基于苦瓜提取物的银纳米结构改性水凝胶SERS基底，具有三维高密度网络热点，可用于检测多种水果表面的多菌灵

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Hovenia acerba-inspired silver nanostructure-modified hydrogel SERS substrate with 3D high-density network hotspots for thiram detection on various fruit surfaces

　　

摘要

表面增强拉曼散射（SERS）基底的检测性能与其三维等离子体纳米结构密切相关。在本研究中，通过一种简单的原位化学还原策略，制备了一系列三维多孔刺五加状银纳米结构修饰的聚乙烯醇水凝胶（HA-AgNPs@PVA）SERS基底。这类三维多孔等离子体纳米结构拥有大量纳米孔，能够形成多层高密度热点。此外，多孔纳米结构还能容纳更多探针分子，从而显著提升SERS性能。以结晶紫作为探针分子时，优化后的HA-AgNPs@PVA SERS基底可实现10^?10?M的检测灵敏度，放大倍率为1.6?×?10⁸。另外，这种柔性HA-AgNPs@PVA SERS基底还被用于通过“粘贴读取”方式检测各种水果表面的噻菌灵，检测灵敏度可达10^?8?M，展现出出色的定量检测能力。该柔性SERS平台在食品安全现场监测方面具有巨大应用潜力。

引言

在保障农业产量的同时，农药的广泛使用引发了人们对食品安全和环境污染的严重担忧[1]。噻菌灵是一种二硫代氨基甲酸酯类杀菌剂和抑菌剂，被广泛用于作物保护及采后处理。然而，它残留在水果和蔬菜中可能对人类健康构成威胁[2]。许多动物实验和体外研究都表明，噻菌灵具有神经毒性、影响发育、干扰生殖功能以及扰乱内分泌的作用[3]。因此，绝大多数国家和地区都制定了严格的噻菌灵监管框架和残留监测制度，以确保符合食品安全标准。根据中国国家标准GB 2763–2021，谷物中噻菌灵的最大残留限量定为1?mg/kg，而美国环境保护署规定的苹果中噻菌灵的允许浓度为7?ppm[4]。所以，开发灵敏、可靠且适用于现场检测的噻菌灵检测方法，对于食品安全监测和合规性检查具有重要意义。

目前用于检测噻菌灵的传统分析技术，如高效液相色谱法（HPLC）、气相色谱-质谱法（GC–MS）和液相色谱-串联质谱法（LC-MS），都具有较高的灵敏度和准确性[5]。但这些方法往往依赖于大型复杂仪器、繁琐的样品前处理流程、较长的分析时间、较高的检测成本以及专业的操作技能，因此不适合快速现场筛查[6]。因此，迫切需要一种兼具高灵敏度、几乎无需或无需前处理、操作简便且成本低廉的新型传感平台。作为一种新型且强大的分析工具，SERS技术能够在单分子层面识别目标分子的独特振动特征，展现出极高的检测灵敏度[7]、[8]、[9]、[10]。由于其响应速度快、样品前处理要求低、操作简单、无破坏性、灵敏度高，且便于微型化，SERS在快速现场检测领域具有巨大应用前景[11]、[12]、[13]、[14]、[15]、[16]。

高性能SERS基底是SERS技术应用的基石[17]。SERS基底的检测性能也与它们的三维等离子体纳米结构密切相关。三维多孔等离子体纳米结构具有更大的比表面积和密集的热点，能够显著提升SERS基底对有害物质的检测性能[18]。Chen等人[19]采用一种经济高效的策略，通过简单的两步酸碱催化过程制备出可调控的多孔SiO₂骨架，进而构建了三维多孔Al-p-SiO₂@Ag SERS基底。虽然该基底具有优异的检测灵敏度和信号重复性，但其制备过程极为复杂、成本高昂且耗时较长。Kim等人[20]则利用聚合物胶束通过电化学沉积法制备出了三维介孔金膜包覆的银纳米线/纳米纤维素纸。整个制备过程需要严格的条件控制，难以实现大规模生产。因此，开发一种简单、快速、低成本且可规模化制备三维多孔贵金属SERS基底的方法仍是一项重大挑战。

传统刚性SERS基底体积大、重量重、易碎且便携性差，同时还无法贴合非平面食品表面，这限制了它们在现场快速检测中的应用[21]。相比之下，柔性SERS基底不仅体积小、重量轻、可弯曲且便于携带，还能贴合不规则的食品表面，从而实现现场快速检测[22]。其中，基于水凝胶的SERS基底因其可调控的物理化学性质、出色的生物相容性以及简单的制备工艺，受到了众多研究人员的关注[23]。聚乙烯醇（PVA）水凝胶是通过PVA聚合物链的物理或化学交联形成的三维网络材料，能够吸收并保留大量水分。作为SERS载体，PVA水凝胶兼具水凝胶基底的一般优点，还有其他独特优势[24]。PVA水凝胶具有优异的拉伸强度、弹性以及抗疲劳性，能够承受反复变形和多次使用[25]。此外，它还具有出色的保水能力，能够有效浓缩目标分子，进一步提升SERS性能。

本研究报道了一种基于经三维多孔刺五加状银纳米结构修饰的PVA水凝胶的新型高性能柔性SERS基底（HA-AgNPs@PVA）。该基底能够灵敏且精准地检测各种水果表面上的噻菌灵残留。首先，通过循环冻融法制备出具有高强度、高弹性、良好吸附能力以及优异生物相容性的物理交联PVA水凝胶。随后，通过精确控制银离子浓度，并以硼氢化钠作为还原剂，成功在PVA水凝胶表面原位生长出三维多孔刺五加状银纳米结构。这种三维多孔等离子体纳米结构拥有大量纳米孔，可形成多层高密度热点区域。而且，这些多孔纳米结构能够容纳更多探针分子，从而显著提升SERS性能。此外，PVA水凝胶还具有出色的保水性和吸附性，能够进一步将探针分子捕获在热点区域内，进而进一步提升SERS性能。最终，最优化的HA-AgNPs-45@PVA SERS传感器对结晶紫的检测灵敏度可达10^?10?M，放大倍率为1.6?×?10⁸。得益于PVA水凝胶出色的灵活性、吸附能力和贴合性，该HA-AgNPs@PVA水凝胶SERS基底能够紧密贴合各种水果样本的曲面，从而实现高效的噻菌灵检测。该SERS基底的检测灵敏度也可达到10^?8?M，超过了中国食品安全标准规定的最大残留限量。SERS强度与噻菌灵浓度对数之间良好的线性关系，进一步证明了该水凝胶基底具备可靠的定量检测能力和稳定性。所制备的三维刺五加状水凝胶SERS基底为检测水果和蔬菜表面有害物质残留提供了一种简单、快速且高度灵敏的检测平台。

章节节选

材料与试剂

硝酸银（AgNO₃，分析纯）由北京美瑞达试剂厂提供。结晶紫（CV，分析纯）来自上海艾斯宾生化试剂厂。聚乙烯醇（PVA，1799型，分析纯）粉末由天津普西唐生物医药试剂厂提供。噻菌灵（99%，分析纯）从tansoole平台的adamas-beta处购买。硼氢化钠（NaBH₄，分析纯）由西龙化学试剂厂提供。实际样品检测所使用的水果包括香蕉、梨、油桃和李子。

制备过程示意图

本研究采用一种简单、快速、低成本且可规模化的制备方法，成功合成了三维多孔等离子体纳米结构修饰的水凝胶SERS基底（见图1）。该基底是一种柔性、高透明且具有生物相容性的PVA水凝胶SERS载体，是通过一种简单无毒的循环冻融物理交联方法制备而成的。PVA水凝胶出色的保水性和吸附性能有助于目标分子在基底中的富集。

结论

综上所述，通过将原位生长的刺五加状银纳米结构融入PVA水凝胶基质中，成功制备出了一种柔性水凝胶基SERS基底。该基底对结晶紫分子的检测灵敏度可达到10^?10?M，信号均匀性优异，放大倍数也很高。其出色的SERS性能主要归功于其中的三维多孔等离子体纳米结构，这些结构中含有大量纳米孔。

利益冲突声明

作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢

我们衷心感谢以下机构提供的财政支持：中国国家自然科学基金（编号：62405080、32360622、42388101）、海南省自然科学基金（编号：224MS003、126MS0004）、四川大学先进高分子材料国家重点实验室开放项目（编号：sklapm2025-3-31）、国家市场监督管理总局热带果蔬质量与安全重点实验室开放项目（编号：TDYJ-2024003、KF-2025001）以及其他支持机构。

Jiechen Xu|Ying Chen|Nan Sun|Jia Dou|Shanshan Zhang|Xianhui Chen|Long Wu|Zouxi Du|Sihang Zhang

中国海南省海口市570228，海南大学食品科学与工程学院，国家市场监督管理总局热带果蔬质量与安全重点实验室