明胶-银纳米立方体复合水凝胶SERS基底，用于敏感检测多菌灵

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Gelatin?silver nanocube composite hydrogel SERS substrate for sensitive detection of thiram

　　

摘要

表面增强拉曼散射技术是一种用于快速现场检测农药残留的强大工具，但其性能在很大程度上取决于基底材料。本研究通过温和的EDC-NHS交联方法结合低温凝胶化技术，制备出一种明胶-银纳米立方体复合水凝胶SERS基底。这种三维多孔水凝胶能够有效富集目标分子，而银纳米立方体的锐利边缘则可产生大量电磁热点。以罗丹明6G作为探针，经过优化的基底（明胶含量为20%，银纳米立方体与明胶的体积比为3:1）表现出良好的均匀性、重复性和稳定性。在检测硫菌灵时，该基底在10^?4至10^?7?M浓度范围内呈现线性响应，标准溶液中的检测限为4.45?×?10^?8?M。在橙汁中的应用也证明了其实用性，能够检测到低至1.0?×?10^?6?M的硫菌灵浓度（检测限为4.78?×?10^?7?M），回收率在96.9%至97.9%之间。这项工作为食品安全监测提供了一种基于明胶、稳定且灵敏的SERS检测平台。

引言

表面增强拉曼散射技术因其高灵敏度、快速响应、无损检测以及分子指纹识别等独特优势，已成为食品安全和病原体诊断领域中用于快速现场检测的核心技术之一[1]、[2]、[3]。硫菌灵是一种高效广谱的二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂，被广泛用于果蔬种植中[4]、[5]。然而，过量的硫菌灵残留可通过食物进入人体，引发细胞毒性、肝肾损伤，甚至可能带来致癌风险，对公众健康构成严重威胁[5]、[6]、[7]。目前，已有多种检测硫菌灵的方法，包括高效液相色谱法[HPLC][8]、液相色谱-质谱法[LC-MS][9]以及气相色谱-质谱法[GC–MS][10]。但这些方法存在样品前处理繁琐、仪器昂贵且分析流程耗时的问题，不适合用于现场快速筛查。因此，开发一种快速灵敏的SERS检测方法，以实现硫菌灵残留的高效准确分析，具有重要的研究价值和应用前景。

高性能的SERS基底是实现高灵敏度检测的关键[2]、[11]。传统的SERS基底主要以硅片和玻璃载玻片等二维平面材料为基础[12]。这类材料存在咖啡环效应、目标分子富集效率低以及“热点”分布不均等问题，难以用于硫菌灵的痕量检测[2]、[13]。而三维多孔水凝胶材料凭借其高比表面积、丰富的孔结构以及出色的分子吸附和负载能力，已成为下一代SERS基底的理想载体[13]、[14]、[15]。明胶是一种天然聚合物材料，具有易获取、可降解且生物相容性优异等优点，其分子链上含有大量的氨基和羧基等活性基团[16]、[17]。这些基团不仅能为主族金属纳米颗粒提供稳定的锚定位点，还能帮助形成三维网络结构，从而有效分散纳米颗粒并富集目标分子，因此明胶是非常适合用于构建SERS基底的优质基质[18]、[19]。

作为一种天然水凝胶材料，明胶可单独使用或与其他聚合物结合，用于制备三维水凝胶基SERS基底[19]、[20]、[21]。例如，Trindade团队就制备出了银-明胶复合基底，能够检测浓度为10^?5?M的乙二胺二硫代氨基甲酸钠[19]。不过，明胶是一种热可逆的弱凝胶，在高温或长时间浸泡于水中时容易膨胀软化，从而导致基底结构崩解[16]、[22]。因此，未交联的明胶水凝胶基底机械稳定性较差，无法长期保存。此外，大多数基于明胶的SERS基底研究都集中在含有球形银纳米颗粒的复合体系上，而关于银纳米立方体水凝胶SERS基底的报道则相对较少[19]、[20]。

本研究通过结合温和的EDC-NHS交联技术与低温凝胶化方法，成功制备出了明胶-银纳米立方体复合水凝胶SERS基底。以罗丹明6G作为探针分子，通过系统优化明胶与银纳米立方体的混合比例，获得了具有最佳SERS性能的复合基底。将该基底应用于标准溶液以及市售橙汁中的硫菌灵检测，实现了对橙汁基质中硫菌灵的高灵敏度检测。这项工作为高性能SERS基底的制备提供了一种简便的方法，同时也为水果汁中农药残留的快速现场检测提供了可靠的技术解决方案。

章节节选

材料

所有化学试剂均从商业渠道购买，无需进一步纯化即可使用。硫菌灵、硝酸银（AgNO₃）、氨水（NH₃·H₂O）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）、1-乙基-3-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、葡萄糖以及罗丹明6G（R6G）均购自中国上海的Aladdin Biochemical Technology Co., Ltd.。明胶则购自中国上海的Sigma-Aldrich Trading Co., Ltd.。去离子水则

实验方案

在本研究中，我们合成了通过EDC-NHS交联的明胶-银纳米立方体复合水凝胶，用于硫菌灵的SERS检测。如图1所示，首先将热明的胶溶液与银纳米立方体溶液混合，随后加入EDC-NHS交联剂。将所得混合物倒入96孔板中，再将板子放入-20℃的冷冻箱中使其凝胶化。之后，将该明胶-银纳米立方体水凝胶基底浸入添加了硫菌灵标准的橙汁中

结论

由于水凝胶具有三维多孔结构以及可逆收缩的特性，能够形成密集的电磁热点，从而显著增强SERS信号强度。明胶作为一种天然聚合物，具有来源广泛、成本低廉且可降解的优点。然而，传统的明胶水凝胶基底存在机械稳定性较差的问题，这限制了它们的实际应用。在本研究中，我们提出了

作者贡献说明

邱荣茂：概念设计、实验研究、初稿撰写、论文修订与编辑、资金申请。曾一民：论文修订与编辑。陈一鸣：论文修订与编辑。黄树婷：论文修订与编辑。罗炳华：论文修订与编辑。卢德昌：概念设计、资金申请、初稿撰写、论文修订与编辑。黄奎：概念设计、资金申请、论文修订与编辑。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益关系或个人关联。

致谢

我们衷心感谢中国国家自然科学基金（项目编号82502442和82502511）、福建省自然科学基金（项目编号2025J01386和2025J08241）、莆田大学优秀人才启动基金（项目编号2024057和2023134）、技术创新创业种子项目（项目编号2024JDRC0050）；四川省卫生健康委员会医学科技项目（项目编号25LCYJ04）；泸州市

Rongmao Qiu|Yimin Zeng|Yiming Chen|Shuting Huang|Binghua Luo|Dechan Lu|Kui Huang

中国福建省莆田市莆田大学药学与医疗技术学院，福建省药物分析与实验室医学重点实验室，邮编351100