林东岳，何 遥，董荣录，杨良保*

(1.中国科学院合肥物质科学研究院 健康与医学技术研究所 医学物理技术中心，安徽 合肥 230031；2.中国科学技术大学 研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026；3.安徽大学 物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230601)

检测毒物对于保障人们生命健康和公共安全尤为重要。我国卫生部发布的第三次全国死因调查结果显示，引发中毒的毒物主要有药物、农药、鼠药等。因此，发展毒物的检测方法能够为各类涉毒涉恐案件的处置以及前期预警提供技术支撑，具有迫切现实需求。

传统毒物的检测方法，可以分为质谱、色谱及联用技术、生物酶传感检测方法、化学发光及电化学法等[1-2](表1)。传统的质谱、色谱及联用分析方法精确度高，但依赖昂贵的大型仪器，在检测前需要特定的样品前处理，不能满足快速检测的需求。生物酶联免疫方法特异性强，但往往需要长时间的孵化，且可能出现假阳性信号，无法实现现场准确判定。化学发光及电化学法可视化效果显著，但对实际复杂基质样品进行检测时优势往往被削弱。为了更好地满足这类目标物检测的时效性要求，开发快速、精准的分析方法已成为备受关注的研究热点。

表1 常见毒物检测方法Table 1 Detection methods of common poisons

表面增强拉曼散射(SERS)技术基于表界面效应，具有快速、灵敏、指纹特征、无损伤的特点，在毒物现场检测方面具有独特优势，可以根据SERS特征峰的光谱信息对待测物进行直接指认[13-14]。通过纳米增强基底可以百万倍地放大被测物的SERS信号，甚至实现单分子水平的检测。随着仪器硬件的不断发展，便携式、手持式拉曼光谱仪逐渐普及，结合软件算法的不断优化，SERS在混合物多组分识别领域逐步得到应用，其在公共安全事件的现场快速检测方面前景广阔。

1 SERS在毒物检测中的研究进展

1.1 动、植物毒物

动、植物毒物指具有毒性的动、植物及其加工品。大部分有毒动、植物中的毒性成分同时也具有药物活性。常见的有海洋生物毒素和霉菌毒素等，这类毒素对人类健康和周围环境构成了严重威胁。

1.1.1 基于动态SERS方法的海洋生物毒素检测本课题组独创的动态SERS(D-SERS)[15-16]方法已应用于海洋生物毒素的检测，检测灵敏度比传统SERS得到提高。在水体系D-SERS方法研究的基础上，本课题组以甘油为辅助物构建了一种长周期、高稳定的三维热点矩阵，可将有效热点持续时间从几秒增加到20 min，并大大提高了检测节球藻毒素(NOD)的灵敏度和重现性[17](图1)。整个D-SERS过程中Ag NPs始终保持在液体环境中，形成的热点矩阵可以长期存在。3D热点矩阵增加了分子的SERS稳定性，有利于在10 nmol/L水平上实现对NOD的高灵敏和稳定检测。本小组同时提出了一种利用高亲和分子半胱氨酸修饰的金纳米粒子(Cys-Au NPs)作为SERS探针，通过静电和氢键作用捕获石房蛤毒素(STX)[18]的方法。Cys可通过Au—S键与Au NPs结合，STX的加入能够诱导Cys-Au NPs有效聚集。结合D-SERS检测方法，实现了1×10-7mol/L STX的高灵敏检测。由于能够捕捉到最佳热点，D-SERS方法对常规SERS难以检测的目标物的增强效果显著。

图1 D-SERS原理及Ag NPs在甘油和水体系中的组装过程示意图Fig.1 Schematic diagram of the D-SERS principle and sketches of the assembly process of Ag NPs in glycerol and water system

1.1.2 基于生物适配体SERS方法的毒素检测生物适配体是在体外筛选的能特异性识别目标物的单链或双链寡核苷酸序列，能形成立体结构，并可通过空间构象的适应与目标分子高特异性、高亲和力地结合，具有易修饰、灵敏度高等优势，广泛应用于毒物检测。Zheng等[19]将一种适配体M-30f传感器用于石房蛤毒素的测定，其原理是在68 ℃条件下，毒素破坏适配体的构象，导致含有选择性结合结晶紫的G-四联体的适配体构象发生变化，使结晶紫分子从金纳米粒子中释放出来，SERS信号减弱。该生物传感器对STX的检测限为11.7 nmol/L，在10～200 nmol/L范围内的线性相关系数为0.991。通过将ExoⅢ 催化的靶循环扩增与适配体DNA的特异性识别相结合(图2)，Han等[20]提出了一种高灵敏SERS检测黄曲霉毒素B1(AFB1)的方法，在模拟添加AFB1标准品的花生样品中，AFB1的检出限为0.4 fg/mL。Lin等[21]将核-卫星纳米结构和核酸外切酶辅助的双重放大策略应用于赭曲霉毒素A的超灵敏检测，放大策略包括：(1)外切酶Ⅲ辅助的高效循环扩增诱导目标物信号放大；(2)核-卫星纳米结构辅助形成SERS“热点”诱导信号放大。该方法对红葡萄酒中赭曲霉毒素A的检出限为0.83 fg/mL。基于适配体识别的毒物检测方法，能够对目标物进行特异性靶点识别，但由于该法孵育时间长，且大多是通过指示分子的信号变化反映目标毒物检测效果的间接检测，因而限制了其实际应用。

图2 检测黄曲霉毒素B1的SERS适配体传感器示意图[20]Fig.2 Schematic illustration of the SERS aptasensor for aflatoxin B1 detection[20]

1.1.3 基于SERS直接或联用方法检测毒素直接检测策略能够直观展示目标物的特征峰位与光谱特点，有利于对信号归属进行判断。Simona等[22]提出了3种不同的软骨藻酸(DA)SERS检测方案,在海水溶解、用海水稀释纯水DA溶液及4-氨基苯硫酚氨基官能化的Ag NPs中的检出限分别为0.33 nmol/L、0.033 nmol/L和4.16×10-4mol/L。Glamuzina等[23]开发了一种显微SERS方法对冈田软海绵酸(OA)、鳍藻毒素-1(DTX-1)和鳍藻毒素-2(DTX-2)进行检测。根据C—CH3结构在1 017 cm-1处的指纹峰可以从OA中区分DTX-1和DTX-2。在酸性或钾盐溶解状态下，OA在0.81 μmol/L～84.6 nmol/L浓度范围内表现出高重复性，而其铵盐的SERS信号存在轻微变化。对含有57.91 μg/kg扇贝毒素的扇贝组织进行显微SERS评价，通过与LC-MS方法对比，验证了该毒素检测方法的有效性。随着分析技术的不断发展，方法联用是一个值得探索的方向。Li等[24]采用双锥体金纳米晶-金纳米簇双模式探针高通量同时检测了黄曲霉毒素B1、B2、G1、G2、M1和M2。当激发波长为365 nm和785 nm时，可以分别产生荧光和SERS信号，避免了相互干扰。与单一SERS或荧光相比，SERS-荧光联用方法提供了更宽的光谱范围。相对于间接检测，直接检测或方法联用策略更具有实际检测前景。

1.2 气体、刺激剂毒物SERS检测

气体毒物主要通过呼吸道进入体内，可在短时间内引起呼吸障碍、皮肤及粘膜化学灼伤等。谢剑炜研究员领衔的研究团队基于有孔Au@SiO2壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱和诱导团聚原理，建立了芥子气及其结构类似物2-氯乙基乙基硫醚、硫二甘醇、芥子亚砜和芥子砜的现场检测与区分方法[25]。以有孔Au@SiO2核壳型纳米粒子为基底，加入 0.1 mol/L MgSO4溶液诱导纳米颗粒团聚形成丰富“热点”的纳米结构，实现了10 μg/L芥子气的快速检测，线性范围为 10～1 000 μg/L。该方法能够直接应用于自来水、湖水样品中芥子气的检测，回收率为 88%～114%。刺激性毒剂也具有损伤效果。林汉杰[26]通过考察温度、浓度以及外加电解质溶液的影响，建立了刺激剂二苯并[b,f]-1,4-氧杂吖庚因(CR)的SERS测定方法。滴加硝酸、硫酸或盐酸溶液能使银溶胶体系中的 CR产生很强的 SERS信号。其原因在于，外加电解质溶液会使胶体的双电层电位发生变化，进而影响待测物与纳米颗粒的相互作用，并产生显著特征峰信号[27]。

1.3 合成药毒物SERS检测

合成药毒物是指涉及投毒、误服、自杀和医疗纠纷的合成或半合成药品。利用增强试剂的有效团聚可提供高密度“热点”。Guo等[28]首次报道了琥珀胆碱(SUX)的现场SERS检测方法，发现由于分析物与Au NPs之间的静电作用增强，使得Au NPs的吸附容量增大，提高了检测灵敏度，血浆和尿样中SUX的检测限分别为1、10 μg/L。陆峰等[29]通过浓缩的银溶胶增强试剂增加单位面积内的“热点”数目，避免了基底本身对目标物信号的干扰，实现了实际血清样品中黄嘌呤、茶碱、可可碱的有效区分，检测限分别为0.005、0.01、0.005 μmol/L。沈爱国等[30]利用 Au—S 之间的共价键作用，将对巯基苯硼酸(4-MPBA)自组装到纳米金表面，构建了三聚氰胺(MA)的检测平台。MA 与 4-MPBA 之间的氢键作用，使功能化的纳米金发生团聚，形成更多“热点”。以I715与I1076的比值为依据，可实现MA的定性及定量检测，线性检测范围为 0.1～1.5 μmol/L，检出限为 0.02 μmol/L。

通过相关技术联用检测实际样品是分析测试的新思路。陆峰等[33]采用改性SERS基底同时检测了牛奶中的三聚氰胺、二氰二胺、硫氰酸钠。首先利用壳聚糖改性滤纸去除牛奶中的蛋白质，再结合3.5 cm的展开距离进行色谱分离，并使用硼氢化钠还原银纳米颗粒自组装制备增强基底。该法对硫氰酸钠、三聚氰胺和二氰二胺的检测限分别达10、1、0.1 mg/L。许激扬等[34]建立了分子印迹技术(MIP)-SERS联用对中药中茶碱进行快速检测的方法。基于沉淀聚合方法合成 MIP微球，并利用其选择性吸附能力对复杂中药基质中的茶碱进行分离。该方法对茶碱的检出限低至 0.1 μg/L，并在止咳平喘类中药中检出了茶碱成分。

1.4 杀虫剂的功能化SERS检测

常用或毒物分析中的常见杀虫剂包括有机磷类、氨基甲酸酯类等。SERS检测杀虫剂的方法可以大致分为亚稳态或动态检测、基底功能化策略、内标法、联用方法等。

为了提高检测的重复性与稳定性，本研究团队在基底功能化组装方面进行了探索。设计和制备了高度均匀的金纳米粒子负载α-Fe2O3基底用于茶叶、水果表面福美双的原位SERS检测[39]。使用水热法合成了树枝状α-Fe2O3，并用电感耦合等离子体装置对其进行功能化处理，使其表面均匀致密地分布金纳米粒子，以金纳米棒包覆的Fe3O4(Fe3O4@Au NRs)微球作为磁性SERS基底，用于福美双检测[40]。该研究采用聚乙烯亚胺对Fe3O4微球进行功能化，使金纳米棒分布致密；并借助外部磁力将基底从果皮转移至载玻片上，避免了苹果成分的荧光干扰。本小组还构建了Au@PNIPAM/Ag复合SERS基底用于杀螟松的检测[41]。温度敏感型凝胶聚N-异丙基丙烯酰胺(PNIPAM)从溶胀到收缩状态的变化伴随Au和Ag纳米颗粒间距的准确调控，有利于有效热点的形成。通过采用甲氧基巯基聚乙二醇调控组装金纳米结构单元，形成间距为5 nm的致密单层膜，获得了巨大的信号增强[42]。结合三维拉曼光谱谱图研究和相对标准偏差(RSD)计算，证实了结构单元对10 nmol/L对氧磷的检测具备高重现性。

利用内标法、联用方法等能够实现不同检材中杀虫剂的检测。刘文涵等[43]采用银溶胶对亚胺硫磷的含量进行了SERS 测定。以硫氰化钾为内标物，基于亚胺硫磷的特征峰(503 cm-1)与SCN-特征峰(2 120 cm-1)峰高的相对强度比建立线性回归方程。其线性范围为 5.0×10-7～1.2×10-5mol/L，相关系数为0.997 8，检出限为2.82×10-7mol/L，回收率为 88.7%～110%，RSD小于8.0%。艾施荣等[44]利用二维相关光谱(2DCOS)对大米中甲基毒死蜱的SERS光谱进行解析，筛选出4个与甲基毒死蜱浓度变化相关的特征谱峰，建立了大米中甲基毒死蜱的支持向量机分析模型，可用于毒物残留的估测。Huo等[45]将基于金纳米棒的SERS传感平台用于湖水、柑橘、苹果和植物叶片中甲基对硫磷的快速指纹检测，甲基对硫磷在加标湖水中的检测限为1 μmol/L，在水果和植物叶片表面的检测限为110～440 ng /cm2。

1.5 挥发性毒物的SERS检测

1.6 金属毒物的SERS检测

金属毒物是能够引起急慢性中毒的金属单质及化合物。常见的有毒金属元素包括砷、汞、铅等。Chen等[49]合成了基于罗丹明衍生物连接的Au NS@Ag核壳纳米立方体(CSN)，可对牛奶中的Hg2+进行检测。随着银壳层厚度的增加，CSN球形核的SERS活性增强。对Hg2+检测的线性范围为0.01～1 000 mg/L，检出限为5.16 μg/L。Dou等[50]将4,4′-联吡啶(Dpy)功能化的Ag NPs修饰在毛细管内壁作为SERS传感器用于水中Hg2+的检测。该方法可利用毛细力直接采集样品，并结合便携式拉曼光谱仪进行现场分析。Hg2+的存在使Dpy分子从Ag NPs表面分离并与Hg2+配位，导致SERS信号减弱。Hg2+浓度在1～100 μg/L范围内与SERS信号强度呈线性关系，检测限为0.1 μg/L。Kuang等[51]通过碱基对间的T-Hg2+-T作用介导单链DNA转化为双螺旋DNA对Hg2+进行检测，DNA修饰的金纳米粒子被组装成链状结构，该纳米链状结构的长度与汞离子质量浓度在0.001～0.5 ng/mL范围内成正比，检测限低至0.45 pg/mL。Wang等[52]将单链寡核苷酸探针固定在Ag NRs阵列上制备SERS传感器，用于水中痕量汞离子的检测(图3)。探针由15个胸腺嘧啶组成，3′端标记Cy5分子，5′端标记巯基。胸腺嘧啶可与Hg2+特异性结合形成T-Hg2+-T结构，导致Cy5的SERS信号猝灭，从而实现汞离子的检测。其线性范围为1 pmol/L～1 μmol/L，检测限为0.16 pmol/L。该SERS传感器可从10种其它离子的混合溶液中准确识别出汞离子。本研究团队基于置换原理利用对氨基苯硫酚(PATP)耦合金多层膜结构检测Hg2+[53]。分别通过光波导(OWG)技术和SERS捕捉Hg2+参与反应前后多层膜与拉曼信号的变化，并利用PATP介导光还原λ-DNA修饰的银纳米粒子的团聚作用，使其具有高光学活性并起到信号放大效应[54]，实现了低于pmol/L水平的饮用水中超痕量Hg2+的检测。另外，Yang等[55]利用多面体银纳米晶的Langmuir-Blodgett组装体，借助800 cm-1处As—O键的对称伸缩振动，在水中检测了痕量砷酸盐和亚砷酸盐。纳米八面体粒子能够在1 μg/L水平上实现砷酸盐的检测。目前，由于金属的结构特点与存在形式，针对金属毒物的SERS检测多数集中在汞离子和砷酸盐检测方面，且大多属于间接检测方式。

图3 Hg2+ SERS传感器的制备和应用示意图[52]Fig.3 Schematic illustration of the preparation and application of the proposed Hg2+ SERS sensor[52]

1.7 水溶性无机毒物的SERS检测

亚硝酸盐是典型的水溶性无机毒物，亚硝酸根可迅速将血红蛋白氧化为高铁血红蛋白，失去携氧功能，导致缺氧而中毒。沈爱国教授团队设计了一种纳米铃粒子SERS活性基底，以巯基苯甲酸为内标分子，将其自组装到聚赖氨酸修饰的毛细玻璃管针尖上制备微滴管针。通过虹吸作用将含有亚硝酸根的待测物吸入针尖，在酸性条件下，亚硝酸根可以与对巯基苯胺反应生成对-二巯基偶氮苯，产生新的SERS谱带，从而实现亚硝酸根的定性及定量分析[56]。

2 总结与展望

SERS方法具有快速、高灵敏、指纹识别、无损伤的特点，在现场检测公共安全类毒物方面具有独特优势。针对实际的应用场景，SERS检测的目标毒物种类将不断丰富，毒物的SERS数据库也会持续完善。

从基础研究角度分析，相关研究内容可能会从更多关注检测结果逐渐向关注检测过程转变。在一个特定体系内，影响SERS检测的因素往往有很多，哪个环节是主要因素，是物理作用还是化学效应占据主导位置，可能会是一个关注点。比如目标分子在纳米粒子表面存在何种相互作用，表界面的结合方式如何等。

从应用角度来讲，未来可能的研究方向主要集中在：(1)增强基底方面，制备普适性或通用性增强基底，提高检测灵敏性和重复性。首先，SERS增强基底应能够大规模合成与批量制备；其次，需要保障基底生产时同批次和批次间的效果稳定性；更重要的是，增强基底应满足不仅能检测一种或几种目标毒物，还应实现对同类型毒物或常见毒物分子用一种SERS基底即能检测的效果。(2)仪器智能化方面，优化便携仪器的软硬件，完善全自动操作，关注高通量检测。与实验室大型拉曼光谱仪相比，现场应用条件下，仪器的操作需体现智能化效果，使非专业人员简单甚至一键操作就能得到直观结果。同时，亟需开发高通量检测技术以提高大批量样品的检测效率。(3)复杂环境下的检测应用方面，需结合前处理技术，提取复杂基质中的目标物。由于在进行实际样品检测时，存在基质干扰的情况，为了去除干扰成分，需研究样品的分离、富集技术，选择合适的沉淀剂、萃取剂等。随着技术的不断进步，相信SERS方法在公共安全事件的现场快速检测方面将拥有广阔的应用前景。