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表面增强拉曼光谱（SERS）基体Au/4-ATP-ro-GO通过罗-氧化石墨烯（ro-GO）与4-氨基苯硫酚（4-ATP）的键合增强AuNPs负载密度，结合QuEChERS预处理可在10分钟内同步检测牛奶中硝基呋喃妥因（NFT）、四环素（TC）、磺胺嘧啶（SD），检测限低至8.6–15.3 ng·g?1，显著优于传统液相色谱联用质谱法。
孙月波|王仕|胡媛玲|韩瑞萱|王佩龙|程杰
中国农业科学院农产品质量标准与检测技术研究所农产品质量安全国家重点实验室，中国北京100081
摘要
合成了一种基于金纳米颗粒的SERS基底，这些金纳米颗粒通过4-氨基硫酚（4-ATP）接头锚定在氧化还原石墨烯（ro-GO）上。4-ATP的巯基与金纳米颗粒之间的强相互作用提高了金纳米颗粒在GO表面的负载密度。研究还表明，分析物在金纳米颗粒表面的吸附是由于目标分子中的含氧官能团与GO表面的正电荷碳原子之间的相互作用驱动的，从而提高了SERS传感的灵敏度。结合优化的预处理方案，该混合基底能够在10分钟内同时检测牛奶样本中的三种残留抗生素——硝呋妥因、四环素和磺胺嘧啶，检测限低至8.6–15.3 ng·g-1。与国家标准方法相比，这种SERS方法在保持检测性能的同时提高了分析效率，显示出在实际应用中的巨大潜力。
引言
自抗生素被发现以来，它们对人类健康和农业生产率做出了巨大贡献。然而，抗生素的滥用日益成为令人担忧的问题。抗生素的过度使用和不当应用导致了环境污染，并威胁到公共卫生，这凸显了开发检测方法以识别农业和环境样本中抗生素残留物的紧迫性。传统的抗生素残留物检测技术主要包括高效液相色谱（HPLC）[1]、气相色谱与质谱联用（GC-MS）[2]以及液相色谱与质谱联用（LC-MS）[3]。尽管这些技术具有高精度、高通量和优异的准确性，但它们需要较长的分析时间和较高的仪器成本，因此不适用于快速现场检测。为应对这些挑战，研究人员探索了多种替代策略，如酶联免疫吸附测定（ELISA）[4]、电化学方法[5]、荧光传感技术[6]和表面增强拉曼光谱（SERS）[7]，这些方法拓宽了可用的检测技术范围。
SERS作为一种快速分析技术，通过增强基底来放大目标分析物的“分子指纹”信号，从而实现了高灵敏度的检测，显示出在传感分析中的巨大应用潜力。SERS技术的基础在于有效基底的设计和制备。在应用于抗生素检测时，必须考虑几个关键因素。首先，基底必须具有足够的稳定性和重复性。传统的贵金属溶胶基底往往具有不稳定的“热点”，并且在长期储存过程中容易自发聚集；而固体基底也面临目标分子随机扩散到“热点”区域的挑战，导致信号一致性差。为了解决这一问题，研究人员使用多孔有机材料来封装或支撑等离子体纳米颗粒。通过将这些材料的多孔结构限制住等离子体组分，可以更好地控制“热点”的形成，防止不受控制的聚集，并增强目标分析物的吸附和浓度，从而显著提高检测灵敏度[7],[8]。例如，程杰团队[9]成功制备了一种基于锆的金属有机框架（MOF），并将其与金纳米颗粒结合使用，用于检测2,3,7,8-四氯二苯并-p-二氧英（TCDD），显示出显著的SERS效率。MOF层通过强的π-π相互作用选择性地捕获微量TCDD分子，随后通过Au-Cl键合机制将其积累在金表面，能够在半小时内检测到低至1.2 pg·L-1的浓度。这类基底的特异性识别能力源于多孔有机框架的富集机制，这取决于孔径、内在结构特征和与目标分析物的化学相互作用。
氧化石墨烯（GO）作为一种二维功能材料，由于其丰富的表面官能团而在光谱传感领域得到了广泛应用。它可以容易地分散在溶液中，并与目标分子相互作用，其众多的含氧官能团为表面修饰和分子捕获提供了丰富的活性位点。此外，与三维多孔有机框架相比，GO的二维结构避免了与孔径相关的限制，从而增强了其同时识别多种抗生素的能力。目前的GO集成平台主要是通过GO的表面修饰或与其他功能材料的结合来引入额外性能。研究还发现，GO表面含氧官能团的浓度与衍生基底的SERS活性之间存在显著关系[10]。因此，增加这些官能团的密度和工程化GO表面已成为设计和优化基于GO的SERS基底的关键策略[11],[12],[13]。
在本研究中，将GO进行深度氧化以生成ro-GO，使用过氧化氢来增加表面含氧官能团的密度。随后，在KOH溶液中，通过4-ATP结构中的氨基与ro-GO上的含氧官能团之间的亲和相互作用，将4-ATP连接到ro-GO表面[14]。然后，通过金纳米颗粒（AuNPs）与4-ATP中的巯基之间的配位相互作用，将AuNPs稳定地锚定在ro-GO表面[15]，从而制备出具有良好密度和稳定性的Au/4-ATP-ro-GO基底。目标化合物通过氧化石墨烯（GO）上的含氧官能团与分析物分子之间的相互作用积累在AuNPs表面，从而增强了它们的拉曼信号，并实现了硝呋妥因（NFT）、四环素（TC）和磺胺嘧啶（SD）的同步SERS检测。结合快速样品制备技术QuEChERS（快速、简便、经济、有效、耐用和安全），该方法能够在牛奶样本中检测到低至8.6–15.3 ng·g-1的三种抗生素。与传统的LC-MS/MS技术相比，这种分析方法实现了基于SERS的快速检测，从而扩展了食品中抗生素检测的快速现场分析技术范围。
试剂和材料
氯金酸（>47.8%水合物）、过氧化氢（H2O2，30%）和氢氧化钾（KOH，电子级，纯度99.99%）由中国医药化学试剂有限公司（上海）提供。1,2-双（吡啶基）乙烯（BPE）、SD、NFT和TC（浓度为100 μg·mL-1）由J&K Scientific（北京）提供。甲醇、乙腈和丙酮（HPLC级）由ANPEL实验室技术公司（上海）提供。4-ATP（纯度≥98%）由...
Au/4-ATP-ro-GO的制备及形态表征
提高GO表面含氧官能团的密度是提高其表面负载能力的基本前提。为此，选择H2O2作为氧化剂，在紫外光照射下对GO进行深度氧化，生成ro-GO。随后，用4-ATP对ro-GO进行功能化，形成4-ATP-ro-GO。这一修饰步骤基于氨基之间的胺介导的亲和驱动的环开反应。
结论
合成了一个由AuNPs通过4-ATP接头修饰在ro-GO表面的混合结构。通过优化4-ATP的用量和等离子体AuNPs的粒径，制备的Au/4-ATP-ro-GO基底成功用于三种抗生素化合物NFT、SD和TC的SERS检测。GO的深度氧化提高了SERS传感的灵敏度，而4-ATP的加入则提高了传感的稳定性。结合快速的样品处理...
CRediT作者贡献声明
孙月波：撰写——初稿，实验研究。
胡媛玲：方法学设计。
王仕：实验研究。
王佩龙：撰写——审稿与编辑，监督。
韩瑞萱：验证。
程杰：撰写——审稿与编辑，项目管理，资金获取，概念构思
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家重点研发计划（项目编号：2021YFD1700300）、国家自然科学基金（项目编号：32472435）、北京自然科学基金（项目编号：Z250016）以及中国农业科学院农业科技创新计划（项目编号：CAAS-ASTIP-IQSTAP-04）的资助。
