农业生产离不开农药的使用，然而，由于地势和气候等条件的影响会存在农药喷洒过量的问题出现，导致农作物表面农药残留。人体摄入会引发代谢功能紊乱和肥胖等症状出现，严重的危及生命安全。三环唑和抑霉唑作为常用的杀菌剂，能有效预防果蔬真菌病害，延长保鲜期，应用较为广泛。所以如何高效检测农作物表面农残已成为热门研究课题之一。目前，发展成熟的检测方法包括气相色谱（GC）、高效液相色谱（HPLC）以及生物传感器法等，上述方法虽然都具有高精度，但对于果蔬类即食农作物很难等到检测结果出来再流入市场，需要一种既不牺牲灵敏度又可现场快速检测的方法，实现对果蔬表面农药残留达到痕量水平鉴定分析。
天津工业大学陈英波教授团队研发了一种柔性且透明的SERS基底，该基底的优势是易于切割和弯折，可通过「粘贴」或「拭子」的方式提取不规则样品表面的待测物，实现无损检测。SERS基底的工艺流程是引入含氟单体先制备出FPI膜，随后通过液相还原法在膜表面原位生长金属银层，成功制备FPI@Ag SERS基底，该方法制备成本低，操作简单。实验过程中通过调控液相还原法次数控制薄膜表面银颗粒尺寸和分布密度从而进一步控制局域表面等离子体「热点」分布。对探针分子1-4, -BDT的检测限可达10-10 mol L−1，增强因子 (EF) 为1.57 × 107，相对标准偏差 (RSD) 为7.49 %。在三环唑浓度范围在100 mg L−1到0.01 mg L−1范围间可实现定量分析。对三环唑和抑霉唑两种农药的混合，其拉曼特征峰仍可以很好的区分。
图1. 液相还原法制备透明可折叠FPI和 FPI@Ag薄膜 (NaBp和AgNO3-PVP) 制备流程图及其在农药SERS传感器中的应用
图2 (a-e) 为FPI和FPI@Ag复合膜的表面形貌图。FPI膜表面光滑，经液相还原后Ag纳米颗粒在膜表面生长，出现白色凸起颗粒，且随着循环次数的增加粒径逐渐增。EDS显示凸面小颗粒为银元素，分布相对均匀。从宏观图片也可看到膜的颜色发生了变化从无色到浅黄色再到暗黄色。图2（f）是含氟聚酰亚胺合成过程中的红外谱图，其中亚胺环C-N-C伸缩振动峰的出现和羧基的伸缩振动吸收峰消失证明了FPI膜被成功合成。图2（g）和（h）证明银层的引入对FPI膜的热性能几乎无影响，对薄膜的透光度有很大负面影响。
图2. FPI和FPI@Ag复合膜的特征；(a-e) FPI、FPI-Ⅰ、FPI-Ⅱ、FPI-Ⅲ、FPI-Ⅳ的SEM图像和 (c′) EDX图 (f) FTIR光谱 (g) 热重曲线，(h) 光学透过率紫外光谱
图3为FPI膜的柔性表征图。薄膜可弯曲180◦无碎裂（弯曲率为1◦/s），扭转至62◦（扭转率为1◦/s）发生碎裂。
图3. FPI膜柔性测试：(a) 弯曲测试; (b)扭转测试
图4为优化后的1,4- BDT模型，发现Ag NPs和苯环平面之间存在一定的角度，推测银团簇和探针分子间的吸附角度接近垂直方向。
图4. 优化的结构模型: (a) 1,4- BDT分子，(b) 1,4- BDT-Ag2
图5为FPI@Ag SERS基底对探针分子1, 4-BDT的拉曼谱图分析。图 (a) 探究液相还原次数对探针分子的特征峰强的影响，三个明显的特征峰分别位于1100, 1345和1617 cm−1处。图 (b) 为三个特征峰的SERS强度和FPI膜背景峰的比率，发现峰强比率随着液相还原次数的增加而增大。然而，液相还原次数超过两次在1555 cm−1处出现明显的新峰且逐渐增大，这是FPI膜自身的基底峰，为了避免基底峰的干扰，实验采用液相还原次数不宜超过两次。图 (d) 显示1, 4-BDT浓度低至10-10 mol L-1时，特征峰信号仍然可以识别，该SERS基底可达到单分子水平。图 (e) 显示峰强度差 (1100, 1345和1617 cm-1) 和探针分子浓度的对数存在线性相关性，函数关系为y=3422-226 x, y=16559-1448 x和y=15768-1483 x，我们选择了同一批不同的SERS基底来测试拉曼信号的稳定性，如图5 (c) 和 (f)所示，可以看出FPI@Ag SERS基底具有优异的稳定性。
图5. (a) 液相还原循环次数对SERS强度的影响（探针分子浓度：10-5mol L-1); (b) 1, 4-BDT的三个特征峰在不同FPI@Ag基底的相对强度比较; (d) 不同浓度(10-10 ~ 10-2 mol L-1) 1, 4-BDT在FPI-I基底上的SERS光谱; (e) 1-4 BDT浓度范围内峰值强度差(1055、1345和1617 cm-1)的线性相关关系; (c) 和 (f)同一批次不同SERS基底的稳定性测试
图6 (a) 为三环唑的SERS谱图，其在580 cm-1和1364 cm-1处的SERS特征峰明显，最低检测限到0.01 mg L-1，远远低于国家标准规定的食品中三环唑最大残留限量2 mg L-1。图6 (b) 显示了三环唑浓度与拉曼特征峰相对强度的关系。为了展示SERS基底的重现性，我们在同一批次基底中随机选取15个点，如图6（c）和（d）所示。结果显示基底具有良好的再现性（RSD = 4.34 %和6.62 %）。
图6. (a) 农药三环唑在浓度范围 (0.01ppm-100 mg L−1) SERS光谱；(b) 三环唑浓度的对数和特征峰 (580和1364 cm−1) 的相对强度的非线性拟合曲线 (c) 50 ppm三环唑在580 cm−1和 (d) 1364 cm−1处的拉曼强度直方图
图7显示的是农药抑霉唑的固体粉末、溶液状态以及滴在SERS基底表面的拉曼光谱图，可以看出在364、920、1278和1392 cm-1处发现明显特征峰。后将三环唑和抑霉唑两种农药按照不同比例混合，如图7 (b)所示。可以得出结论，本实验制备的FPI@Ag SERS基底可以很好区分混合农残且具有较好的实际应用价值。
图7. (A) 抑霉唑的拉曼增强光谱以及固体粉末和2.5×10-2 mol L-1乙醇溶液的常规拉曼光谱; (B) FPI@Ag膜上三环唑和抑霉唑混合农药的SERS光谱。
以上成果发表在Analytica Chimica Acta。论文第一作者为天津工业大学材料科学与工程学院，分离膜与膜过程国家重点实验室的魏思宇，通讯作者为陈英波教授。原文链接：https://doi.org/10.1016/j.aca.2023.341958
