利用SERS技术快速检测番茄中的戊唑醇残留物，以保障食品安全

《Talanta》：SERS-enabled rapid detection of difenoconazole residues in tomatoes for food safety applications

番茄中多杀菌素（DFZ）残留的快速检测方法：开发Ag纳米颗粒修饰α-Fe?O?纳米棒SERS基底，结合电磁与化学增强机制，检测限达9.5×10?? M，结构稳定且重复性好。

　　

Hoai Nhan Luong|Le Ngoc Thu Nguyen|Ngoc Bao Tri Pham|Le Thai Duy|Cong Khanh Tran|Ngoc Phuong Nguyen|Thanh Van Tran Thi|Dung My Thi Dang|Sutthipoj Wongrerkdee|Phan Phuong Ha La|Vinh Quang Dang

越南胡志明市Cho Quan区科学大学，邮编70000

摘要

番茄在全球范围内消费量巨大，而difenoconazole（DFZ）被广泛用于保护番茄作物免受真菌病害的侵害，这使得DFZ残留成为日益严重的食品安全问题。表面增强拉曼散射（SERS）提供了一种快速且超灵敏的农药监测方法，但大多数与DFZ相关的研究仅依赖于贵金属的电磁增强效应。将金属与能够实现强电荷转移相互作用的半导体结合，可以进一步增强化学效应，显著提高低浓度物质的检测能力。在本研究中，我们开发了一种采用银纳米颗粒修饰的α-Fe₂O₃纳米棒作为SERS基底（Ag NPs/α-Fe₂O₃ NRs），用于快速检测DFZ。这种结构具有丰富的活性位点，并协同实现了电磁和化学增强效应，从而在痕量水平下产生强烈的拉曼信号。该基底对标准DFZ溶液的检测限可达9.5 × 10^-9 M，对番茄样品的检测限可达32 μg/kg。与基于粉末的基底相比，这种直接生长的基底还改善了信号的一致性和重复性。这些结果表明，Ag NPs/α-Fe₂O₃纳米棒SERS基底是一种快速、灵敏且可靠的工具，可用于监测番茄中的DFZ残留，确保农业食品安全。

引言

在农业生产中，作物容易受到昆虫、细菌和霉菌的侵害，其中霉菌由于其多样性和快速繁殖能力而构成重大威胁。此外，霉菌还为许多其他类型的细菌提供了生长条件，对人类健康构成风险[1]。为了防止霉菌感染并减少经济损失，人们经常使用农药，但这引发了人们对食品和环境中化学残留物的担忧。Difenoconazole（DFZ）是一种常用的杀菌剂，具有持久性且难以自然降解，长期接触已被报道会与人类血清白蛋白结合，并增加患肝癌的风险[2],[3],[4],[5]。因此，快速检测收获后的水果和蔬菜中的DFZ残留对于保证食品质量至关重要。

为了准确检测DFZ，已经开发了多种分析方法，包括高效液相色谱-质谱（HPLC–MS）、气相色谱-质谱（GC–MS）和酶联免疫吸附测定[6],[7],[8]。尽管这些技术在检测痕量DFZ时具有高灵敏度，但它们通常体积庞大、成本高昂、耗时较长，不适合现场分析。相比之下，表面增强拉曼散射（SERS）作为一种强大的替代技术，能够快速且低成本地检测低浓度分析物，这得益于便携式和手持式拉曼设备的普及[9],[10]。因此，SERS在实验室和现场检测农药残留方面具有很大的应用前景。近年来，许多研究展示了使用不同基底设计进行DFZ残留检测的可行性。例如，Huang等人（2016年）利用胶体金纳米颗粒检测小白菜中的DFZ，检测限为414.3 μg/kg[11]；Wang等人（2018年）使用Au@Ag核壳纳米颗粒结构在葡萄上检测DFZ，检测限为48 μg/kg[12]；Nguyen和Nguyen（2022年）利用装饰在蝉翅上的银纳米颗粒在土豆上检测DFZ，检测限为63 μg/kg[13]。尽管之前的研究取得了令人印象深刻的结果，并展示了基于纳米材料的SERS基底在DFZ检测中的潜力，但大多数研究主要集中在开发基于贵金属纳米颗粒的SERS基底，通过电磁增强机制来增强DFZ的拉曼信号。相比之下，化学增强机制的贡献很少被考虑。众所周知，SERS效应主要源于两种机制：电磁增强和化学增强。因此，结合这两种增强机制有望进一步提高SERS的性能并扩展其分析能力。电磁增强机制基于金属纳米颗粒与激光光源激发光相互作用时表面电磁场强度的增加[14]；而化学增强机制则涉及增强材料表面与目标分子之间的相互作用。当这些材料暴露在拉曼光谱仪激光的激发光下时，材料与吸附在其表面的分子之间会发生电荷转移，导致分子电子结构发生变化[15]。根据分子极化张量的变化，这种变化可能会增强拉曼信号。因此，同时利用这两种增强机制有望获得更好的检测效果。

除了金属纳米颗粒外，半导体纳米材料也是SERS的潜在基底材料，因为它们具有高化学稳定性、可控的能带结构以及使用多种经济可行的合成方法[16]。更重要的是，半导体纳米材料由于其独特的表面特性，能够表现出化学增强效应[17],[18]。然而，一些带隙宽且电荷寿命短的半导体可能会阻碍拉曼信号的增强；这可能是将其应用于SERS的主要障碍[19]。此外，目标分子的轨道能级（HOMO和LUMO能级）与半导体的能带（价带和导带）必须匹配良好，以实现有效的电荷转移。因此，选择与特定目标分子能量匹配的半导体至关重要，因为这可以改善化学增强效应。

几种代表性的半导体材料，如TiO₂、ZnO和CdS，已被广泛研究作为SERS基底[20],[21],[22]。然而，这些材料各具局限性。例如，TiO₂和ZnO具有高稳定性，但它们的宽带隙限制了可见光的吸收，从而降低了电荷转移过程的效率[23],[24]；尽管CdS的带隙较窄，有利于可见光的吸收并促进电荷转移增强，但它具有毒性和在光照下的稳定性较差。相比之下，α-Fe₂O₃（赤铁矿）材料因其约2.2 eV的窄带隙而特别值得关注[25]，这使得它能够被常用的拉曼光谱激光有效激发，产生自由电荷载流子，从而通过化学增强机制增强拉曼信号。此外，赤铁矿还因其化学稳定性和无毒性质而在许多领域具有广泛应用，包括磁应用、气体传感、药物输送技术和光催化[26],[27],[28],[29],[30]。因此，α-Fe₂O₃是一种有前景的SERS基底材料。

此外，许多最新研究证实了将不同基底材料结合到SERS基底中的优势。实际上，材料组合通过形成异质结降低了电子-空穴复合率，因为它们的费米能级对齐在界面或结处产生了局部电场[31]。因此，多项研究报道了结合Fe₂O₃和贵金属纳米颗粒来通过电磁和化学机制增强SERS的效果。例如，Kalingarayanpalayam Matheswaran Arun Kumar等人（2024年）使用Ag NPs/α-Fe₂O₃雪花结构检测硝基呋喃唑[32]；Elumalai Ashok Kumar等人（2022年）使用Ag/α-Fe₂O₃海胆结构检测日落黄和酒石黄[33]；Deribachew Bekana等人（2018年）使用Ag/α-Fe₂O₃纳米片检测砷[34]；Di Xu等人（2021年）使用Ag@Fe₂O₃混合结构检测罗丹明6G和结晶紫[35]。尽管已有研究报道了基于α-Fe₂O₃–贵金属杂化SERS基底对多种分析物的检测效果，但本研究提出了一种独特的基底架构，即直接在刚性基底上生长垂直排列的α-Fe₂O₃纳米棒，并用银纳米颗粒进行修饰。除了这种基于纳米棒的结构尚未用于DFZ检测外，本研究的独特之处还在于其垂直有序且开放的纳米棒形态，保持了较大的可接触表面积和强大的分析物吸附能力，可与复杂的α-Fe₂O₃形态（如海胆[33]、纳米片[34]和雪花[32]）相媲美。值得注意的是，纳米棒之间的无障碍空间增强了银纳米颗粒在相邻纳米棒上产生的电磁场利用，从而提高了SERS增强效果。从能级角度来看，α-Fe₂O₃的导带最小值约为-4.8 eV，价带最大值约为-7.0 eV[36]，这些能级与DFZ的最高占据分子轨道（HOMO）和最低未占据分子轨道（LUMO）-5.4 eV和-1.6 eV相匹配[37]，从而促进了α-Fe₂O₃与DFZ之间的有效电荷转移，通过化学增强机制增强了SERS性能。与基于粉末或密集堆积的结构相比，直接生长的纳米棒阵列具有更好的机械稳定性、更强的基底附着力和高度均匀的SERS响应，信号重复性在25个测量点上得到了验证。最后，对两种化学性质不同的探针分子（罗丹明B和DFZ）的研究进一步揭示了Ag NPs/α-Fe₂O₃纳米棒系统的SERS增强机制，突显了其在检测有害有机化合物方面的广泛应用潜力。因此，本研究的目的是为SERS应用的材料系统和结构设计提供探索和理性指导，同时推动SERS方法向实际应用更紧密的对齐。

材料

实验过程中使用了以下化学试剂：所有化学品均为分析级，无需进一步纯化。三氯化铁六水合物（FeCl₃·6H₂O，固体，≥ 99%）、硝酸钠（NaNO₃，粉末，≥ 99%）、硝酸银（AgNO₃，固体，99.8%）、葡萄糖（C₆H₁₂O₆，粉末，≥99.5%）、氢氧化钾（KOH，片状，90%）、氢氧化铵溶液（NH₄OH，液体，28–30% NH₃）和difenoconazole（C₁₉H₁₇C₁₂N₃O₃，粉末，≥ 95%）。

α-Fe₂O₃纳米棒（α-Fe₂O₃ NRs）和银纳米颗粒修饰的α-Fe₂O₃纳米棒（Ag NPs/α-Fe₂O₃ NRs）的表征

由于银纳米颗粒（Ag NPs）的负载量对SERS性能至关重要，我们研究了不同的沉积时间（2分钟、4分钟、6分钟和8分钟）。如图S1（a-d）所示，2分钟时几乎没有Ag NPs在α-Fe₂O₃纳米棒上结晶；随着沉积时间的增加，Ag NPs开始出现并在6分钟时达到最大密度。值得注意的是，8分钟时观察到覆盖纳米棒的连续薄膜，这可能是由于形成了银层（类似镜面的效果）。

结论

总之，基于Ag NPs/α-Fe₂O₃ NRs结构的SERS基底由于形成了多个热点和化学活性位点，从而显著增强了拉曼信号，实现了电磁和化学增强机制的协同效应。此外，该基底的大表面积促进了DFZ分子的强吸附，即使在低浓度下也能实现高灵敏度。该基底的检测限低至9.5 × 10^-9

CRediT作者贡献声明

Vinh Quang Dang：撰写、审稿与编辑、监督。Phan Phuong Ha La：数据管理。Le Thai Duy：方法学研究。Ngoc Bao Tri Pham：实验研究。Le Ngoc Thu Nguyen：数据分析。Hoai Nhan Luong：初稿撰写、概念构思。Dung My Thi Dang：数据分析。Thanh Van Tran Thi：数据管理。Ngoc Phuong Nguyen：方法学研究。Cong Khanh Tran：实验研究。Sutthipoj Wongrerkdee：数据分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本研究由越南胡志明市国立大学（VNU-HCM）资助，项目编号为VL2025-18-02。作者感谢泰国物理卓越中心提供的XPS测量支持。