基于毛细流动驱动和ZIF-8增强的纸质表面增强拉曼光谱（SERS）技术，用于实现对乙酰氨基吡啶残留物的超高灵敏度现场定量分析

《Food Bioscience》：Capillary Flow-Driven, ZIF-8-Enhanced Paper-Based SERS for Ultrasensitive and On-Site Quantification of Acetamiprid Residues

本研究开发了一种基于ZIF-8的便携式银纳米颗粒滤纸（Ag@FP@ZIF-8），用于快速检测果蔬中 acetamiprid残留。通过优化材料组合，实现了1.401×10^13的高增强因子，检测限0.01 mg/kg，满足欧盟标准，显著提升灵敏度及稳定性。

　　

周明|程军|庄顺倩|陈松亭|孙英英|徐江|谢云飞

江南大学食品科学与技术学院，中国江苏省无锡市蠡湖大道1800号，214122

摘要

农产品中残留的乙酰甲胺磷（AAP）对食品安全构成威胁。传统的表面增强拉曼散射（SERS）检测方法存在一些问题，如基底制备复杂且成本高昂，以及由于低浓度下分子的随机扩散导致难以有效利用SERS热点，从而降低了检测灵敏度。本文引入了高吸附性的2-甲基咪唑锌盐（ZIF-8），并开发了一种便携式的超灵敏银纳米粒子滤纸（FP），该滤纸负载了2-甲基咪唑锌盐（Ag@FP@ZIF-8）。使用手持式拉曼光谱仪测量时，发现罗丹明6G（R6G）的增强因子（EF）值为1.401×10¹³。更重要的是，在室温下密封避光保存45天后，信号保留率仍保持在92%以上。此外，该滤纸具有良好的均匀性，相对标准偏差小于8.5%。将手持式拉曼光谱仪与之前提出的毛细管辅助采样方法结合使用，能够在短时间内从苹果、梨和白菜叶片中提取出AAP。白菜的检测限为0.01 mg/kg，符合欧盟委员会法规（EU）2025/158的要求。该方法有望发展成为一种快速、可部署的现场农药筛查解决方案。

引言

化学农药在现代农业生产中变得越来越重要，它们在提高生产效率和疾病防控方面发挥着重要作用。其中，新烟碱类杀虫剂由于其高效、广谱和强系统吸收性，已成为全球使用最广泛的杀虫剂类别（Klingelh?fer, Braun, Brüggmann, & Groneberg, 2022; Yao & Zhou, 2024）。乙酰甲胺磷（AAP）作为一种典型的新烟碱类杀虫剂，被广泛用于控制多种作物害虫。大量研究表明，它不仅对重要的授粉昆虫（尤其是蜜蜂）具有急性致死作用，还会造成显著的亚致死伤害（Erban, Markovic, & Sopko, 2024; Kang et al., 2024; Tadei, Silva, Mathias da Silva, & Malaspina, 2024）。水果和蔬菜中的乙酰甲胺磷残留物可通过食物链在人体内积累，引起困惑、抽搐甚至呼吸抑制等症状。目前，水果和蔬菜中乙酰甲胺磷的检测方法主要依赖于高效液相色谱（HPLC）（Lu, Zhang, Lin, Chen, Li, & Zhang, 2022; Selahle, Mpupa, & Nomngongo, 2022）、气相色谱-质谱（GC-MS）（Sharma et al., 2022; Tripathy et al., 2022）和酶联免疫吸附测定（ELISA）（D. Li et al., 2024; Zhu et al., 2024）。尽管这些仪器和方法具有较高的灵敏度和准确性，但它们存在样品预处理复杂、耗时且成本高、操作技术要求高以及便携性差等问题，难以满足现场检测的需求。因此，迫切需要建立一种稳定且高效的策略，以实现快速、灵敏地识别水果和蔬菜中的乙酰甲胺磷残留物。

拉曼散射技术可以通过测量激光的非弹性散射光来识别和分析物质的组成、结构和状态，就像“指纹”一样（Wang, Fang, Wang, & Xiong, 2024）。然而，其固有的弱信号限制了其在痕量分析中的应用。表面增强拉曼散射（SERS）通过巧妙利用金属纳米结构的等离子体共振效应，将拉曼信号放大到实用水平（Lin et al., 2023; Ma et al., 2024）。例如，设计了一种具有双重信号的新型磁性表面增强拉曼散射适配体传感器（Dong, Zhu, Shi, He, Wu, & Feng, 2024）。使用β-环糊精修饰的CuO保护银纳米粒子基底用于水果中乙酰甲胺磷的SERS检测（B. Yang et al., 2025）。此外，基于分子印迹聚合物的电化学SERS传感器（MIP-EC-SERS）也被用于检测植物中的乙酰甲胺磷残留物（Tang, Wu, et al., 2025）。传统SERS基底的制备过程通常较为复杂，限制了其大规模应用。其次，在检测低浓度分析物时，由于分子的随机扩散，SERS热点的有效利用率不高，导致检测灵敏度有限。

金属有机框架（MOFs）是具有可调孔隙、可变结构、大比表面积和良好稳定性的多孔晶体纳米材料。这些特性使它们在有机小分子的筛选和富集方面表现出色，并且在增强SERS基底和分子的结合能力方面具有显著优势。近年来，越来越多的金属有机框架材料被应用于SERS领域，以实现农药的有效捕获和检测（Pu, Tian, Shang, Zhang, Ma, & Xu, 2024; Xue, Fu, Zhang, Ren, & Liu, 2024）。然而，基于MOFs的SERS农药检测方法仍存在一些问题：1）MOFs在金属纳米粒子表面的分布均匀性难以控制，导致“热点”分布不均和信号重复性低（Quan, Weng, Zhu, Li, & Zhao, 2025）；2）大多数Au/Ag-MOFs基质结构较硬，不适合捕获和检测具有曲面（如水果表皮）的农药（Pu et al., 2024）；3）MOFs与金属纳米粒子（如Au/Ag NPs）之间的复合界面在激光照射或化学环境中可能会发生脱附或氧化（Sunil, Narayana, Kumari, & Jayaramulu, 2023; Tran, Nguyen, Ly, Joo, & Vasseghian, 2023）。

正如我们之前的研究所示，我们使用Ag@FP基底结合CA-SERS技术检测了苹果皮上的噻虫啉残留物（Cheng et al., 2025），进一步降低了检测限。本研究的核心创新是“Ag@FP@ZIF-8”复合结构柔性SERS基底。ZIF-8的作用是在AgNPs表面的SERS热点内吸附和浓缩AAP分子。银纳米粒子表面的羟基（-OH）可以与ZIF-8的咪唑环形成弱氢键，使ZIF-8均匀地负载在AgNPs表面，避免了MOFs与贵金属之间的常见界面脱离问题。需要注意的是，所有检测过程都可以使用手持式拉曼光谱仪原位进行，整个采样和测试过程仅需3分钟。

材料

硝酸银（AgNO₃，99%）、六水合硝酸锌（Zn (NO₃)₂·6H₂O）、氨水（25%）和氢氧化钠（NaOH，96%）均购自中国上海的Sinopharm Chemical Reagent Co., Ltd。2-甲基咪唑购自中国苏州的Greit公司。罗丹明6G（R6G，99%）购自中国上海的Aladdin Co., Ltd。乙酰甲胺磷（99%）购自中国常州的Macklin Co., Ltd。滤纸（纤维材料，定性滤纸1001）

Ag@FP@ZIF-8的合成条件优化

首先，为了探索Ag@FP@ZIF-8基底的最佳合成条件，我们使用0.1 mg/L的乙酰甲胺磷标准溶液作为目标分析物进行检测。如图2a所示，3至6分钟内拉曼信号强度与时间呈正相关。6分钟后，拉曼信号强度随时间逐渐减弱。乙酰甲胺磷的特征峰在628 cm^-1和2160 cm^-1处的强度也

结论

总之，我们成功开发了一种新型、便携且高灵敏度的SERS平台（Ag@FP@ZIF-8），用于快速现场检测水果和蔬菜中的乙酰甲胺磷残留物。当ZIF-8金属有机框架（MOFs）与银纳米粒子涂层滤纸结合时，其出色的分子富集能力和强大的等离子体增强效应产生了协同效应，使R6G的增强因子达到1.401×10¹³。

作者贡献声明

陈松亭：验证、研究。孙英英：监督、软件开发。庄顺倩：方法学、研究。周明：撰写初稿、可视化、方法学、研究、数据分析。程军：撰写、审稿与编辑、监督、数据分析、概念构思。徐江：监督、审稿与编辑、资源管理、项目协调、资金筹集、概念构思。谢云飞：撰写、审稿与编辑、监督、资源管理、项目协调、资金获取、概念构思

未引用参考文献

Li et al., 2024; Li et al., 2024; Tang et al., 2025.

利益冲突声明

作者声明没有可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

本项目得到了中国自然科学基金（编号32261133623）和中国国家重点研发计划（2022YFF1100803）的财政支持。