太赫茲光譜技術(shù)在食品添加安全領(lǐng)域的研究進展

李天瑩,蔣 玲,章 龍,張 巖,馬卿效,王 標(biāo)

(南京林業(yè)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院,江蘇南京 210037)

食品添加劑是添加到食品中的一類化學(xué)合成或天然物質(zhì),用于改善食品品質(zhì)、延長食品保質(zhì)期以及增加食品營養(yǎng)成分。近年來,非食品添加劑的違規(guī)使用、食品添加劑的濫用所導(dǎo)致的安全問題屢屢發(fā)生,現(xiàn)有的食品添加劑鑒別與定量檢測方法存在檢測周期長,檢測方式繁瑣等諸多問題,因此需尋找一種更為便捷的檢測方法,而太赫茲無損檢測技術(shù)具有方便快捷、準(zhǔn)確率高等優(yōu)勢。隨著太赫茲(THz)光源和太赫茲探測器的不斷發(fā)展,太赫茲光譜技術(shù)在食品質(zhì)量監(jiān)控中展現(xiàn)出巨大的潛力[1],同時也廣泛應(yīng)用于食品添加劑的無損檢測。太赫茲波與其他波段的電磁波相比具有許多獨特的優(yōu)勢,例如:太赫茲波的光子能級為毫電子伏,其僅為X射線光子能量的百萬分之幾,THz輻射不會對樣品造成光損傷及光化電離,因此更適合于對食品添加劑的檢測;傳統(tǒng)的X射線、超聲波等檢測方法只能探查被測對象的輪廓和狀態(tài),但卻無法探測物體的內(nèi)部化學(xué)性質(zhì),而太赫茲波具有很高的穿透性,可以有效的鑒別不同物質(zhì);與近紅外光譜相比,THz波的波長更長,不容易受到散射效應(yīng)的影響[2]。

太赫茲光譜技術(shù)在食品添加安全領(lǐng)域的研究探索具有巨大的發(fā)展?jié)摿?已引起國內(nèi)外研究者的廣泛關(guān)注。本文從太赫茲光譜儀器、太赫茲領(lǐng)域應(yīng)用的量子化學(xué)軟件以及化學(xué)計量學(xué)方法出發(fā),系統(tǒng)的介紹了太赫茲技術(shù)的研究方法,進而聚焦食品添加安全領(lǐng)域,從食品添加劑和非法添加劑的鑒定、定量分析、理論計算方法、溫度相關(guān)性和背景的影響等方面進行總結(jié),并指出目前研究存在的問題和今后的研究方向,為深入探索太赫茲技術(shù)的應(yīng)用研究提供參考。

1 太赫茲光譜技術(shù)研究方法

太赫茲波,是指介于微波與紅外之間的電磁波,頻段范圍為0.1～10 THz。許多物質(zhì)在THz波段具有獨特的吸收特性,例如分子間弱相互作用、晶體中晶格的低頻振動等,研究物質(zhì)在太赫茲頻段的波譜,有利于更全面的認(rèn)識被測物質(zhì)的成分、內(nèi)部構(gòu)造及相關(guān)特性。太赫茲光譜技術(shù)應(yīng)用于物質(zhì)檢測主要由三部分組成,首先利用太赫茲光譜儀器,分析被測物質(zhì)對太赫茲頻段光的吸收、透射、反射、散射等特性,再結(jié)合量子化學(xué)軟件進行理論模擬,最后通過化學(xué)計量學(xué)等方法進行數(shù)據(jù)處理,深度挖掘物質(zhì)的特性。

1.1 太赫茲儀器

隨著太赫茲技術(shù)的不斷進步,太赫茲光譜儀器得到了迅速發(fā)展。國內(nèi)外常用于太赫茲光譜檢測的兩種儀器是太赫茲時域光譜儀(THz-TDS)和傅里葉變換紅外光譜儀(FTIR)。

傳統(tǒng)的太赫茲時域光譜儀是通過飛秒激光器產(chǎn)生脈沖,由于被測物質(zhì)在不同頻段THz脈沖下的吸收特性不同,在物質(zhì)表面反射或經(jīng)物質(zhì)透射,可以獲得樣品完整的時域光譜信號,通過THz光學(xué)參數(shù)模型進一步計算,獲取樣品的吸收系數(shù)、消光系數(shù)以及折射率,進而得到樣品的內(nèi)部振動模式等信息。而傅里葉變換紅外光譜儀的核心組件是邁克爾遜干涉儀,將被測物質(zhì)置于檢測器前,由于物質(zhì)對某些特定頻率的光產(chǎn)生吸收,使檢測器接受到的干涉光強度發(fā)生不同程度的變化,進而產(chǎn)生不同的光程差,得到被測物質(zhì)的干涉圖,對干涉圖進行傅里葉反變換,可以獲得信號的紅外光譜圖。THz-TDS與FTIR技術(shù)各有優(yōu)勢,見表1。除了這兩種傳統(tǒng)的檢測技術(shù),還有很多應(yīng)用于太赫茲領(lǐng)域的光譜技術(shù),例如太赫茲時間分辨波譜(TRTS)、太赫茲發(fā)射波譜(TES)等等。

表1 太赫茲時域光譜儀與傅里葉變換紅外光譜儀優(yōu)勢對比Table 1 Advantages comparison of THz-TDS and FTIR techniques

1.2 量子化學(xué)軟件

量子化學(xué)軟件是利用量子力學(xué)的原理與方法進行理論建模,結(jié)合一些實驗得到的結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),對目標(biāo)物質(zhì)進行仿真計算。通過量化計算可以對物質(zhì)的結(jié)構(gòu)、光譜、能量等多種性質(zhì)進行預(yù)測和解釋。量子化學(xué)計算軟件將復(fù)雜的計算過程簡單化,便于使用,具有較強的普適性。

近年來應(yīng)用于太赫茲光譜檢測最為廣泛的是GAUSSIAN軟件,它包含半經(jīng)驗和從頭算、密度泛函、分子力學(xué)等多種方法。GAUSSIAN比較適用于有限體系,GAUSSIAN軟件模擬太赫茲光譜基于單分子或者多聚體模型,無法還原固態(tài)樣品的實際形態(tài)。CRYSTAL是意大利都靈大學(xué)理論化學(xué)研究所開發(fā)的量子化學(xué)計算軟件,它采用基于原子軌道線性組合從頭算方法,主要針對具有周期性結(jié)構(gòu)的體系,例如:晶體、固體表面、鏈狀聚合物等,計算其基態(tài)能量、振動頻率、紅外和拉曼光譜等,近年來,很多國內(nèi)外的太赫茲理論光譜研究都是基于CRYSTAL構(gòu)建的固態(tài)模型,極大地提升了計算精度。

除此以外,CASTEP、SIESTA等軟件也被應(yīng)用于太赫茲光譜檢測[3-4]。CASTEP是以平面波贗勢基組為基礎(chǔ),在計算較大體系時可以簡化計算,節(jié)約時間。而SIESTA使用FORTRAN語言編寫,具有良好的可讀性,主要特點是采用線性標(biāo)度的算法進行電子結(jié)構(gòu)模擬。

1.3 化學(xué)計量學(xué)方法

太赫茲光譜技術(shù)作為一種快速且非破壞性的分析技術(shù),已經(jīng)廣泛應(yīng)用于物質(zhì)檢測。太赫茲光譜檢測會產(chǎn)生海量的數(shù)據(jù)集,因此,快速有效的提取關(guān)鍵信息就至關(guān)重要,例如與樣品相關(guān)的物理、化學(xué)、結(jié)構(gòu)特性等。近年來,化學(xué)計量學(xué)方法已被廣泛應(yīng)用于太赫茲光譜的數(shù)據(jù)處理,通過對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理或多元分析等方式,使太赫茲光譜技術(shù)成為一種更加有效的光譜技術(shù)。其中,主成分分析(PCA),最小二乘法(PLS)和支持向量機(SVM)是最常用的。除此之外,在這些方法的基礎(chǔ)上,還衍生出一些新的方法,例如SLR的改進算法SLMR(多元線性回歸)、PLS和GA的聯(lián)合算法PLS-GA(偏最小二乘-遺傳算法)等[5],先進的數(shù)據(jù)處理方法是驗證太赫茲光譜技術(shù)高效性、可靠性的關(guān)鍵。表2對近年來應(yīng)用于太赫茲光譜領(lǐng)域的化學(xué)計量學(xué)方法進行了總結(jié)[6-10]。

表2 應(yīng)用于太赫茲光譜的化學(xué)計量學(xué)方法Table 2 Chemometric methods applied in THz terahertz spectrum

2 太赫茲光譜技術(shù)在食品添加安全領(lǐng)域中的運用

食品添加劑種類繁多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣,因此國內(nèi)外的科研人員大多是對廣為熟知的非法或超標(biāo)添加進行研究。例如,熟知的非法添加劑主要有三聚氰胺和蘇丹紅1號,三聚氰胺由于其含氮量很高而被加入食品中來提高氮含量,但其具有慢性毒性,長期服用會導(dǎo)致膀胱、腎部結(jié)石,進一步誘發(fā)膀胱癌;奶粉事件的發(fā)生,使人們對三聚氰胺的關(guān)注度提高;蘇丹紅1號是一種人造化學(xué)制劑,被不法商家加入辣椒中以保持辣椒鮮紅的色澤,但其會造成人類肝臟細胞的DNA突變,屬于致癌物,所以嚴(yán)禁加入辣椒中。其他諸如抗氧化劑、甜味劑等食品添加劑也需要嚴(yán)格的控制用量,才能更安全的被使用,因此,本文從鑒定、定量分析、理論計算方法、環(huán)境差異的影響四個方面對太赫茲光譜技術(shù)在食品添加安全領(lǐng)域中的運用進行分析與總結(jié)。

2.1 鑒定

研究初期,研究者們主要著眼于不同添加劑的吸收峰位的差異,以此來鑒別不同的添加劑,同時也重點研究了非法添加劑添加到食品中,通過其特定的吸收峰來進行鑒別。

2012年,何明霞等[11]對三聚氰胺(C3H6N6)及其氘化同位素體(C3D6N6)進行探究,得到三聚氰胺在2.0,2.3,2.6 THz和其氘化同位素體在1.9,2.2,2.3 THz處的吸收峰,結(jié)果顯示同位素體吸收峰的紅移與氫元素的H/D替換密切相關(guān),由此證明了氫鍵的重要性。

2016年,Liu等[12]對三種增塑劑(DBP,DINP,DEHP)進行了測量,在1.0THz處,三種異構(gòu)體的反射系數(shù)分別為1.524,1.535,1.563(DINP,DEHP,DBP),以此來區(qū)分不同的增塑劑。隨后,不斷有學(xué)者對抗結(jié)劑、抗氧化劑、甜味劑和營養(yǎng)強化劑等食品添加劑進行測量[13-16]。

太赫茲光譜技術(shù)在食品添加安全領(lǐng)域有良好的發(fā)展前景,以往的研究[13-18]是通過吸收峰位的差異來區(qū)分不同的物質(zhì),但卻忽略了同種物質(zhì)還可能存在不同的同分異構(gòu)體以及同位素體,同種原子的同位素替換也會對吸收峰造成一定影響,例如對H原子進行同位素替換所造成的吸收峰位頻移可以證明氫鍵的重要性,這對研究其他種類的分子具有重要的參考價值。

2.2 定量分析

鑒于由食品添加劑含量超標(biāo)所導(dǎo)致食品安全隱患的存在,太赫茲技術(shù)在食品添加安全領(lǐng)域的應(yīng)用更加側(cè)重于定量分析。

2013年,付秀華等[7]利用THz-TDS技術(shù)在室溫下分別對滑石粉、小麥粉及其混合物進行了測量,獲得了它們在0.2～1.5 THz波段的光譜信息。另外,在1.16 THz特征吸收峰附近,由于滑石粉含量的不同,樣本吸收譜的規(guī)律性被打破。對滑石粉含量分別為0～100%的10組數(shù)據(jù)結(jié)果建立了含量和吸收系數(shù)二者的偏最小二乘(PLS)回歸模型,結(jié)果表明,小麥粉中摻入的滑石粉含量與太赫茲吸收系數(shù)的相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)為0.9939,均方根誤差(RMSE)僅為1.48%。

2014年,Josette等[8]利用THz-TDS技術(shù)對檸檬酸、D-果糖、α-乳糖三者的混合物進行了定量分析,首先采用主成分分析法(PCA)將不同種類樣品定位在三元圖表中,其次采用偏最小二乘(PLS)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(ANN)的聯(lián)合算法對混合物進行定量分析,結(jié)果顯示含量預(yù)測的均方根誤差(RMSE)僅為0.9%,有力的證明了化學(xué)計量學(xué)方法是混合物定量分析的有效工具。

2018年,李鵬鵬[9]利用THz-TDS系統(tǒng)對山梨酸鉀、麥芽糖進行測量,并利用小波變換方法對數(shù)據(jù)進行去噪,進而采用一元線性回歸(SLR)、偏最小二乘(PLS)對以不同比例混合的麥芽糖和聚乙烯進行回歸分析,得到PLS的校正集和預(yù)測集的相關(guān)系數(shù)分別為0.998和0.995,表明,采用小波變換結(jié)合太赫茲光譜技術(shù)對麥芽糖混合物進行定量分析是可行的。

針對不同的添加劑進行定量分析[7-10,17-19],結(jié)果顯示太赫茲技術(shù)結(jié)合PLS、PCA等方法,可以較為準(zhǔn)確的對含有添加劑的混合物進行定量分析。為了計算簡便,大多數(shù)回歸模型都是采用偏最小二乘法(PLS),而未采取更為精確的數(shù)學(xué)模型,例如成忠等[20]提出的組合非線性偏最小二乘法(E-S-QPLSR),可以有效的消除噪聲和各單項預(yù)測間的冗余信息,從而達到更高的預(yù)測精度。此外,以往研究往往選取某一吸收峰位附近的數(shù)據(jù)進行回歸分析,并未對所有吸收峰位進行探查。食品添加劑種類繁多,成分復(fù)雜多樣,因此,對于食品添加劑的定量分析,尋找一種對于大多數(shù)添加劑具有通用性的分析模型的問題亟待解決。

2.3 理論計算方法

理論光譜的計算作為實驗數(shù)據(jù)的重要佐證,近年來獲得了越來越多研究者的關(guān)注,從理論模型的構(gòu)建和選擇,到計算方法的改進,理論光譜計算也陸續(xù)取得了一定的成果。

2011年,Kunov-Kruse等[21]采用DFT/B3LYP算法在6-311+G(d,p)基組上進行計算,對不同波段的蘇丹紅1號分子進行探究,分析了不同波段的分子振動模式,具體到C-C、N-N、C-N、C-O鍵的伸展等運動,得出了較為精確的振動模式。

2016年,Ge等[22]利用GAUSSIAN 09軟件包結(jié)合DFT/B3LYP算法在6-311++G(d,p)基組上對醋酸鈉等六種防腐劑進行理論佐證,得到的吸收峰與實驗結(jié)果吻合較好,但部分吸收峰無法再現(xiàn)。結(jié)果表明,測量到的吸收峰來源于分子內(nèi)、分子間和聲子模的集體振動模式。

總結(jié)可以發(fā)現(xiàn),理論值與實驗值的誤差主要來源于以下三個方面:單分子構(gòu)型無法預(yù)測分子間作用力,對此可以采用多聚體或晶胞構(gòu)型來進行計算,前提是找到一種穩(wěn)定的初始構(gòu)型;實驗通常處于室溫下,而理論計算往往采取絕對零度下的構(gòu)型,溫度差異造成吸收峰位存在很大的偏移不可忽略;理論計算的頻率往往是諧振頻率,忽視非諧振效應(yīng),直接基于它計算的結(jié)果可能存在較大誤差,以往的研究往往只是提及非諧振效應(yīng)的影響,而并未對此加以校正。

近年來,應(yīng)用于太赫茲光譜檢測最為廣泛的是GAUSSIAN軟件,但其無法構(gòu)建具有周期性的晶胞體系,而CRYSTAL軟件包主要針對具有周期性結(jié)構(gòu)的體系。近年來,很多國內(nèi)外的THz理論光譜研究都是基于CRYSTAL構(gòu)建的固態(tài)模型,極大地提升了計算精度[23-25]。例如已有研究者利用CRYSTAL對氨基酸及維生素分子進行理論模擬,實驗與理論結(jié)果的平均誤差相比于以往研究減少了2～5倍[26-27]。此外,CRYSTAL還具有其他許多優(yōu)勢,例如:可以對同位素的位移進行評估;針對固溶體提出了新的算法等[28]。

除此以外,CRYSTAL的輸入文件可以很方便的更改諧振校正因子,可以作為以后的研究方向,近年來也有一些學(xué)者對校正因子做了一定的總結(jié)[29-30]。當(dāng)然,可以應(yīng)用于太赫茲光譜計算的量子化學(xué)軟件絕不限于GUASSION及CRYSTAL,各類軟件各有優(yōu)劣,需要根據(jù)具體的研究對象和精度要求進行具體的選擇。

2.4 環(huán)境差異的影響

在探究食品添加劑和非法添加劑的太赫茲光譜的過程中,實驗環(huán)境的多樣性對實驗結(jié)果的影響不容小覷,因此,研究者對此也進行了一定的研究。

2012年,Angelina等[31]利用FTIR技術(shù)測量了安賽蜜的兩種異構(gòu)體內(nèi)酰胺和內(nèi)酰亞胺,并測試了其在不同的氣態(tài)或溶劑中的穩(wěn)定性,結(jié)合DFT的理論計算方法,得出內(nèi)酰胺(A1)構(gòu)型在氣態(tài)環(huán)境下更為穩(wěn)定和內(nèi)酰亞胺構(gòu)型(A2)在DMSO溶劑中相對穩(wěn)定的結(jié)論,并指出DMSO溶劑中的分子間氫鍵對A2的穩(wěn)定性有重要作用。

2015年,Yeun等[32]分別在298和84K情況下對三聚氰胺進行了溫度相關(guān)性方面的測試,結(jié)果顯示溫度升高時吸收峰位紅移,溫度降低時吸收峰位藍移。歸因于溫度高時導(dǎo)致了晶胞結(jié)構(gòu)的膨脹,而溫度降低時分子間作用力明顯。

研究表明,環(huán)境差異對實驗結(jié)果造成的影響不可小覷,需根據(jù)不同添加劑具體的應(yīng)用情況加以探究。對于溫度相關(guān)性的研究,應(yīng)選取更多的溫度節(jié)點,而不僅僅是兩、三個溫度下的對比,例如虞江萍等[33]在探究氨基酸的太赫茲光譜的過程中,采取了多個溫度節(jié)點,從而得出不同族類的氨基酸對溫度變化的不同響應(yīng)等一系列具有規(guī)律性的研究成果。

3 結(jié)論與展望

近年來,太赫茲技術(shù)在安全成像檢測、航空航天、爆炸物分子檢測等重要領(lǐng)域取得了引人矚目的成績。食品添加安全領(lǐng)域與人類的生命安全密切相關(guān),引起了人們的廣泛關(guān)注,與太赫茲技術(shù)的密切結(jié)合,有利于更加準(zhǔn)確的認(rèn)識到諸多食品添加劑及非法添加劑的生物特性,從而對添加劑的成分、添加量進行有效的鑒別與定量分析。本文從鑒定、定量分析、理論計算方法和環(huán)境影響等方面對目前太赫茲技術(shù)在食品添加安全領(lǐng)域的探究進行了總結(jié),雖然有諸多研究者對各類食品添加劑和非法添加劑的太赫茲光譜進行探查,但依然存在許多亟待解決的問題。目前的研究對同種添加劑的同分異構(gòu)體,以及同位素體的涉獵還比較少,對同分異構(gòu)體及同位素的探究,有利于更準(zhǔn)確的認(rèn)識分子結(jié)構(gòu)和振動模式;對于PLS等定量分析的數(shù)學(xué)回歸模型,沒有總結(jié)出具有一定通用性的模型,且并未對所有吸收峰位進行回歸分析;理論模型的構(gòu)建往往采用單分子模型,且并未添加諧振校正因子,可以采用CRYSTAL等量子化學(xué)軟件對相對穩(wěn)定的晶胞構(gòu)型進行計算;溫度相關(guān)性方面,可以選取更多的溫度節(jié)點,得出具有規(guī)律性的研究成果等等。

國內(nèi)外研究者對食品添加劑和非法添加劑的太赫茲光譜探究絕不限于以上幾個方面。太赫茲光譜技術(shù)在食品添加安全領(lǐng)域具有良好的發(fā)展前景,對其他分子的探究也有重要的指導(dǎo)意義。