改造稳定支持项目（xjnkywdzc-2025001-66）、新疆维吾尔自治区农业科学院农业科技改造稳定支持项目（xjnkywdzc-2023003-1）以及中央政府引导地方科技发展基金项目（ZYYD2025QY10）的资助。