食品頂刊:基于納米材料的光學傳感器檢測食品中苯并咪唑類殺菌劑研究

苯并咪唑類殺菌劑（BZD）是一類含有苯并咪唑環的內吸性殺菌劑。最常用的BZDs有苯菌靈、多菌靈（CBZ）、甲基硫菌靈（TPM）、噻菌靈（TBZ）、麥穗寧（FBZ）等。在現代農學中，BZDs被廣泛用于預防水果、蔬菜和其他作物的真菌病害，用于采前和采后處理；此外，它們還被用作廣譜的驅蟲藥物，用于預防和治療食源性動物體內寄生蟲。因此，許多國家和國際權威機構都實施了嚴格的監管。

　　最近，基于納米材料的光學技術，如比色、熒光和SERS技術，通過開發分析納米技術在農藥檢測中的潛力，已經成為基于色譜技術一種替代方法。本文綜述了近六年來基于納米技術的光學傳感器在水、食品和農產品中BDZ殘留檢測方面的研究進展。本研究特別強調了比色、熒光、SERS及其集成系統，為當前BZDs的檢測現狀提供了廣泛的覆蓋面。基于納米材料的光學方法用于檢測BDZ殺菌劑的示意圖如圖1所示。

　　　　圖1 用各種光學方法檢測BDZ的不同納米材料及其綜合方法的示意圖

　　基于納米材料的信號增強策略

　　納米材料在研究領域被廣泛用于促進傳感器的修飾。納米材料由于其獨特的性質，如表面修飾，生物相容性，表面等離子體共振，消光系數，催化活性等，可以提高不同傳感器的檢測效率。一般來說，信號增強的效果主要是因為來自大表面積的強吸附顯示出優異的特異性，以及納米材料的高電子轉移速率，從而提高了不同傳感器的傳感效率。

　　基于納米材料的光學傳感器

　　迄今為止，已經利用基于納米材料的光學傳感器構建了不同的BDZ傳感技術。光學傳感器在BDZ的現場檢測方面具有很大的潛力和廣泛的用途。圖2是BDZ在基于納米材料的光學傳感器，特別是比色熒光和SERS及其集成系統的所有已發表論文的總結。

　　圖2 柱狀圖為基于納米材料的比色（A）、熒光（B）和SERS（C）傳感器檢測BDZ殺菌劑的發展和發表論文情況

　　比色傳感器

　　基于納米材料的比色傳感器因其對包括重金屬、農藥、真菌毒素、有毒細菌、生物標志物等在內的許多分析物的靈敏和選擇性響應而受到了極大的關注。表面等離子體共振（SPR）是納米材料的一個重要特征，由于納米材料的聚集或分散，與分析物相互作用后，在可見光區域顯示出明亮的顏色變化，并與分析物產生明顯的線性或非線性關系。通常，有兩種策略可用于制備基于比色的傳感器：I）催化或結構變化引起的顏色變化；II）納米粒子的形態轉變或聚集。比色傳感器中比色響應的方案如圖3所示。表1是基于納米材料的比色傳感器檢測食品中BDZ的研究結果。

表1 基于納米材料的BDZ比色傳感器

　　　　熒光傳感器

　　熒光傳感器的基本原理是熒光團或納米粒子產生的光的發射，從激發態返回到基態。表2是基于納米材料的熒光傳感器檢測食品中BDZ的研究結果。

　　表2 基于納米材料的BDZ熒光傳感器

　　基于非輻射能量轉移的熒光傳感器在檢測食品和農產品中的有毒化學物質和致病菌方面引起了人們極大的研究興趣。FRET是一種非輻射距離依賴的能量轉移現象，作為一種獨特、可靠、靈敏的分析技術被廣泛應用于檢測各種分析物。碳量子點或碳點是一種新型的發光碳納米材料，可用于熒光分析法中的定量分析。如圖4A所示，Wang課題組基于氮摻雜碳量子點和金納米簇之間的FRET，通過兩個線性響應開發了CBZ的"turnon"比率型熒光傳感器，LOD分別為0.83和37.25 μmol/L。相反，考慮到上轉換納米顆粒的優勢，有研究開發了一種上轉換-二氧化錳發光共振能量轉移生物傳感器用于UCNPs對CBZ的靈敏檢測，如圖4B所示。

　　圖4 N-GQDs/AuNCs作為CBZ比率熒光開啟傳感器的示意圖（A）；CBZ熒光納米傳感器示意圖（B）

　　SERS傳感器

　　近年來，隨著納米技術的發展，獲得了不同形態的納米結構，它們被用作SERS活性基底，用于無標記和/或靶敏感檢測各種分析物，包括農藥殘留水平。為了提高基于SERS的農藥檢測的準確度和精密度，研究人員不斷致力于開發新型SERS基底、新型檢測策略、原位檢測系統等。表3總結了SERS技術在BDZ類殺菌劑檢測和定量方面的研究進展。

　　表3 BDZ用納米材料SERS傳感器

SERS活性基底的選擇

　　SERS活性基底的選擇對SERS檢測至關重要。為了制備用于BDZ的最佳SERS傳感器，需要考慮三個關鍵點：i）SERS活性底物的拉曼信號增強能力，ii）SERS有源底物的均勻性和穩定性，iii）BDZ對SERS活性基質的親和力。

　　SERS光譜的密度泛函理論（DFT）模擬

　　在SERS信號中可以得到分子固有的拉曼信號，這可以通過DFT得到潛在的證實。理論拉曼信號借助高斯程序進行DFT分析，并給出合理的解釋。然而，實驗測得的拉曼和SERS信號與理論信號存在一定的差異，這可能與農藥或基底的分子結構及其相互作用有關。因此，需要更多的研究來了解它們在實驗上存在差異的確切原因。

　　化學計量學對SERS傳感器的影響

　　化學計量學的關鍵優勢在于能夠從低質量的儀器數據中獲得合理的檢測結果，所得數據具有信號重疊性強、噪聲水平高、分辨率低等特點。這種方法常應用于從光學（即比色、熒光、SERS等）、色譜、電化學和其他各種技術中獲得的信號的定性和定量處理。有研究將競爭性自適應重加權采樣-極限學習機（CARS-ELM）作為非線性化學計量學方法與SERS相結合，實現了蘋果中TBZ濃度的快速測定；該方法在TBZ濃度為1、5、10 mg/L的蓄意污染蘋果樣品中的回收率為83.02%～93.54%；此外，通過PCA在P＝0.05水平上的判別圖確定了LOD（0.001 mg/L），如圖5A所示。

　　圖5 利用SERS耦合CARS-ELM確定TBZ的方法示意圖（A）；SERS傳感雙殺菌劑界面自組裝核殼二維Au@Ag納米點陣列的制備示意圖（B）；便攜式拉曼分析儀微滴捕獲帶（C）；Ag-Au-IP6-Mil-101 (Fe)的制備示意圖及TBZ的SERS測定（D）

　　磁性納米粒子（MNPs）對SERS傳感器的影響

　　磁性納米粒子與貴金屬納米材料的結合在農藥的SERS檢測中開辟了新的途徑，這歸因于以下幾個優點：MNPs的有序排列和良好調節的熱點提供了完美的增強因子；磁性納米粒子的磁性允許目標化合物從復雜基質中有效分離和富集；磁性納米粒子的磁性賦予了SERS納米復合基底可重復使用性；最后，磁性納米粒子的生物相容性允許生物識別分子固定在其表面，提高了其對目標分子的特異性生物識別能力和與基質的分離能力。

　　利用貴金屬單、雙金屬SERS基底對BDZ進行無標記檢測

　　近年來，利用SERS技術實現痕量分子的無標記檢測已成為原位應用的研究熱點。如圖5B所示，利用金核銀殼納米顆粒設計了一種二維納米點陣列SERS基底，用于梨、蘋果和橙汁中TBZ的可靠和可重復性測定，LOD為0.051 × 10-6。

　　基于氧化石墨烯（GO）的SERS傳感器

　　GO是一種單層碳材料，通過π-π堆積作用或靜電作用對芳香分子具有突出的吸附能力；此外，由于電荷轉移效應，它提高了拉曼信號，從而支持SERS檢測。

　　硅基SERS傳感器

　　根據已發表的多篇文獻，金屬化硅由于具有大的表面積體積比可用于表面修飾、減少納米材料之間的相互作用、獨特的光學性質和易于制備等優點，已成為制備SERS基底的重要元素。

　　基于聚二甲基硅氧烷（PDMS）的SERS傳感器

　　PDMS是柔性基底中備受研究者關注的一種聚合物凝膠，因其具有透明性、良好的拉伸強度、黏結性、無毒性和化學穩定性等優點。此外，它具有較低的拉曼截面，對拉曼信號的影響較小。

　　基于紙張和膠帶的SERS傳感器

　　纖維素基紙模板具有三維結構、便攜性、柔韌性、多孔性、非均相形貌、極小的SERS信號干擾等優點，是硅或玻璃晶片和多孔氧化鋁模板的實際替代品。特別是，它可以通過毛細管作用吸收液體，使目標分析物在傳感器納米材料表面黏附和富集基于金屬有機框架的SERS傳感器。如圖5C所示，通過在導電碳帶上沉積Au納米枝晶，生成了用于TBZSERS檢測的創新型POCT裝置"微液滴捕獲帶"；作為一個自主的"微容器"用于吸附分析物。

　　基于金屬有機框架（MOFs）的SERS傳感器

　　MOFs的多孔結構是通過π-π相互作用、氫鍵或靜電作用形成的，它們提供了一個大的比表面積來支持和穩定金屬納米結構，從而獲得一種新型的SERS基底。將Au/Ag納米結構固定到MOFs中作為一種高效的SERS基底近年來受到了廣泛的關注。如圖5D所示，開發了一種基于MOFs的SERS傳感器（Ag-Au-IP6-Mil-101(Fe)）檢測果汁樣品中的TBZ。

　　基于分子印跡聚合物（MIPs）的SERS傳感器

　　考慮到生物識別元件的局限性，MIP作為一種人工識別元件，具有與目標分子親和力高、化學和機械穩定性好、價格低廉等優點，在檢測、催化和固相萃取等領域具有廣闊的應用前景；它通過具有酸性或堿性基團的單體聚合，在目標分子存在的情況下形成三維空腔，可以通過互補的形狀、大小和官能團選擇性地與目標分子結合。

　　基于其他材料的SERS傳感器

　　受仿生材料的啟發，將植物葉片組裝到AuNPs上，產生電磁輻射熱點，用于水中CBZ和TBZ的檢測。有研究報道了一種用于檢測水果樣品中TBZ的模板生長磷烯基Au/Ag納米復合材料SERS基底。另有研究報道了合成的聚氨酯膠束/納米銀簇用于不同果蔬表面TBZ的原位檢測。

　　集成傳感器

　　近年來，集成不同的技術來提高檢測的選擇性、準確性和精密度受到了廣泛的關注。利用碳化鈦MXene/Au-Ag納米殼開發了一種雙功能智能CBZ檢測方法，如圖6所示。通過電化學和SERS方法，該傳感器在茶葉和大米中分別可以檢測到低至0.002和0.01 μmol/L的CBZ（表4）。

　　圖6 Ti2C MXene/Au-Ag納米雜化物用于CBZ的電化學和SERS檢測

　　表4 基于納米材料的BDZ集成傳感器

　　Conclusion and Perspectives

　　本文綜述了基于納米材料的檢測策略，以實現對實際樣品中BDZ的高效溯源。盡管這些基于納米材料的光學及其集成傳感器與傳統方法相比具有一定的便利性，但在實際樣品的檢測中仍然存在一些挑戰。在本研究中提到的BDZ中，苯菌靈和FBZ還沒有被檢測到。由于納米材料與目標分析物結合的活性位點是有限的，因此關注簡便和低成本的樣品前處理過程是很重要的。也可以集中在芯片、紙張或帶狀傳感器上，用于BDZ的現場檢測，這將更有效地用于工業應用。