枯拉定

我国是茶叶生产和消费大国，茶文化历史悠久，2021年全国18个主要产茶省茶园面积为326.41万hm2，干毛茶产量306.32万吨，产值约2928.14亿元。作为一种人们日常饮品，其质量安全至关重要。在茶叶种植生长过程中，为防治病虫害，经常会使用一些除草剂和杀虫剂，但不合理用药可能会带来一系列的食品安全风险问题。百草枯是一种快速灭生性除草剂[1]，可以使植物快速枯萎，除草效果好，见效快，但百草枯有剧毒，残留的百草枯能够导致人体不同程度的肾功能损害以及衰竭[2]。敌百虫是一种乙酰胆碱酯酶抑制剂，可对节肢类害虫起到灭活作用[3]，但该药物同时又对人体有很强的毒害作用，会严重损伤人体生殖与神经系统[4]。因此，控制茶叶中农药残留量对守护居民健康有着重要意义。常用的农残检测方法有气相色谱法、液相色谱法、气相色谱-质谱法、液相色谱-质谱法等。色谱与质谱方法检测结果准确可靠，具有较高的精确度和可重复性，常作为仲裁法使用，但是存在检测时间长、仪器体积大、设备昂贵且操作复杂，无法应用于生产现场等问题。相对于传统的检测技术而言，表面增强拉曼光谱（SERS）技术具有灵敏、快速、便携和准确等优势，被广泛应用于环境监测、食品监督、生物医学、药品检验和刑事技术等领域。将SERS技术应用于茶叶中的农药残留检测，有助于茶叶现场快速检测，保障茶叶的质量安全。2试验方法本文采用上海如海光电仪器公司生产的RMS1000手持式拉曼光谱仪进行数据采集，通过上海如海光电提供的预处理算法进行光谱预处理。测试参数：激发波长785 nm；激光功率150 mw；积分时间为1 s~5 s。为提高实验准确性，每个样品均取10个不同的点进行测试，并计算10个点的平均拉曼光谱强度，得到所测农药的SERS光谱。3研究内容3.1 茶叶中百草枯的SERS检测图1 4种茶类中不同浓度百草枯的SERS光谱: (a) 绿茶；(b) 红茶；(c) 乌龙茶；(d) 黑茶分别对绿茶、红茶、乌龙茶、黑茶4种茶汤中百草枯进行SERS检测，检测结果如图1所示。图中可明显观察到百草枯843和1656 cm-1 两处拉曼特征峰，并且其拉曼峰强随百草枯的浓度的减小也依次降低。由图可知，绿茶、红茶、黑茶的最低可检测浓度为 1.86×10‒ 2mg/kg，乌龙茶的最低可检测浓度为1.86×10‒ 1mg/kg。最低检测浓度符合GB 2763-2021中关于百草枯在茶叶中的最大残留限量0.2mg/kg规定，表明SERS方法能够用于茶叶中百草枯残留的定性定量检测。以百草枯在 843 cm‒ 1处的特征峰值强度取对数(lgX)为横坐标，百草枯浓度取负对数(-lgY)为纵坐标建立线性回归方程，线性拟合结果如表1所示，线性相关系数r2均能超过0.9。表1不同茶类中不同浓度百草枯SERS光谱的线性分析3.2 茶叶中敌百虫的SERS检测图2 4种茶类中不同浓度敌百虫的SERS光谱: (a) 绿茶；(b) 红茶；(c) 乌龙茶；(d) 黑茶绿茶、红茶、乌龙茶、黑茶4种茶汤中敌百虫残留SERS检测结果如图2所示，从图中看到茶汤中的部分物质成分随着添加的敌百虫浓度增大，644、741、1328、1601 cm‒ 1等特征峰强度呈规律性降低，拉曼特征峰强与敌百虫浓度呈显著负相关性，可通过特征峰强度变化间接反映敌百虫浓度。在这项研究中，绿茶、红茶和乌龙茶中敌百虫检出限为 2.57×10‒ 2mg/kg，黑茶为2.57×10‒ 1mg/kg。根据GB 2763-2021规定茶叶中的敌百虫最大残留限量为2mg/kg，通过SERS方法得出的检出限可以达到敌百虫国家最大残留限量要求。在绿茶、乌龙茶、黑茶中，以644 cm‒ 1处的特征峰值强度，红茶检测中以740 cm‒ 1处的特征峰值强度建立线性回归方程，线性拟合结果如表2中所示，线性相关系数r2也均超过0.9。表2不同茶类中不同浓度敌百草SERS光谱的线性分析文献来源参考文献[1] 黄文倩. 水稻RMV1同源基因的鉴定与突变分析[D]. 浙江大学, 2021.[2] 朱伟, 范偲, 肖敏, 张光辉, 陈萍, 王可. 草铵膦和百草枯混合中毒1例报告[J]. 中国工业医学杂志, 2022, 35(1): 35‒ 36.[3] 范一文, 陈辉, 姜建国. 农业杀虫剂敌百虫对杜氏盐藻的毒性作用[J]. 现代食品科技, 2011, 27(8): 877‒ 880.[4] 黄航星, 陈燕敏, 郭海柔, 何焜鹏. 气相色谱法测定蔬菜中敌百虫的含量[J]. 食品安全质量检测学报, 2020, 11(12): 4127‒ 4131.本研究中用到的RMS1000，现已升级为RMS2000微型共聚焦拉曼光谱仪。RMS2000微型共聚焦拉曼光谱仪产品介绍RUHAIRMS2000是一款微型的785nm同轴共聚焦拉曼光谱仪，其采用全空间光设计，优化散热接口。可配置超短焦、线扫描、浸入式探头，支持Linux和Windows多种操作平台和主控系统，配备手机端（Andorid）和电脑端采集分析软件。具备非凡的分辨率、灵敏度、穿透能力和抑制荧光干扰能力。既可以单独使用也可以作为核心部件集成进拉曼自动化系统，满足科研院所，相关监管机构与企业在无机/有机材料、生物生命，化学/化工、药物分析，食品安全，刑侦鉴定，环境污染检测等研究中的需求。产品特点积小巧，重量轻，仅100×80×26mm和280g。空间光、微型共聚焦设计，最小光斑≤30μm。高分辨率（~6cm-1），高抑制荧光能力，能够轻松测量高荧光样品，获取拉曼光谱。高灵敏度，500ms即可实现常规化学品的拉曼光谱，最低可以检测0.3%的分析纯酒精。可配置线扫式探头，可以采集4.5mm*1mm的线扫光斑，降低样品照射功率密度。可配置浸入式拉曼探头，用于过程分析检测。支持手机和电脑双平台，方便户外现场直接测量。强大的软件分析功能，支持常规的HQI，峰位检索，深度学习神经网络等算法。

2011年10月14日，位于美国伍德兰德斯的理学美国公司（Rigaku Americas Corporation）很高兴地宣布，公司已收购了美国BaySpe公司手持式拉曼光谱技术与产品线，并由此成立了理学拉曼技术公司（Rigaku Raman Technologies Inc），用以研发、设计、生产、营销和分销相关产品。 　　而新成立的理学拉曼技术公司将分别设在美国加利福尼亚州圣何塞与美国德克萨斯州的伍德兰德斯，公司总裁兼首任执行官将由LED分析技术企业家Hal Grodzins先生担任，最初产品则包括FirstGuard™ 和Xantus™ 系列产品线，涵盖了532纳米、785纳米和1064纳米的样品激发波长产品。 　　今后，理学公司新型手持式拉曼仪器将结合光学频谱专利分析技术，并拥有先进、低成本的电信光学元件，可为客户提供快速、经济、易于使用的手持式化学鉴定和成分分析仪，用于爆炸物检测，包括简易爆炸装置(IED)的检测、毒品和其他受控物质的检测和鉴定、伪劣药品的检测、食品污染物的检测和识别等许多其它类型的样品，可以被广泛地用于国土安全、制药、化妆品、食品、啤酒和农业饲料行业的质量保证和控制，还可用于医疗诊断、石化勘探、过程控制、考古等领域。 　　关于BaySpec： 　　BaySpec公司成立于2000年，位于美国加利福尼亚州的硅谷Fremont，是领先的光学器件、光模块及子系统供应商。基于起自主知识产权，BaySpec设计，制造和销售先进的光谱仪器，包括UV-VIS-NIR光谱仪、近红外和拉曼分析仪等其它微型光谱仪器，还有软冷却/深冷却探测器和摄像机、激光等其它光学器件产品，非常适合用于生物制药、化工、食品、半导体、国土安全、光纤传感和光通信行业。

1998年初秋，我第一次离开故乡，踏上了来重庆的求学之路，心中的喜悦和忐忑夹杂在一起。喜悦是对即将到来的大学生活的向往，而忐忑则是对未来的迷茫，我会在这高等学府里遇见什么呢？我的人生之路又将如何呢？随后，四年本科和四年半的硕博连读（图1），求学生涯是那么的匆匆忙忙、转瞬即逝。九年间，我如饥似渴地学习，了解了很多新东西，掌握了很多新知识，但是，我要做什么？我能做什么？我内心仍然很迷惘。2007年，在导师黄尚廉先生的辅导下，我第一次撰写了国家自然科学基金（National Science Foundation of China, NSFC）申请书，并获得青年项目资助，随即开始从事面向显示的光栅光调制器的研究，这才算真正开始了自己的科研工作。2007年到 2009年，我的工作重心逐步过渡到基于光调制器的光谱检测领域，并于2009年再次获得NSFC面上项目资助。同年，我获得国家留学基金委资助，到加州大学伯克利分校访问。这是一所世界著名学府，有众多耳熟能详的著名学者，有世界顶尖的科学研究实验室，特别是当时的纳米加工实验平台让我见识了更多的纳米光学前沿研究工作。也正是这次访学，使我眼界大开，更加明晰了我的研究方向。图1 2006年冬，博士毕业答辩2010年回国以后，我注意到自己前期开展的光栅光调制器研究与在伯克利访学期间从事的碳纳米管相关研究之间有很大的差异。如何把二者有机结合起来？如何把新型的纳米材料研究与自己的光学工程学术背景相结合，做一些有创新性的工作？这些问题一直回荡在我脑海里。碳纳米管有极大的比表面积，可以吸附更多的金属纳米结构，将有可能产生强的局域电场，如果将它与拉曼光谱检测结合，有可能实现痕量分子的检测，这种检测在食品安全、水污染等领域有着重要的研究意义。为此，我把自己研究的注意力转移，集中到表面增强拉曼散射机理和基底的构筑方向上，开始了拉曼散射的研究。2013年，我获得了第三个自然科学基金项目资助，开始“基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列三维结构的光流控SERS（surface-enhanced Raman scattering，表面增强拉曼散射）微系统研究”，实现了痕量分子（液态）的检测。有一次去中科院重庆绿色智能研究院交流学习，有幸认识了在拉曼光谱领域有深厚功底的刘玉龙老师，他给了我很多拉曼散射研究方面的建议和意见（图2）。随后，我成为了《光散射学报》编委委员，参加了多次的光散射学会的学术会议，和光散射学会的前辈和同行有了更多的学术交流，对拉曼散射的理解也不断的加深，我的一些研究思路也得益于和他们的不断讨论。我的第一个博士生张晓蕾的课题为“碳纳米管/银复合结构的拉曼增强机理和实验研究”，我们采用磁控溅射和高温退火的方法将银纳米粒子修饰到碳纳米管管壁。其中，溅射银的厚度、退火温度、气体配比、退火时间等参数都需要多少次的实验和摸索，张晓蕾博士经常在实验室工作到深夜。攻读学位期间，她两次拿到博士研究生国家奖学金，获得王大珩光学奖高校学生奖等一系列奖励，并于2018顺利毕业（图3）。我经常会回忆起和她一起工作情景，讨论实验方案，开展实验过程，探索过程的艰苦，看见实验结果的喜悦，点点滴滴都是那么的难以忘怀。图2 2018年，刘玉龙老师来重庆大学指导工作图3 2018年夏，第一个博士生张晓蕾毕业答辩2018年，我的工作面临一个重要的选择：是继续深入研究纳米材料和构筑纳米结构为主？还是以SERS检测技术为主，并逐步在国民经济的重要领域开展应用探索？我选择了后者。这种方向的选择带来了很多新的问题，经费紧张，加工困难、博士生招生受挫等等。那些日子工作压力非常大，开车上下班的路上脑子都是增强拉曼散射新思路的构想。本来就消瘦的我，加上愁容满面，同事们经常怀疑我患病了。很幸运，我于2018年第四次获得NSFC项目资助，开展“全光纤表面增强拉曼散射气体检测关键技术研究”。气体的拉曼散射截面小，其拉曼信号非常微弱，SERS基底的构筑、拉曼信号收集效率等都需要进一步的优化和提高。在这个研究过程中，我们考虑在SERS定量检测方面做一些工作，我们以碳纳米管和石墨烯有典型特征拉曼峰为参照，构筑了自标定SERS基底，在增强拉曼信号的稳定性方面做了大量的工作。这里不得不提到我的一个硕士研究生尹增鹤，他刚刚入校的时候，和我讨论研究方案，分析实验结果总是显得很懵，我曾一度担心他不能按时毕业。没想到，他经过三年的努力，在自标定理论机理和实验方面做了大量深入的探索，极大提高了SERS基底的性能，他也获得了2019年重庆市优秀硕士学位论文奖；这也是我作为导师以来，培养的第一个获得省部级学位论文奖的学生。2019年，由于在光栅光调制器、微型光谱仪以及拉曼光谱检测技术领域的工作成绩，获得了重庆市杰出青年基金的资助，它既是奖励，也是鞭策。2020年以来，根据科研工作的需求，同时考虑到自己在学校主要讲授《物理光学》和《傅里叶光学》等课程，有不错的理论基础，我对波导增强拉曼和SERS耦合的产生了研究兴趣。我的研究工作进一步扩展到波导-SERS双增强拉曼传感领域，我的思路是把拉曼增强传感器和拉曼光谱采集系统一体化设计，并集成在一片光子芯片上；2021年，这个思路使我获得了第五个NSFC项目资助。波导-SERS双增强芯片的研究，有望在拉曼传感器性能、拉曼光谱仪体积、应用场合等多个方面取得新的突破；但其中有太多的科学问题和技术问题需要解决，真是路漫漫兮！过去的十多年里，我所在的“光微纳器件及系统”研究小组为解决现场光谱检测系统难以实现小型化、高一致性、高灵敏度等问题，以光微纳器件及系统中光调制技术及器件研究为基础，提出了将MEMS光调制器与单点探测器结合的近红外光谱检测的新方法，实现了近红外光谱仪的微型化，极大程度上减小了光谱仪的台间差，为近红外快检技术的大规模应用打下了良好的基础；随后将研究从吸收光谱进一步拓展到散射光谱，开展了表面增强拉曼散射技术研究，揭示了SERS增强检测中光子、表面等离子激元、分子间耦合相互作用和自标定机理，完成了表面增强拉曼器件和便携式拉曼光谱仪研制，在现场快检光谱学方面形成了一定的研究特色（图4）；我们获得了2020年度重庆市技术发明二等奖。今年的十一月中旬，我参加了颁奖大会，高兴的同时，我更感到责任重大（图5）。图4 研制的各类型光谱仪，SERS器件图5 2021年初冬，参加重庆市科学技奖励大会过去的十年，我国的拉曼散射、增强拉曼散射、拉曼光谱仪、拉曼光谱应用等研究都获得了蓬勃发展；十年岁月，我把青春留在实验室、讲台上，也留在了每一个SERS和拉曼光谱检测的新构想里；十年时光，见证了我科研工作中的风风雨雨，也见证了我成长路上的喜怒哀乐。“无情岁月增中减，有味科研苦后甜”，人生路上的下一个十年，我将继续在拉曼散射研究路上奋力前行！作者简介： 张洁，重庆大学，教授。主要研究方向：增强拉曼散射，拉曼光谱系统。作为项目负责人，主持国家自然科学基金五项、国防特区科技创新项目一项、重庆市杰出青年基金一项等。获2020年度重庆市技术发明二等奖（排名第一）。