等離激元增強(qiáng)拉曼光譜食用合成色素快速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范賢光， 梁 駿， 王 昕， 許英杰， 闕 靖， 左 勇

1. 廈門大學(xué)航空航天學(xué)院， 福建 廈門 361005

2. 北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所國防科技工業(yè)第一計(jì)量測試研究中心， 北京 100095

等離激元增強(qiáng)拉曼光譜食用合成色素快速檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

范賢光1， 梁 駿1， 王 昕1， 許英杰1， 闕 靖1， 左 勇2

1. 廈門大學(xué)航空航天學(xué)院， 福建 廈門 361005

2. 北京長城計(jì)量測試技術(shù)研究所國防科技工業(yè)第一計(jì)量測試研究中心， 北京 100095

基于等離激元增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)， 研制出適合現(xiàn)場分析檢測的食用合成色素快速檢測系統(tǒng)， 適用于飲料、 肉制品、 蜜餞等食品中合成色素的快速檢測。 檢測系統(tǒng)的硬件部分主要由雙CPU(ARM和FPGA)主控板、 樣品前處理模塊(含有增強(qiáng)粒子施加裝置)、 半導(dǎo)體激光光源、 光譜數(shù)據(jù)采集模塊構(gòu)成； 軟件部分控制樣品前處理模塊自動(dòng)運(yùn)行， 并可讀取被測樣品的拉曼譜圖。 利用快速檢測系統(tǒng)對(duì)三種實(shí)際樣品(蜜餞、 汽水、 火腿腸)中的食用合成色素胭脂紅、 檸檬黃、 誘惑紅進(jìn)行檢測， 以驗(yàn)證該系統(tǒng)在食用合成色素檢測中的性能。 樣品檢測結(jié)果的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差小于±5%， 表明此檢測系統(tǒng)具有良好的靈敏度和重現(xiàn)性， 且檢測時(shí)間短， 能夠滿足食品中合成色素現(xiàn)場快速檢測的要求。

等離激元增強(qiáng)拉曼光譜； 合成色素； 樣品前處理； 檢測系統(tǒng)

引 言

近年來， 合成色素因成本低廉、 色澤鮮艷、 著色力強(qiáng)等特點(diǎn)被食品生產(chǎn)商廣泛使用。 合成色素是以甲苯、 萘等化工產(chǎn)品為原料制成的偶氮類化合物， 幾乎不能為人體提供營養(yǎng)物質(zhì)[1]。 此外， 過量食用合成色素會(huì)導(dǎo)致慢性中毒甚至致癌[2]， 對(duì)于兒童則可能影響神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育從而導(dǎo)致行為異常。 我國《食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中也明確禁止在兒童食用的肉制品、 飲料等食品中添加合成色素。 因而， 合成色素的快速現(xiàn)場檢測成為控制合成色素在食品中濫用的關(guān)鍵問題。

傳統(tǒng)的合成色素檢測方法有高效液相色譜法(high performance liquid chromatography, HPLC)[3-5]、 高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法(high performance liquid chromatography-mass spectrometry, HPLC-MS)[6]、 毛細(xì)管電泳法[7]、 薄層色譜法[8]等。 薄層色譜法操作簡便快速， 原材料易得， 但相對(duì)而言準(zhǔn)確性和靈敏度較低， 毛細(xì)管電泳法則重現(xiàn)性較差； 高效液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用法在檢測分辨率及靈敏度方面有一定優(yōu)勢， 然而儀器的昂貴使其難以在日常檢測中推廣應(yīng)用； 高效液相色譜作為目前最為普遍的合成色素檢測方法， 需專業(yè)人員在實(shí)驗(yàn)室操作， 步驟繁瑣， 其檢測時(shí)間一般為1 h以上， 無法滿足合成色素快速現(xiàn)場檢測。 隨著等離激元增強(qiáng)拉曼光譜(plasmon-enhanced Raman spectroscopy, PERS)技術(shù)的日趨成熟， 拉曼光譜信號(hào)增強(qiáng)因子達(dá)到104～106， 極大地拓寬了拉曼光譜檢測系統(tǒng)的應(yīng)用范圍[9]。 結(jié)合其快速、 簡便、 對(duì)樣品無接觸、 無損傷等特點(diǎn)， 在現(xiàn)場快速檢測方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。 但合成色素測定的國標(biāo)GB/T5009.35—2003[11]中敘述的樣品前處理方法過程復(fù)雜耗時(shí)長， 易引入人為誤差， 很大程度限制了拉曼光譜技術(shù)在現(xiàn)場快速檢測中的應(yīng)用。 目前， 使用拉曼光譜技術(shù)檢測合成色素的研究很少。

本文基于等離激元增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)， 研制出食用合成色素快速檢測系統(tǒng)。 針對(duì)合成色素前處理問題， 設(shè)計(jì)了樣品前處理模塊(包含增強(qiáng)粒子施加裝置)， 實(shí)現(xiàn)了合成色素的高效自動(dòng)化提取。 利用此檢測系統(tǒng)對(duì)多種實(shí)際樣品中的合成色素進(jìn)行了檢測， 檢測時(shí)間小于6 min， 耗時(shí)相對(duì)常規(guī)方法大大縮短， 檢測結(jié)果表明儀器具有良好的靈敏度與重現(xiàn)性， 特別適合現(xiàn)場快速檢測。

1 檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文所研制的基于等離激元增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)的食用合成色素檢測系統(tǒng)， 其原理如圖1所示。 該系統(tǒng)主要包括樣品前處理模塊、 激光源模塊和光譜數(shù)據(jù)采集模塊。 三大模塊均由數(shù)字控制器控制并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。 數(shù)字控制器采用雙CPU模式， 其中ARM(Contex-M4)作為系統(tǒng)的控制顯示核心， 而FPGA(EP2C8Q208)則用于時(shí)序驅(qū)動(dòng)及數(shù)據(jù)同步采集， 并在ARM上加載μC/OSⅢ操作系統(tǒng)。 檢測系統(tǒng)設(shè)有LCD觸摸顯示屏， 操作簡便智能， 使其更適用于現(xiàn)場快速檢測。 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)如下：

(1) 通過嵌入式軟件實(shí)現(xiàn)樣品前處理模塊的自動(dòng)運(yùn)行， 洗脫液用量、 洗脫次數(shù)及增強(qiáng)粒子加入量可由LCD觸摸屏精確設(shè)定；

(2) 采用閉環(huán)負(fù)反饋控制激光器的光功率及工作溫度， 以保證激光光源的穩(wěn)定性。 這里， 光功率可調(diào)范圍為20～450 mW， 工作溫度范圍為0～40 ℃， 溫度波動(dòng)小于0.1 ℃；

(3) 由FPGA產(chǎn)生時(shí)序驅(qū)動(dòng)CCD和AD， 實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)同步采集， CCD的光譜響應(yīng)范圍為790～1 050 nm；

(4) 對(duì)采集到的拉曼信號(hào)進(jìn)行算法處理， 與標(biāo)準(zhǔn)品拉曼光譜對(duì)照得到檢測結(jié)果。

圖1 檢測系統(tǒng)框圖

1.1 樣品前處理模塊

樣品前處理過程的先進(jìn)與否， 直接關(guān)系到分析方法的優(yōu)劣[11]。 對(duì)于食品中合成色素的測定， 樣品前處理的效率和提取精度顯得更為重要。

本系統(tǒng)的樣品前處理模塊由五個(gè)部分組成： 超聲提取裝置、 進(jìn)液裝置、 鼓氣混合裝置、 液體抽除裝置、 增強(qiáng)粒子施加裝置。 所有裝置運(yùn)轉(zhuǎn)均由嵌入式軟件控制， 實(shí)現(xiàn)了前處理過程的自動(dòng)化。 前處理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 樣品前處理模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

食用合成色素測定的國家標(biāo)準(zhǔn)中， 對(duì)于固體類試樣， 采用溫?zé)崛芙饣蚱捶绞絒10]。 超聲提取裝置利用超聲波效應(yīng)， 通過增加介質(zhì)分子的運(yùn)動(dòng)速度以提取物質(zhì)有效成分[12]， 相比溫?zé)崛芙夂推矗?提取效率和收集率可以得到顯著提高。 由于超聲源頻率與提取效率正相關(guān)， 在綜合考慮模塊便攜性要求和提取效率的情況下， 采用頻率為40 kHz， 功率為60 W的換能器作為超聲源。

進(jìn)液裝置采用高精度微型蠕動(dòng)泵， 由控制系統(tǒng)按洗脫順序?qū)⑾疵撘罕萌肭疤幚順悠饭堋?進(jìn)液管路上加裝多路選擇閥， 可選擇多個(gè)樣品通道同時(shí)進(jìn)液。 鼓氣混合裝置通過鼓入空氣使洗脫液與吸附劑充分接觸。 鼓氣泵由電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)， 鼓氣效率可控。

液體抽除裝置包括兩條管路， 分別用于抽出洗脫廢液和待測液。 平時(shí)由電磁夾管閥夾緊， 抽液時(shí)即松開對(duì)應(yīng)閥門。 前處理使用的吸附劑為聚酰胺粉， 與試液混合后呈粥狀， 經(jīng)常造成過濾篩板阻塞， 影響液體抽除效率， 并易引起合成色素殘留。 該裝置采用大力矩齒輪自吸泵， 每次抽液僅需5 s， 極大的縮短了前處理時(shí)間。

施加裝置的功能是將增強(qiáng)粒子添加到待測液中， 并與待測液充分混合以增強(qiáng)拉曼信號(hào)。 利用蠕動(dòng)泵將增強(qiáng)粒子加入待測液， 并用攪拌器混合。 蠕動(dòng)泵與攪拌器均由主控系統(tǒng)控制， 可自動(dòng)定量地進(jìn)行增強(qiáng)粒子施加。 這里， 增強(qiáng)粒子為覆蓋氧化鋁或二氧化硅薄殼層的Au納米粒子， 即SHINERS粒子， 其表面附近形成的等離子體激元能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的表面增強(qiáng)效應(yīng)， 是一種新型的等離激元增強(qiáng)粒子。

1.2 激光源模塊

激光源波長穩(wěn)定性是影響拉曼信號(hào)的關(guān)鍵因素。 本系統(tǒng)采用785 nm的高功率蝶形光纖耦合激光器， 線寬≤0.2 nm， 最大功率達(dá)到500 mW， 其內(nèi)部由體布拉格光柵技術(shù)對(duì)波長進(jìn)行穩(wěn)定。 主控系統(tǒng)通過激光器內(nèi)置光電二極管監(jiān)控其輸出的光功率， 并利用負(fù)反饋機(jī)制由驅(qū)動(dòng)恒流源保證光功率穩(wěn)定。 溫度控制器采用高線性度的溫度傳感器Pt100對(duì)激光器管芯進(jìn)行溫度采樣， 并通過MOS管H橋恒流源驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體制冷器(TEC)， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的溫度調(diào)控。

1.3 光譜數(shù)據(jù)采集模塊

光譜數(shù)據(jù)采集模塊的架構(gòu)如圖3所示。 根據(jù)光譜響應(yīng)目標(biāo)范圍， 該模塊選用高靈敏度的線陣背照式CCD， 此CCD具有動(dòng)態(tài)范圍大及低暗電流特性。 多級(jí)電源供電系統(tǒng)同時(shí)向CCD及時(shí)序主控芯片F(xiàn)PGA供電， FPGA產(chǎn)生CCD控制時(shí)序， 經(jīng)過功率放大及電平轉(zhuǎn)換后達(dá)到CCD正常曝光和電荷轉(zhuǎn)移所需要求。 CCD在時(shí)序驅(qū)動(dòng)下， 將拉曼光譜信號(hào)轉(zhuǎn)換為模擬電信號(hào)， 并逐個(gè)像素輸出。 各模擬信量經(jīng)過信號(hào)調(diào)理后由AD轉(zhuǎn)換模塊依次捕捉， 輸出的數(shù)字量送入FPGA， 此處AD轉(zhuǎn)換時(shí)序也由FPGA提供。 ARM通過FIFO與FPGA通信， 讀取光譜數(shù)據(jù)后進(jìn)一步分析處理。 溫度控制器利用閉環(huán)負(fù)反饋驅(qū)動(dòng)CCD內(nèi)置半導(dǎo)體制冷器對(duì)CCD進(jìn)行制冷， 有效降低暗電流的影響， 提高采集電路工作性能。

圖3 光譜數(shù)據(jù)采集模塊圖

2 檢測流程與原理

在食用合成色素快速檢測中， 將待測樣品放入前處理樣品池， 經(jīng)前處理模塊施加純化水、 甲酸、 乙醇洗脫后， 抽入待測樣品池， 增強(qiáng)粒子施加裝置按設(shè)定量向待測液添加SHINERS粒子。 激光源模塊產(chǎn)生激光通過拉曼探頭照射待測液， 拉曼散射信號(hào)被CCD光學(xué)系統(tǒng)收集。 CCD光電轉(zhuǎn)換輸出的光譜信號(hào)經(jīng)過一系列信號(hào)調(diào)理、 AD雙采樣由FPGA接收后送入ARM。 嵌入式下位機(jī)程序?qū)庾V數(shù)據(jù)進(jìn)行算法處理， 并自動(dòng)識(shí)別食用合成色素添加類型， 拉曼譜圖及檢測結(jié)果顯示于LCD上。

拉曼光譜能夠反映物質(zhì)分子固有的振動(dòng)、 轉(zhuǎn)動(dòng)方面的信息， 不同種類食用合成色素的分子結(jié)構(gòu)不同， 其振動(dòng)譜也有明顯區(qū)別。 因?yàn)榭梢詫⒗庾V作為“分子指紋”來識(shí)別各類合成色素。 對(duì)各個(gè)種類食用合成色素標(biāo)準(zhǔn)品進(jìn)行拉曼光譜檢測， 并記錄譜圖中的特征峰個(gè)數(shù)， 特征峰對(duì)應(yīng)的拉曼位移以及各峰相對(duì)強(qiáng)度。 簡便的可以選擇強(qiáng)度最強(qiáng)而又不重疊的峰作為特征峰與其他色素加以區(qū)別， 例如可將檸檬黃的特征峰選定在1 600和1 345 cm-1附近。 由此建立食用合成色素拉曼光譜數(shù)據(jù)庫及判別模型。 本檢測系統(tǒng)的軟件處理算法將被測樣品的拉曼譜圖與數(shù)據(jù)庫中食用合成色素的譜圖進(jìn)行比對(duì)， 根據(jù)特征峰位置及其強(qiáng)度， 可以自動(dòng)識(shí)別被測樣品中的食用合成色素。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

3.1 蜜餞中胭脂紅的檢測

在本實(shí)驗(yàn)中， 為了驗(yàn)證所開發(fā)的食用合成色素檢測系統(tǒng)相對(duì)于常規(guī)拉曼更易獲得拉曼特征峰， 分別檢測未加入SHINERS粒子及加入SHINERS粒子之后的蜜餞前處理試液。 檢測光功率設(shè)為100 mW， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。 對(duì)于未加入SHINERS粒子的試液， 盡管使用10 g的蜜餞樣品及5 s的積分時(shí)間， 仍然無法獲得明顯的拉曼特征峰。 而使用1 g蜜餞樣品提取的試液， 在加入SHINERS粒子后， 只需1 s的積分時(shí)間即可在1 235和1 605 cm-1附近獲取清晰的胭脂紅拉曼特征峰， 整個(gè)檢測流程僅耗時(shí)5.5 min。

圖4 蜜餞中胭脂紅的檢測譜圖

實(shí)驗(yàn)表明， 含有增強(qiáng)粒子施加裝置的食用合成色素檢測系統(tǒng)能夠大幅增強(qiáng)被測物質(zhì)的拉曼特征信號(hào)， 具有很高的檢測靈敏度。

3.2 汽水中檸檬黃的檢測

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本系統(tǒng)對(duì)于食用合成色素的檢測性能， 將其用于汽水樣品中檸檬黃的檢測。 檸檬黃是生產(chǎn)商最常用的食用合成色素之一， 但國家在食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)GB2760—2011[13]中規(guī)定， 檸檬黃的最大限用量為50 mg·kg-1。

實(shí)驗(yàn)中使用本系統(tǒng)對(duì)等體積的10， 25和50 mg·L-1三種檸檬黃標(biāo)準(zhǔn)品及某品牌汽水進(jìn)行檢測， 系統(tǒng)光功率設(shè)為120 mW， 積分時(shí)間為2 s， 以1∶1體積向待測液施加SHINERS粒子， 檢測結(jié)果如圖5所示。 檸檬黃的拉曼特征峰處于1 345， 1 502和1 601 cm-1附近， 特征峰強(qiáng)度隨著試液中檸檬黃濃度的提高而明顯增強(qiáng)。 而汽水樣品的拉曼特征峰位置與檸檬黃標(biāo)準(zhǔn)品具有一致性， 表明汽水中有檸檬黃檢出。 對(duì)于液體樣品， 不需要超聲提取過程， 檢測耗時(shí)相對(duì)固體樣品更短， 約為4.6 min。

圖5 汽水中檸檬黃的檢測譜圖

圖6 某品牌火腿腸5次檢測譜圖

由實(shí)驗(yàn)可知， 所開發(fā)的快速檢測系統(tǒng)能夠用于食用合成色素檢測， 具備較高的有效性及可靠性。

3.3 檢測效率及重現(xiàn)性測試

為了考察本系統(tǒng)的檢測重現(xiàn)性， 以等質(zhì)量的某品牌火腿腸進(jìn)行5次檢測， 光功率設(shè)為100 mW， 積分時(shí)間為5 s， 按待測液1∶1體積施加SHINERS粒子。 平均檢測耗時(shí)約5.8 min， 檢測結(jié)果如圖6所示。 該樣品拉曼光譜的特征峰分析如表1， 可確定其中有誘惑紅檢出。 計(jì)算5次檢測譜圖各個(gè)特征峰面積的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation, RSD)， 結(jié)果均小于5%， 表明本檢測系統(tǒng)具有良好的重現(xiàn)性及較高的檢測效率。

表1 拉曼光譜的特征峰分析誤差

4 結(jié) 論

基于等離激元增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)， 研制出食用合成色素快速檢測系統(tǒng)。 只需將待測物放入前處理樣品池， 該系統(tǒng)即可自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)樣品前處理、 SHINERS粒子施加等流程， 并檢測其拉曼光譜信號(hào)， 對(duì)光譜信號(hào)進(jìn)行分析處理后顯示檢測結(jié)果。 利用該系統(tǒng)檢測三種實(shí)際樣品中的食用合成色素， 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明， 該系統(tǒng)具有良好的檢測靈敏度及重現(xiàn)性， 檢測效率高， 適用于食用合成色素的現(xiàn)場快速檢測。

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Design of Raman Spectroscopy Rapid Detection System for Synthetic Edible Pigment Based on PERS

FAN Xian-guang1, LIANG Jun1, WANG Xin1， XU Ying-jie1, QUE Jing1， ZUO Yong2

1. School of Aerospace Engineering, Xiamen University, Xiamen 361005, China

2. Changcheng Institute of Metrology & Measurement, The 1st Metrology & Measurement Research Center of National Defense Science Industry of China, Beijing 100095, China

Based on Plasmon-enhanced Raman Spectroscopy (PERS) technology, the detection system for rapid field determination of synthetic edible pigments in food，such as beverage，meat productsand preserves，is presented. The hardware framework of this detection system is mainly composed of double central control chips (ARM and FPGA), a sample pretreatment module (containing a nanoparticle giving device), a laser diode source, and a spectral data acquisitioning module; Besides, the software can run the sample pretreatment module automatically while receiving the Raman spectrogram. To verify its performance in edible synthetic pigments, the rapid detection system was applied to determine carmine, citrine, allure red in three actual samples (i.e. preserves, sodas, sausage). The relative standard deviations of the sample detection were in the range of ±5%, which indicated that the system developed in this paper have the advantage of favorable sensitivity, excellent repeatability and short testing time. Thus, it meets the requirements for rapid field determination of synthetic pigments in food.

PERS; Synthetic pigments; Sample pretreatment; Detection system

Feb. 2, 2015; accepted Jun. 19, 2015)

2015-02-02，

2015-06-19

國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)(2011YQ03012417)， 廈門大學(xué)中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(20720150091， 20720150094)， 福建省高端裝備制造協(xié)同創(chuàng)新中心資金項(xiàng)目資助

范賢光， 1980年生， 廈門大學(xué)航空航天學(xué)院副教授 e-mail: fanxg@xmu.edu.cn

O657.3

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)08-2487-05