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分子光谱5系列丨“鉴”你所见，食品的光谱“盛宴”（三）苹果皮上的杀虫剂检测——拉曼SERS技术

发布：天美仪拓实验室设备（上海）有限公司

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前言

保护粮食作物对世界食物链至关重要，农药是杀死、击退和控制害虫的重要工具。全世界每年使用约200万吨农药，预计这一数字会随着时间的推移而增加¹。然而，农药会对水系统、野生动物（如蜜蜂）、空气、土壤造成严重的环境问题。此外，报道显示，农药对人类健康的影响范围从短期影响（如皮肤刺激、头痛）到慢性影响（如哮喘、癌症）不等^2-4。

减少农药危害的一种方法是限制农药在农作物上的残留浓度。这可以通过分析农作物和确定农药含量来控制的。

苹果是农药残留量最大的水果之一，因此生产商在向大众出售苹果时必须遵守一系列规定。

图1：亚胺硫磷的化学结构

亚胺硫磷是一种用于苹果树上的有机磷杀虫剂，用于控制干蛾，2018年联邦法规规定，亚胺硫磷对苹果的农药残留允许量为10ppm。高效液相色谱法、质谱法和气相色谱法是目前用于低浓度检测的常用技术。然而，这些相对耗时和昂贵，拉曼光谱提供了几个优点，如快速、非破坏性的指纹识别、几乎不需要样品制备。

表面增强拉曼散射（SERS）是一种应用于拉曼光谱的增强技术，提供较低的检出限。SERS提供高达10¹⁰~10¹⁵的信号增强，并且有效地猝灭分析物的荧光。商用SERS底物很容易获得，使SERS分析技术成为低浓度检测的可用技术。

材料及方法

使用配备785nm激光器和600gr/mm光栅的RM5显微拉曼光谱仪对样品进行分析。利用金SERS衬底提供增强效果（由于金纳米粒子通常在520nm~580nm区域有吸收，因此金SERS衬底的首选激发波长为785nm）。

制备10ppm和1ppm的亚胺硫磷溶液，各取6μL的亚胺硫磷溶液滴至SERS底物孔中，晾干后进行分析。

为了制造一个受污染的苹果样品，将少量10ppm的亚胺硫磷溶液滴在清洁的苹果皮上。晾干后，用湿棉签擦拭苹果皮的表面，并将其放入少量的水中。移取该样品6μL到SERS底物上进行分析。

将SERS衬底置于拉曼光谱仪的显微镜下，用785nm的激光在5秒的曝光时间内激发样品，对其进行分析。由于不需要空间分辨率，针孔直径设置为2mm（用于最大化拉曼信号）。

图2：苹果皮亚胺硫磷残留分析的实验流程

图3中粉色标记的光谱是用10ppm的亚胺硫磷处理过的擦拭苹果皮样品信号。光谱比10ppm的亚胺硫磷溶液噪声大，但是仍然可以观察到明显的信号峰，峰解析见图4。

图4中的波数分析表明了拉曼光谱的指纹区域可以识别农药的特定官能团⁵。10ppm溶液光谱中观察到的大多数峰信号，在苹果拭子光谱中也很容易看到。经过平滑和归一化后，拉曼光谱很容易识别亚胺硫磷的图谱特征。

图3：三种亚胺硫磷溶液以及苹果皮拭子样品的拉曼光谱图

图4：10ppm亚胺硫磷溶液以及苹果拭子样品的拉曼光谱图分析

结论

本文展示了一种用于监测苹果果皮上低浓度农药的无损采样和分析技术。金SERS底物可以用来增强亚胺硫磷的拉曼光谱，在联邦法规规定的残余量下进行有效识别浓度。

参考文献

1.Sharma, A. et al. Worldwide pesticide usage and its impacts on ecosystem. SN Appl. Sci. 1, (2019)；

2.Kim, K.-H., Kabir, E. & Jahan, S.A. Exposure to pesticides and the associated human health effects. Sci Total Environ. (2017)；

3.Bonner, M. R. & Alavanja, M. C. R. Pesticides, human health, and food security. Food Energy Secur. 6,89-93（2017）；

4.Rani, L. et al. An extensive review on the consequences of chemical pesticides on human health and environment. J. Clean. Prod. 283, 124657 (2021)；

5.Jiang, L. et al. Rapid detection of pesticide residues in fruits by surfaceenhanced Raman scattering based on modified QuEChERS pretreatment method with portable Raman instrument. SN Applied Sciences. (2019).

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