FSHW | 一种基于2D打印的用于检测牛奶中三聚氰胺的SERS柔性基底|ml|sers|三聚氰胺|基质|柔性基底|水溶液|牛奶

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Introduction

三聚氰胺是一种三嗪类含氮杂环有机化合物，由于其氮含量高（66.6%）常被非法添加到牛奶和各种乳制品中。三聚氰胺本身没有较高的毒性，但摄入人体后经过一系列的新陈代谢反应对肾功能造成伤害，会诱发膀胱癌。常用的福美双检测方法有光谱法、气相色谱法、高效液相色谱法以及液相色谱-质谱联用等。然而，尽管这类方法具有较高的灵敏度和准确性，但在检测过程中，通常需要对样本进行转换、提取、净化等处理；需要复杂的预处理，如浸泡、提取、浓缩等，比较耗时。表面增强拉曼散射（SERS）是一种先进的表面分析技术，能够极大地提高吸附在贵金属表面或附近分子的拉曼散射信号。SERS技术具有选择性好、灵敏度高和检测速度快等优点。基于此，山西农业大学陈益胜教授团队通过研制具有自主知识产权的 2D打印设备，将银纳米颗粒均匀地打印到滤纸上形成柔性SERS基底，实现了良好的基底灵敏度、均匀性和稳定性。这种方法的优点是它可以按需打印，节约打印材料，并最大程度地保留纳米银的形貌特点并同时具有较高的SERS响应值。本研究以便携式拉曼光谱仪为测试工具，使用所制备的新型柔韧性较强的SERS基底对牛奶中的三聚氰胺进行检测成功。如下图1展示了该基底良好的检测灵敏度高和特异性，证明了该技术的优势以及在实际应用中具有广泛的前景。

Results

灵敏度检测及性能分析

以三聚氰胺为探针分子，系统地研究了SERS柔性基底的基本性能，如图2A所示，该基底可鉴定出浓度范围为10−5～10−1 mg/mL的三聚氰胺系列水溶液。为了确定载有样品的SERS基质的稳定性，将15 µL三聚氰胺（1 mg/mL）标准溶液滴到基质上，并在5 d内每天测定信号变化。5 d的信号变化表明，底物稳定性随着储存时间的增加而逐渐降低（图2C和D）。然而，即使在5 d后，674 cm−1的峰值强度仍保持在其初始值的72.84%，表明AgNPs/GF SERS底物表现出优异的稳定性。这满足SERS衬底的商业生产和运输的要求。

图2 灵敏度与稳定性分析图

基底均匀性检测及性能分析

对单个基底进行了均匀性测试。如图3所示：通过1 mg/mL三聚氰胺标准水溶液滴在SERS基质上，随机选择多达20个位点进行测量。图中的SERS光谱A图是这20次测量的结果，测量结果显示SERS信号重复率均为100%。如图3B，673 cm−1的峰强度几乎没有变化，RSD仅为3.36%，表明SERS底物的性能具有良好的稳定性。为了测试AgNPs/GF基质的不同批次间的均匀性，随机选择10个不同批次进行检测（图3C）。结果显示，10种底物对三聚氰胺（1 mg/mL）具有几乎相同的敏感性。不同批次的SERS光谱、强度和RSD结果如图3D-F所示。不同批次的平均信号强度的标准偏差分别为9.5%（590 cm−1）、4.9%（674cm−1），表明这些不同的样品批次在信号增强方面表现出轻微的差异。简言之，不同批次的AgNPs/GF基质只表现出轻微的内部差异，适合工业化大规模生产。

图3 均匀性分析图

牛奶样品中三聚氰胺的快速筛选

为了研究AgNPs/GF是否适用于检测真实样品中的三聚氰胺，我们评估了原料奶中三聚氰胺的含量。如图所示，SERS强度和三聚氰胺浓度之间获得了令人满意的线性曲线（R2＝0.99092），计算出的LOD为1.9498×10−5 mg/mL，低于美国和欧盟的安全限值（2.5×10−3 mg/mL）和以前报告中的其他方法。很明显，建立的三聚氰胺快速检测平台即使在低浓度下仍可以对特定目标进行准确的定量分析。

Conclusion

研究建立了以打印制备SERS活性试纸条为基础，便携式拉曼光谱仪快速筛检牛奶中三聚氰胺的方法。研究显示，打印制备的试纸条具有良好的SERS检测灵敏度、吸附均匀性，使得SERS测试结果重现性良好。对于三聚氰胺标准溶液，SERS检测灵敏度可达到10-5 mg/mL，对于加标牛奶样品，SERS检测灵敏度可达到10-4 mg/mL。综上，证明本论文所建方法可以有效应用于牛奶样品中是否含有检测范围内的三聚氰胺初步判定，为筛检定量工作提供初步判断，可提高相关检测工作效率，节省时间。

第一作者

王诗瑶，博士毕业于太原理工大学，山西农业大学（山西省农科院）副教授。研究方向为功能材料制备、农药残留检测。主持省部级项目3项，发表相关论文11篇。

通信作者

陈益胜，德国理学博士，山西农业大学（山西省农科院）教授，博士生导师。主持完成国家自然科学基金，科技部十三五重点研发（子课题），江苏省自然科学基金等国家和省部级项目，发表SCI期刊研究文章三十多篇。现担任FOOD SCIENCE AND HUMAN WELLNESS期刊青年编委，山西省食品科学技术学会理事。获德国”Dieter Jänchen Award for Young Researcher”一等奖，排名第1；广东省科技进步二等奖，排名第8。

Facile SERS screening of melamine in bovine milk with 2D printed AgNPs/glass fabric filter paper as the flexible substrate

Shiyao Wanga,b,1, Yanan Zhaoa,b,1, Xiao Weic, Yisheng Chena,b,*

a College of Food Science and Engineering, Shanxi Agricultural University, Taigu 030801, China

b Food Nutrition and Safety Institute, Shanxi Agricultural University, Taiyuan 030031, China

c School of Food Science and Technology, Jiangnan University, Wuxi 214122, China

1 Both authors contributed equally.

*Corresponding author.

Abstract

Melamine is one of the most frequently detected adulterants in dairy products. The current study proposes a surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS)-based analytical tool for fast and reliable screening of melamine in bovine milk. A hand-held Raman spectrometer was used in conjunction with a substrate composed of silver nanoparticles (AgNPs) that was 2D printed onto glass fiber (GF) filter paper. Under optimized conditions, a sensitive and fingerprint-like signal at 674 cm−1 was obtained. The AgNPs/GF substrate exhibited high sensitivity to melamine in milk down to 1.9498×10−5 mg/mL, which is well below the USA and EU safety limits (2.5×10−3 mg/mL). Remarkably, the proposed technology was also highly reproducible, showing spot-to-spot and block-to-block variations below 3.3% and 4.9% at 674 cm−1 in Raman intensity, respectively. The characteristic peak intensity and concentration of melamine showed an acceptable linear relationship (R2=0.9909) within the range of 0.0001-1 mg/mL. Overall, the method established in this study can provide an efficient and effective method for the quantitative target screening and detection of melamine in dairy products.

Reference:

WANG S Y, ZHAO Y N, WEI X, et al. Facile SERS screening of melamine in bovine milk with 2D printed AgNPs/glass fabric filter paper as the flexible substrate[J]. Food Science and Human Wellness, 2024, 13(5): 2595-2600. DOI:10.26599/FSHW.2022.9250208.