輻照聚丙烯的ESR法鑒定

宋業(yè)萍 王傳現(xiàn) 黃 帆 楊振宇 仲維科耿金培 陸 地 丁卓平

1（上海海洋大學(xué)食品學(xué)院 上海 201306）

2（上海出入境檢驗(yàn)檢疫局 上海 200135）

3（中國(guó)檢驗(yàn)檢疫科學(xué)研究院 北京 100025）

4（煙臺(tái)出入境檢驗(yàn)檢疫局 煙臺(tái) 264000）

食品輻照可在保持食品的營(yíng)養(yǎng)品質(zhì)及風(fēng)味的前提下達(dá)到殺蟲(chóng)、殺菌、提高衛(wèi)生質(zhì)量、延長(zhǎng)貨架期的目的[1]，在食品行業(yè)的應(yīng)用逐漸廣泛。為提高我國(guó)食品輻照的規(guī)范程度[2]、加快我國(guó)輻照食品的商業(yè)化進(jìn)程[3]，同時(shí)也為保障消費(fèi)者的知情權(quán)、推動(dòng)我國(guó)對(duì)外貿(mào)易，大力開(kāi)展輻照食品檢測(cè)與鑒定技術(shù)研究，制定相關(guān)的輻照食品檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫。

電子自旋共振波譜法(ESR)可快速檢測(cè)鑒定輻照食品[4]，據(jù)歐盟標(biāo)準(zhǔn)[5–7]，ESR可鑒定含骨類(lèi)、纖維素類(lèi)、結(jié)晶糖類(lèi)食品的輻照處理與否。對(duì)ESR無(wú)法直接檢測(cè)的輻照食品，則可檢測(cè)其包裝材料，間接鑒定其輻照處理與否。例如，印刷色彩鮮明、遮蓋力強(qiáng)的飲料外包裝的聚丙烯(PP)，經(jīng)輻照后產(chǎn)生含有未成對(duì)電子的自由基，能被ESR檢測(cè)[8]。本研究對(duì)食品包裝材料聚丙烯的ESR進(jìn)行嘗試與探討。

1 材料與方法

1.1 樣品與儀器設(shè)備

聚丙烯，由上海出入境檢驗(yàn)檢疫局提供。ESR儀(X波段)和ESR管(內(nèi)徑5.0 mm)，德國(guó)Bruker；冷凍研磨機(jī)(SPEX6580)，美國(guó)SPEX公司；電子天平(精確到1 mg)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

聚丙烯用60Co γ射線在室溫有氧環(huán)境條件下輻照至0.5、1、2、3、5、8 或10 kGy，劑量體系為重鉻酸鹽劑量計(jì)。未輻照聚丙烯為對(duì)照。輻照與對(duì)照樣品均為粉末，用電動(dòng)粉碎機(jī)在室溫下粉碎，或用冷凍研磨機(jī)低溫磨碎。

ESR測(cè)量如下進(jìn)行：樣品量，0.25 g；ESR中心磁場(chǎng)，0.350 T，掃場(chǎng)寬度，0.02 T；微波頻率 9.8–9.9 GHz，功率4.9–5.1 mW；信號(hào)通道時(shí)間常數(shù)40.96 ms，掃描時(shí)間20.48 s；信號(hào)接收調(diào)制頻率100 kHz，調(diào)制振幅0.001 T，增益103–104；溫度，室溫。

2 結(jié)果與分析

2.1 輻照聚丙烯的ESR譜特征

聚丙烯是無(wú)毒無(wú)味的熱塑性樹(shù)脂，透明度和阻隔性較好，在醫(yī)療設(shè)備和包裝業(yè)中應(yīng)用廣泛。圖1(a)為未輻照聚丙烯的ESR譜，信號(hào)強(qiáng)度較低，且噪音較大；圖1(b)為2 kGy輻照聚丙烯的ESR譜，在磁場(chǎng)強(qiáng)度0.345–0.353 T出現(xiàn)典型的ESR特征波譜，信號(hào)強(qiáng)度大。輻照使聚丙烯發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生大量的過(guò)氧化自由基和少量的烷基自由基[9]，自由基含有未成對(duì)電子，具有凈電子自旋角動(dòng)量，形成具有特征性的ESR波譜。

圖1 聚丙烯輻照前后的ESR譜Fig.1 ESR spectra for polypropylene before (a) and after (b) 2 kGy irradiation.

g值(波譜分裂因子)表征未成對(duì)電子最大共振吸收的磁場(chǎng)位置，是未成對(duì)電子所在自由基的特征量，其決定ESR波譜中譜線的位置，是反映順磁中心的內(nèi)因性特征參數(shù)[3]。g值作為ESR波譜信號(hào)特征值，計(jì)算式gsignal為 ESR波譜信號(hào)的g值；gsignal=(71.448×νESR)/B，式中νESR為微波頻率(GHz)；B為磁場(chǎng)強(qiáng)度(mT)。

表1 不同吸收劑量聚丙烯的g值Table 1 gsignal for polypropylene with different absorbed doses.

由表 1，輻照聚丙烯的 g1=2.0350±0.0002，g2=2.0089±0.0002，g3=2.0052±0.0002。與 Silva等[10]計(jì)算結(jié)果相似，可作為定性判斷輻照聚丙烯的依據(jù)。

2.2 制樣方式選擇

本實(shí)驗(yàn)比較了兩種制樣方式對(duì)輻照聚丙烯ESR信號(hào)強(qiáng)度的影響。圖2是兩種方式制成的聚丙烯粉末輻照8 kGy的ESR譜。低溫研磨樣品的ESR信號(hào)強(qiáng)度明顯高于室溫粉碎樣品。室溫粉碎過(guò)程中產(chǎn)生明顯溫升，高溫會(huì)加速自由基的衰減[11]，使信號(hào)強(qiáng)度降低，故須用低溫冷凍研磨的制樣。ESR譜圖上下峰值高度為ESR信號(hào)強(qiáng)度，特征峰上下高度則為ESR輻照特征峰信號(hào)強(qiáng)度[12]。在實(shí)驗(yàn)中，一律采用右側(cè)信號(hào)強(qiáng)度較大的特征峰進(jìn)行定量分析。

2.3 貯藏條件的優(yōu)化

2.3.1 濕度的影響

樣品中水分會(huì)降低ESR特征峰的信號(hào)強(qiáng)度[13]，樣品須作恒溫干燥處理，使其盡可能干燥，再進(jìn)行ESR檢測(cè)。

圖2 不同制備方式的輻照聚丙烯粉末(8 kGy)的ESR譜Fig.2 ESR spectra for polypropylene irradiated to 8 kGy and powdered at different temperatures.

2.3.2 溫度的影響

圖3是8 kGy輻照聚丙烯在不同溫度下貯藏15 d后測(cè)得的 ESR 特征峰信號(hào)強(qiáng)度的變化。10oC–30oC下信號(hào)強(qiáng)度變化不大，但高于35oC信號(hào)強(qiáng)度顯著降低，且降低的幅度逐漸加大。這是由于溫度高加速了自由基的衰減過(guò)程[11]。

圖3 貯藏溫度與ESR信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 ESR intensity for polypropylene irradiated to 8 kGy and stored at different temperatures for 15 days.

2.3.3 光照的影響

圖4是8 kGy輻照聚丙烯在光照和避光條件貯藏后的ESR譜。避光貯藏樣品的ESR信號(hào)強(qiáng)度明顯高于光照樣品。光照也加快自由基衰減，輻照樣品須避光貯藏。

圖4 8 kGy輻照聚丙烯避光或光照儲(chǔ)藏后的ESR譜Fig.4 ESR spectra for polypropylene irradiated to 8 kGy and stored in dark or under illumination.

圖5 10 kGy輻照聚丙烯在不同微波功率下的ESR譜Fig.5 ESR spectra collected at different microware power for polypropylene irradiated to 10 kGy.

2.4 ESR信號(hào)強(qiáng)度與微波功率的關(guān)系

圖5是10 kGy輻照聚丙烯在磁場(chǎng)調(diào)制幅度為0.0005 T下，經(jīng)多次微波功率掃描所得的ESR譜。特征峰信號(hào)強(qiáng)度隨著微波功率增大，但微波功率較小時(shí)特征峰依然清晰，則微波功率對(duì)于能否檢測(cè)出輻照聚丙烯ESR特征信號(hào)的關(guān)系不大。后續(xù)實(shí)驗(yàn)的微波功率為5 mW。

2.5 ESR信號(hào)強(qiáng)度與調(diào)制幅度的關(guān)系

圖6(a)是10 kGy輻照聚丙烯在5 mW微波功率下，用不同調(diào)制幅度掃描所得的ESR譜。特征峰信號(hào)強(qiáng)度隨著調(diào)制幅度增大，且越發(fā)清晰；而調(diào)制幅度較小時(shí)噪音信號(hào)就較大，再小則更難辨別特征峰信號(hào)。實(shí)驗(yàn)得出的最佳調(diào)制幅度為0.001 T。圖6(b)為特征峰信號(hào)強(qiáng)度與調(diào)制幅度的關(guān)系，前者與后者呈正相關(guān)，擬合關(guān)系式為y=2×1011x2+6×108x–2118.6(R2=0.9989), 式中x為調(diào)制幅度(T)，y為ESR特征峰信號(hào)強(qiáng)度。

圖6 不同調(diào)制幅度下10 kGy輻照聚丙烯的ESR譜(a)和ESR信號(hào)強(qiáng)度-調(diào)制幅度關(guān)系(b)Fig.6 ESR spectra (a) under different modulation amplitudes for polypropylene irradiated to 10 kGy, and the ESR intensity as function of the modulation amplitude (b).

2.6 ESR信號(hào)強(qiáng)度與吸收劑量的關(guān)系

圖7(a)是聚丙烯接受不同劑量輻照后15 d在微波功率為5 mW、調(diào)制幅度為0.001 T的條件下測(cè)得的 ESR譜。ESR特征峰信號(hào)強(qiáng)度顯著地隨劑量增高，說(shuō)明輻照誘導(dǎo)聚丙烯產(chǎn)生的過(guò)氧化自由基與吸收劑量呈正相關(guān)；即便0.5 kGy輻照樣品仍可測(cè)得ESR譜，因此聚丙烯經(jīng)輻照處理的劑量檢出限可達(dá)0.5 kGy或更低。圖7(b)為特征峰信號(hào)強(qiáng)度與吸收劑量關(guān)系，線性擬合關(guān)系式為y=32953x+4195(R2=0.9928)式中，x為吸收劑量(kGy)，y為ESR特征峰信號(hào)強(qiáng)度。測(cè)量輻照聚丙烯的ESR信號(hào)強(qiáng)度，可用此式估算其吸收劑量，范圍為0.5–10 kGy。

圖7 不同吸收劑量聚丙烯的ESR譜(a)和ESR信號(hào)強(qiáng)度-劑量關(guān)系(b)Fig.7 ESR spectra (a) for polypropylene irradiated to different doses and ESR intensity as function of dose (b).

2.7 ESR信號(hào)強(qiáng)度與儲(chǔ)存時(shí)間的關(guān)系

圖8為不同劑量輻照聚丙烯ESR特征峰信號(hào)強(qiáng)度隨貯藏時(shí)間的變化，高劑量輻照的聚丙烯在貯藏初期衰減較為明顯，3–10 kGy的聚丙烯在前 30 d儲(chǔ)藏期信號(hào)衰減近60%，之后信號(hào)衰減緩慢并趨于穩(wěn)定。輻照后45 d時(shí)，0.5 kGy輻照聚丙烯的信號(hào)強(qiáng)度略接近未輻照樣品的信號(hào)，且特征峰模糊，認(rèn)為不能定性判斷其經(jīng)過(guò)輻照，所以?xún)H在輻照后30 d內(nèi)，能定性檢測(cè)劑量為0.5 kGy的聚丙烯，而其余劑量的聚丙烯在輻照后80 d內(nèi)都可被檢測(cè)到。

圖8 貯藏時(shí)間與ESR信號(hào)強(qiáng)度的關(guān)系Fig.8 ESR intensity vs storage time of polypropylene irradiated to 0.5–10 kGy.

3 結(jié)語(yǔ)

相對(duì)未經(jīng)輻照處理的聚丙烯，輻照聚丙烯通過(guò)ESR儀掃描檢測(cè)，ESR圖譜和g值產(chǎn)生了較大的差異，因此可以根據(jù)ESR圖譜和g值來(lái)定性判斷聚丙烯是否經(jīng)過(guò)輻照。為減小實(shí)驗(yàn)誤差，采用低溫制樣方式，樣品貯藏在10oC–30oC的避光干燥環(huán)境中。輻照聚丙烯的ESR特征峰信號(hào)強(qiáng)度與微波功率、調(diào)制振幅、吸收劑量成正相關(guān)，且滿足一定的關(guān)系方程，輻照后30 d內(nèi)劑量檢出限可低達(dá)0.5 kGy。說(shuō)明電子自旋共振波譜法是鑒定輻照聚丙烯的有效方法之一，為間接檢測(cè)其包裝的輻照食品提供依據(jù)。此外，樣品的純度等其它不確定因素可能會(huì)對(duì)ESR特征峰信號(hào)強(qiáng)度產(chǎn)生一定的影響[14,15]，這將是下一階段的研究重點(diǎn)。

1 Yuhei Shimoyama, Mitsuko Ukai, Hideo Nakamura. ESR detection of wheat flour before and after irradiation [J].Spectrochimica Acta Part A, 2006, 63: 888–890

2 張宏. 輻照食品的衛(wèi)生安全性研究和管理現(xiàn)狀[J]. 中國(guó)食品衛(wèi)生雜志, 2005, 17(4): 352–355 ZHANG Hong. Hygienic safety research and administration status of food irradiation [J] Chinese Journal of Food Hygiene, 2005, 17(4): 352–355

3 哈益明, 周洪杰. 輻照食品分析檢測(cè)技術(shù)的研究進(jìn)展[J]. 食品科學(xué), 2005, 26(6): 260–265 HA Yiming, ZHOU Hongjie. The review on analytical detection methods for irradiated foods [J]. Food Science,2005, 26(6): 260–26

4 Sulaxana Kumari Chauhan, Kumar R, Nadanasabapathy S,et al. Detection methods for irradiated foods [J].Comprehensive Reviews in Food Science and Food Safety, 2009, 8(1): 1–16

5 EN 1786:1996 Foodstuffs – detection of irradiated food containing bone, method by ESR spectroscopy (Method also adopted by the Codex Alimentarius Commission as a General Method)

6 EN 1787:2000 Foodstuffs – detection of irradiated food containing cellulose, method by ESR spectroscopy(Method also adopted by the Codex Alimentarius Commission as a General Method)

7 EN 13708:2003 Foodstuffs – detection of irradiated food containing crystalline sugars, method by ESR spectroscopy (Method also adopted by the Codex Alimentarius Commission as a General Method)

8 Faucitano A, Buttafava A, Mayer J,et al. ESR study of the effects of a charge scavenger on the radiolysis of isotactic polypropylene [J]. Radiation Physics and Chemistry, 1999, 54(2): 195–197

9 Jacobo Reyes, Carmen Albano, Marjorie Claro,et al.Electron spin resonance studies on PS, PP and PS/PP blends under gamma irradiation [J]. Radiation Physics and Chemistry, 2003, 67(3-4): 453–457

10 Silva P, Albano C, Perera R. EPR study of the formation of radicals in PP with antioxidants irradiated with gamma rays [J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research, 2007, 265(1): 300–304

11 趙永富, 哈益明, 劉婷, 等. 電子自旋共振波譜法檢測(cè)含骨類(lèi)食品的初步研究[J]. 輻射研究與輻射工藝學(xué)報(bào),2007, 25(5): 279–282 ZHAO Yongfu, HA Yiming, LIU Tingting,et al.Preliminary study on the detection of irradiated food containing bone by ESR spectroscopy [J]. Journal of Radiation Research and Radiation Processing, 2007, 25(5):279–282

12 萬(wàn)小娟, 王佳, 鄭建飛, 等. 含纖維素輻照食品的 ESR法研究[J]. 核技術(shù), 2008, 31(8): 629–631 WAN Xiaojuan, WANG Jia, ZHENG Jianfei,et al. Study on identification of irradiated food containing cellulose by ESR [J]. Nucl Tech, 2008, 31(8): 629–631

13 Birol Engin, Hayrünnisa Demirta?. The use of ESR spectroscopy for the investigation of dosimetric properties of egg shells [J]. Radiation Physics and Chemistry, 2004,(71): 1113–1123

14 Eric Marchioni, Péter Horvatovich, Helène Charon,et al.Detection of irradiated ingredients in low quantity in non– irradiated food matrix. 2. Extraction and ESR analysis of mechanically recovered poultry meat and TL analysis of spices [J]. Food Chemistry, 2005, 53(10): 3774–3778

15 Marc F. Desrosiers, William L. McLaughlin. Examination of gamma – irradiation fruits and vegetables by electron spin resonance spectroscopy [J]. Radiation Physics and Chemistry, 1989, 34(6): 895–898