表面增强拉曼光谱（SERS）法量化农业影响地下水中新烟碱类杀虫剂的验证

《ACS Environmental Au》：Validation of SERS-Based Quantification of Neonicotinoids in Agriculture-Impacted Groundwater

　　

常规实验室色谱分析可提供灵敏的农药测量，但其成本、人力和分析周期会限制常规野外监测中的采样频率。研究人员报道了一种表面增强拉曼光谱（SERS）工作流程，用于对农业影响地下水中新烟碱类杀虫剂进行快速、分子特异性筛查。金纳米颗粒表面的盐酸（HCl）辅助配体交换、多波段分析物识别以及热点归一化，实现了环境水体中两种代表性新烟碱类杀虫剂的可靠定量。野外样品采集自威斯康星州中部沙地（Wisconsin’s Central Sands）的5口灌溉井和9个地下水补给沟渠点位。SERS检出的吡虫啉（IMD）和噻虫胺（CLO）浓度范围为0.25至4.02 nM，低于SERS检测限（LOD）的检出结果作为半定量估计。样品处理包括过滤、酸化和与SERS基底孵育，随后进行约5分钟/图的快速拉曼光谱采集，每个基底材料成本约0.17美元。结果与高效液相色谱（HPLC）测量交叉验证。对高于LOD的测量，SERS相对HPLC的回收率为96%至117%，证明了该工作流程在野外采集水体低纳摩尔农药筛查中的适用性。这种“先筛查后确认”的实用策略有助于在动态农业影响水体中识别何时何地需要进行确定性测量。

研究背景方面，新烟碱类杀虫剂自20世纪90年代初吡虫啉（imidacloprid，IMD）上市以来迅速扩张，约占全球杀虫剂市场25%，其高水溶性和土壤中长期半衰期促进向地下水淋溶与残留。常规高效液相色谱（HPLC）和液相色谱串联质谱（LC-MS/MS）虽灵敏准确，但成本高、人力大、周期长，会限制野外监测采样频率，可能漏掉降雨、灌溉回流水和排水驱动的短时浓度脉冲。表面增强拉曼光谱（SERS，Surface-Enhanced Raman Spectroscopy）具备高灵敏度和分子振动指纹特征，但异质基底增强、基质干扰和单波段误判使其多停留在概念验证或定性/半定量阶段。因此，研究人员在前期HCl辅助配体交换策略基础上，将其应用于农业影响野外水体，并整合多波段确认与热点归一化，用HPLC交叉验证，评估该集成SERS工作流程在真实环境基质中的定量表现，这是已知首项在野外采集农业影响水样中验证SERS定量新烟碱类杀虫剂的研究，论文发表于《ACS Environmental Au》。

关键方法上，研究人员于2025年6月9日从威斯康星州中部沙地采集5个灌溉井水样（HF1—HF5，采自24—34 m地下水）和9个地下水补给沟渠水样（LD1—LD9）。水样经0.45 μm玻璃纤维过滤、HCl调至pH 1.3后，与金纳米颗粒/细菌纤维素（AuNP/BC）基底孵育12 h；使用785 nm激光、10×10像素图谱、每图约5 min采集拉曼光谱；以67 cm^–1弹性散射带归一化目标带强度，即I₆₄₄/I₆₇用于噻虫胺（clothianidin，CLO）、I₁₁₁₀/I₆₇用于吡虫啉（imidacloprid，IMD）；采用主波段定量、确认波段身份校验的多波段决策规则；独立HPLC作交叉验证，并测定pH、电导率和总有机碳（TOC，Total Organic Carbon）。

Application and Validation of the SERS Workflow部分，研究人员将HCl辅助配体交换SERS流程用于IMD和CLO。在去离子水中，IMD的LOD为2.2 nM、CLO为1.9 nM，线性范围分别为0—100 nM和0—75 nM，R²大于0.99。热点归一化使图谱全局相对标准偏差（RSD）从25.5%降至8.35%。HF1灌溉井水样中，以644 cm^–1为主定量带，770 cm^–1和1070 cm^–1为CLO确认带；IMD以1110 cm^–1为主带、860 cm^–1为确认带。结果表明该流程可在真实水样中分辨混合物，且单基底材料成本约0.17美元，适合野外水体筛查。

Occurrence of Neonicotinoids in Irrigation-Well and Ditch-Water Samples部分，灌溉井水TOC为0.40—0.87 mg C·L^–1，沟渠水TOC为2.10—26.70 mg C·L^–1。SERS在4/5灌溉井中检出CLO（0.78—4.02 nM），在1/5灌溉井中检出IMD（2.79 nM）；沟渠水中未检出CLO，IMD仅在LD1和LD4半定量检出（0.65 nM、0.25 nM）。高于LOD时，CLO回收率96%—117%，IMD为109%；LD4的IMD回收率仅23%，与高天然有机物（NOM，Natural Organic Matter）基质干扰有关。相对水生无脊椎动物急性生态基准（CLO 0.8 nM、IMD 0.78 nM），3个灌溉井CLO检出和1个灌溉井IMD检出超标，沟渠水检出未超标。研究人员据此说明灌溉井地下水是残留新烟碱类的稳定储库，沟渠水因稀释、光解等衰减过程更动态。

Implications for Neonicotinoid Monitoring in Agriculture-Impacted Waters部分，研究人员指出新烟碱类在地下水呈低而持续背景浓度，在地表水呈事件驱动短脉冲；NOM、悬浮颗粒和离子强度会竞争金纳米颗粒表面吸附位点。多波段确认、母药与代谢物同步追踪，以及“先筛查后确认”策略，可识别热点并优先安排事件采样，LC-MS/MS作确认，长期地下水监测表征持久污染。高NOM地表水可用基质匹配校准、标准加入或预浓缩提升准确性。

结论部分译为：该研究评估了集成配体交换、热点归一化和多波段光谱确认的SERS工作流程在野外农业影响水体中的表现。样品过滤酸化后与AuNP/BC基底孵育12 h，拉曼图谱约5 min采集；单基底材料成本约0.17美元，可实现CLO和IMD筛查与定量，高于SERS LOD为定量、低于LOD为半定量，校准浓度0.25—4.02 nM。与HPLC交叉验证显示多数野外样品定量一致，也揭示高NOM沟渠水的基质限制。该田野评估证明SERS工作流程适用于环境水体，支持其作为农业景观中新烟碱类时空发生靶向监测的“先筛查后确认”手段。