表面增強(qiáng)拉曼光譜用于食品檢測(cè)的研究進(jìn)展

王海波

(廣西-東盟食品藥品安全檢驗(yàn)檢測(cè)中心,廣西南寧 530021)

隨著社會(huì)科技的進(jìn)步,食品安全檢測(cè)技術(shù)逐漸從傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)向現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)方向摸索發(fā)展。在檢測(cè)工作中以實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)為本,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)輔助共同發(fā)展,加快了食品安全項(xiàng)目的檢測(cè)速度,大大降低了檢測(cè)成本。由于人工合成的食品添加劑和食品中化學(xué)殘留物對(duì)人體健康存在危害,故政府和監(jiān)管部門亟需找到一種快速、靈敏和可靠的檢測(cè)手段保障食品安全。目前檢測(cè)方法主要有高效液相色譜法(high performance liquid chromatography,HPLC)、氣相色譜法(gas chromatography,GC)、液相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀(liquid chromatograph mass spectrometer,LC-MS/MS)、氣相色譜-質(zhì)聯(lián)用儀法(gas chromatography-mass spectrometer,GC-MS/MS)等方法,這些檢測(cè)方法雖具靈敏度高、準(zhǔn)確性好等特點(diǎn),但耗時(shí)耗力、成本昂貴、對(duì)樣品的凈化要求苛刻,難以實(shí)現(xiàn)快速定性篩選。表面增強(qiáng)拉曼光譜(surface enhanced Raman spectroscopy,SERS)是一種新型化學(xué)分析和檢測(cè)手段,越來(lái)越受到人們的關(guān)注。

拉曼光譜(Raman spectroscopy)是一種能夠表征分子振動(dòng)能級(jí)的光譜,具有極高的分子特異性,但其散射強(qiáng)度較弱。拉曼光譜散射截面是每個(gè)分子10-30cm2,而熒光有效色散射截面為10-17～10-16cm2[1],因此易受到熒光干擾。Fleischmann等[2]在粗糙銀電極表面獲得吡啶的增強(qiáng)拉曼散射信號(hào),Van Duyne等[3]在Fleischmann基礎(chǔ)上提出面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)效應(yīng),即表面增強(qiáng)效應(yīng)與金屬粗糙表面相關(guān),這是拉曼光譜發(fā)展的重要里程碑。SERS技術(shù)快速、靈敏、無(wú)損,具備分子指紋專一性和單分子靈敏性等特點(diǎn),能在分子水平上提供物質(zhì)結(jié)構(gòu)的豐富信息,已逐漸成為化學(xué)、生物、環(huán)境、食品等領(lǐng)域一種強(qiáng)有力的檢測(cè)手段[4-6]。當(dāng)目標(biāo)分子被吸附到某些粗糙的金屬表面上時(shí),它們的拉曼散射強(qiáng)度會(huì)比常規(guī)拉曼增強(qiáng)104～1014倍[7-8]。

運(yùn)用便攜式拉曼光譜儀及相應(yīng)的納米增強(qiáng)基底,實(shí)現(xiàn)了食品中多種物質(zhì)的快速檢測(cè),并可進(jìn)行半定量分析。目前主要用于檢測(cè)項(xiàng)目包括食品添加劑,如防腐劑、色素、甜蜜素等;食品中的化學(xué)危害物,如非法添加物、農(nóng)藥殘留、獸藥殘留等,均獲得了較好的檢測(cè)效果,筆者綜述國(guó)內(nèi)外SERS在食品安全檢測(cè)中應(yīng)用情況,為今后SERS技術(shù)在食品檢測(cè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用提供依據(jù)。

1 SERS技術(shù)檢測(cè)食品中藥物殘留

拉曼光譜是根據(jù)分子極化率變化產(chǎn)生的光譜,在檢測(cè)低頻振動(dòng)方面具有優(yōu)越性,甚至可檢測(cè)到分子的晶格振動(dòng),從而反映化合物分子結(jié)構(gòu)中基團(tuán)的振動(dòng)信息。食品在種植養(yǎng)殖生產(chǎn)過(guò)程中使用農(nóng)藥獸藥導(dǎo)致藥物殘留。農(nóng)藥殘留是指使用農(nóng)藥后一定時(shí)期內(nèi)未被分解而殘留在生物體、水體、土壤等環(huán)境中的微量元素、有毒代謝物、降解物和雜質(zhì)的總稱。常見有機(jī)農(nóng)藥根據(jù)化學(xué)結(jié)構(gòu)不同主要分為3種類型:有機(jī)磷類、擬除蟲菊酯類和有機(jī)氯類。獸藥殘留則是水產(chǎn)養(yǎng)殖行業(yè)為了防病治病、增加產(chǎn)量,非法添加氯霉素等抗生素、瘦肉精、己烯雌酚等藥物,導(dǎo)致動(dòng)物性食品在不同程度藥物累積,長(zhǎng)時(shí)間攝入此類動(dòng)物性食品,會(huì)損害神經(jīng)系統(tǒng)或引起器官病變,對(duì)人類健康造成極大的危害。這些藥物殘留的藥物分子具有不同的分子結(jié)構(gòu)、排列規(guī)律、分子構(gòu)型構(gòu)象等,由此具有不同的分子內(nèi)或分子間作用力,這些差異反映在拉曼光譜中的峰數(shù)量或縫裂分、峰位置以及峰強(qiáng)度或峰形拓?fù)涞确矫?故拉曼光譜即可用于單一組分的化合物的定性鑒別,也可用于基質(zhì)復(fù)雜食品樣品中單種或多種成分的定性或定量研究。利用金膠作為增強(qiáng)基底檢測(cè)臍橙表皮中的有機(jī)磷混合農(nóng)藥亞胺硫磷和毒死蜱,由于2種農(nóng)藥在分析結(jié)構(gòu)上的差異,毒死蜱的特征峰有342、675 cm-1,亞胺硫磷的特征峰有608、973、1189、1773 cm-1,可對(duì)2種農(nóng)藥進(jìn)行定性分析,然后利用不同的預(yù)處理方法,應(yīng)用偏最小二乘和主成分回歸對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,建立的回歸模型R值0.909,表明可對(duì)2種藥物進(jìn)行定量分析[9]。郭紅青等[10]以納米金膠和NaCl作為SERS增強(qiáng)基底,確定鴨肉中呋喃他酮特征峰位移在 801 cm-1處,在0.5～12 mg/L范圍內(nèi)呈線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2為0.9961,最低檢測(cè)限在0.5 mg/L。李春穎等[11]運(yùn)用SERS技術(shù)對(duì)魚類中氯霉素、磺胺甲基嘧啶、磺胺二甲基嘧啶進(jìn)行檢測(cè),最低檢測(cè)限分別為50 μg/L和0.16、0.59 ppm[12],可以實(shí)現(xiàn)魚肉中一定濃度抗生素的檢測(cè),為實(shí)驗(yàn)室抗生素的檢測(cè)提供技術(shù)基礎(chǔ)。Qin等[13]使用SERS技術(shù)研究蛋殼和蛋液中菲普羅尼的殘留。Xie等[14]報(bào)道了結(jié)合SERS和Au納米粒子快速檢測(cè)呋喃妥因、呋喃他酮及其混合物,檢測(cè)限可達(dá)到5 mg/L。表明SERS技術(shù)結(jié)合納米基底在檢測(cè)基質(zhì)復(fù)雜的食品中藥物殘留方面具有應(yīng)用潛力,但是藥物殘留標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法要求的取樣部位包括全部可食部位,故對(duì)水果中藥物殘留檢測(cè)的前處理過(guò)程需要進(jìn)一步深入研究。

2 SERS技術(shù)檢測(cè)食品中的防腐劑

在食物制作過(guò)程中,為了防止食品腐敗變質(zhì),以便延長(zhǎng)食品儲(chǔ)存期,有些食品中添加防腐劑,比如苯甲酸鹽、丙酸鹽、亞硝酸鹽、二氧化硫、硫氰酸鈉等。防腐劑具有殺死微生物或者抑制其繁殖的化學(xué)作用,濫用或超量使用會(huì)產(chǎn)生毒副作用。

2.1 二氧化硫

二氧化硫具有漂白、防腐和抗氧化作用,常用于食品行業(yè)中?！妒称钒踩珖?guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》(GB 2760-2014)規(guī)定二氧化硫用于鮮水果、堅(jiān)果、蔬菜罐頭、果蔬飲料等時(shí),最大使用量為0.05 g/kg;用于腌制蔬菜、果干、粉條、餅干、可可制品、食糖時(shí),最大使用量為0.1 g/kg;用于葡萄酒、果酒時(shí),最大使用量為0.25 g/L[15]。Deng等[16]應(yīng)用SERS技術(shù)檢測(cè)葡萄酒中二氧化硫的含量,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)條件優(yōu)化后,結(jié)果表明在600 cm-1拉曼峰下,二氧化硫SERS信號(hào)在濃度1～200 μg/mL內(nèi)呈良好的線性關(guān)系,檢出限為0.1 μg/mL。張琳等[17]基于SERS技術(shù)檢測(cè)食品中二氧化硫的含量,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)條件優(yōu)化后,本文以630 cm-1亞硫酸根的特征峰為定性和定量依據(jù),結(jié)果表明本檢測(cè)流程實(shí)現(xiàn)了不同食品基質(zhì)中二氧化硫的高靈敏檢測(cè),最低檢出濃度為1 mg/kg。同時(shí),摒棄了傳統(tǒng)蒸餾法使用的揮發(fā)性強(qiáng)酸和引入二次污染的含鉛吸收液,改為環(huán)境友好的綠色試劑且不影響目標(biāo)物的檢出。

2.2 亞硝酸鹽

亞硝酸鹽是一種工業(yè)鹽,是肉制品加工中常用的添加劑,可以起到護(hù)色、防腐的作用。食物在烹調(diào)和消化過(guò)程中,亞硝酸鈉會(huì)和胺反應(yīng),產(chǎn)生亞硝胺類化合物,亞硝胺類化合物會(huì)導(dǎo)致多種癌癥[18],嚴(yán)重危害人類的健康?！妒称钒踩珖?guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定腌臘肉制品、醬鹵肉制品、發(fā)酵肉制品等食品中亞硝酸鹽最大使用量為0.15 g/kg。Zhang等[19]將亞硝酸鹽衍生化后得到偶氮染料,以Au/SiO2殼層隔絕納米粒子為基底增強(qiáng)拉曼光譜檢測(cè),間接計(jì)算出亞硝酸鹽的含量。結(jié)果顯示樣品在1137、1395和1432 cm-1處檢出限分別為0.07、0.08和0.10 mg/L(S/N=3),亞硝酸鹽在0.5～0.6 mg/L呈良好的線性關(guān)系,該方法的衍生化效果好、快速簡(jiǎn)便,靈敏度和選擇性高,為間接檢測(cè)復(fù)雜樣品中SERS響應(yīng)較弱的物質(zhì),如碘離子、亞硝酸鹽、芳香胺和酚類化合物提供了重要的依據(jù)。Ma等[20]以檸檬酸鹽包裹的Ag納米粒子為表面增強(qiáng)活性基底,采用SERS檢測(cè)亞硝酸鹽的衍生化產(chǎn)物偶氮染料,得到亞硝酸鹽檢出限為0.01 mg/L,線性范圍為0.1～10.0 mg/L,回收率為86.9%～103.4%。

2.3 硫氰酸鈉

硫氰酸鈉是一種有毒化工原料。原國(guó)家衛(wèi)生部2008年發(fā)布的《食品中可能違法添加的非食用物質(zhì)和易濫用的食品添加劑品種名單(第一批)》,明確規(guī)定硫氰酸鈉屬于非法添加的物質(zhì)。仍有不法商販將其添加于乳及乳制品中保鮮。

Lin等[21]以銀溶膠為表面增強(qiáng)基底,建立SERS檢測(cè)牛奶中硫氰酸鈉含量的方法,以2100 cm-1處的特征峰為定量峰,檢出限為10-2μg/mL,線性范圍為0.1～10 μg/mL。銀溶膠不僅增強(qiáng)SERS信號(hào),同時(shí)還可沉淀牛奶中蛋白質(zhì),使前處理方法簡(jiǎn)單化。

綜上所述,SERS技術(shù)在亞硝酸鹽、二氧化硫、硫氰酸鈉等防腐劑的檢測(cè)應(yīng)用中,其檢出限可以達(dá)到相應(yīng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的檢出限要求,表明SERS技術(shù)在防腐劑檢測(cè)中具有較強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。

3 SERS技術(shù)檢測(cè)食品中色素

目前食用色素主要有兩大類:天然食用色素和合成食用色素。天然食用色素包括紅曲、葉綠素、姜黃素、胡蘿卜素、莧菜和糖色等從動(dòng)植物組織中提取的色素,對(duì)人體一般無(wú)害;合成食用色素,如合成莧菜紅、胭脂紅及檸檬黃等,多屬偶氮色素,是以從煤焦油中分離的苯胺染料為原料,通過(guò)重氮化、偶合、鹽析、精制而得。由于屬煤焦油系染料化合物,部分染料化合物在人體內(nèi)可形成致癌物質(zhì),如β-萘胺之類等,存在安全性問(wèn)題,故世界各國(guó)都對(duì)其使用進(jìn)行了嚴(yán)格的限制。

3.1 飲料中4-甲基咪唑和2-甲基咪唑的測(cè)定

4-甲基咪唑是一種重要的有機(jī)中間體?？蓸?lè)中的4-甲基咪唑是在以亞硫酸銨為原料生產(chǎn)焦糖色素時(shí)產(chǎn)生的。2-甲基咪唑又稱二甲基咪唑,常溫下為白色針狀結(jié)晶或結(jié)晶性粉末。陳小曼[22]等采用便攜式拉曼光譜儀測(cè)定飲料中4-甲基咪唑和2-甲基咪唑,以金納米粒子為活性基底進(jìn)行檢測(cè),并對(duì)檢測(cè)條件進(jìn)行優(yōu)化。結(jié)果顯示在最優(yōu)條件下,以Na2SO4溶液為團(tuán)聚劑,金納米粒子用量分別為250和200 μL,4-甲基咪唑和 2-甲基咪唑檢出限分別為1.70 μg/L和0.21 mg/L;線性范圍分別是0.05～5.00和1.0～20.0 mg/L。回收率分別為80.2%～82.7%和78.1%～93.5%,RSD均小于7.1%。此方法快速、操作簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確,為快速檢測(cè)含焦糖色素飲料中4-甲基咪唑和2-甲基咪唑提供新的方法。

3.2 赤蘚紅

赤蘚紅是一種紅色或紅褐色的顆?；蚍勰┤斯ず铣缮?常用于食品加工制品和飲料中,《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定飲料中最大使用量為0.05%。陳蓓蓓等[23]在拉曼峰(1273±3) cm-1處,檢測(cè)果汁飲料中赤蘚紅含量,以O(shè)TR103和OTR202表面增強(qiáng)劑,在2～20 mg/kg范圍內(nèi)線性良好,飲料中赤蘚紅檢出限為0.5 mg/kg。李言等[24]以金納米粒子作為SERS基底,優(yōu)化檢測(cè)條件,其檢出限達(dá)1 mg/L,低于規(guī)定用于食品添加時(shí)的最大使用量。謝云飛等[25]利用金納米粒子在整體柱介孔材料的有效負(fù)載,以多孔整體柱材料作為SERS基底,檢測(cè)赤蘚紅的檢測(cè)限達(dá)0.1 μg。

3.3 酸性橙Ⅱ

酸性橙Ⅱ是一種非食用色素,是橙色偶氮類染料,具有強(qiáng)致癌作用,食品中禁止加入,但因其著色效果好,價(jià)格低廉,被非法添加到食品中,如涼拌菜、辣椒面等[26]。張宗棉等[26]運(yùn)用SERS法測(cè)酸性橙Ⅱ的檢出限為0.17 mg/L,瓜子表面酸性橙Ⅱ濃度為0.01 mg/g。

3.4 莧菜紅

莧菜紅為水溶性偶氮類著色劑,有致癌性,在美國(guó)被禁用[27]。逯美紅等[28]對(duì)不同濃度的莧菜紅溶液以金納米粒子溶膠為表面增強(qiáng)基底進(jìn)行了拉曼光譜檢測(cè),檢測(cè)到其最低的濃度為10-17mol/L,此方法的靈敏度較高。楊昌彪等[29]以O(shè)TR202和OTR103為增強(qiáng)劑,采用SERS測(cè)定紅酒中莧菜紅含量,結(jié)果在1 min內(nèi)即可檢測(cè)出紅酒中非法添加的莧菜紅,得到其檢出限為50 mg/kg。

3.5 羅丹明B

羅丹明B是一種具有鮮桃紅色的人工合成染料,具有強(qiáng)烈的熒光特性,主要用于有色玻璃、皮革、特色煙花爆竹、紡織、造紙和制漆等行業(yè),同時(shí)在礦業(yè)、環(huán)保、醫(yī)藥行業(yè)中作為一種常用的實(shí)驗(yàn)室分析試劑,羅丹明B的著色效果佳,但對(duì)人體健康有潛在的致癌性、毒性和致突變性。我國(guó)在2008年已將羅丹明B列入《食品中可能違法添加的非食用物質(zhì)和易濫用的食品添加劑品種名單(第一批)》中,禁止該物質(zhì)在任何食物中使用。但因其著色效果好,成本低等被非法添加到辣椒制品等食品中。韋娜等[30]以銀溶膠為SERS活性基底,檢測(cè)辣椒面、辣椒油中羅丹明B含量,其檢出限分別為10、5 μg/g。陳蓓蓓等[23]運(yùn)用SERS技術(shù)檢測(cè)辣椒粉中的羅丹明B,以(619±3) cm-1作為定量拉曼峰。羅丹明B標(biāo)準(zhǔn)品在0.5～10 mg/kg范圍內(nèi),相關(guān)系數(shù)R2=0.9954,呈良好的線性關(guān)系。辣椒粉中羅丹明B在1～10 mg/kg 范圍內(nèi)呈線性,相關(guān)系數(shù)R2=0.9918,儀器檢出限為0.05 mg/kg,辣椒粉中羅丹明B方法檢出限為0.2 mg/kg。

3.6 蘇丹紅

蘇丹紅是一種人工合成的化學(xué)染色劑,該物質(zhì)具有偶氮結(jié)構(gòu),具有致癌性,主要用于石油、機(jī)油等工業(yè)溶劑,由于其著色效果好,被非法添加到鴨蛋黃、番茄醬、辣椒醬、熟肉等食品中。含蘇丹紅I、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的樣品經(jīng)電解法或光催化制備等技術(shù)處理后,可采用拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。Lopez等[31-32]運(yùn)用SERS技術(shù)以電解法檢測(cè)蘇丹紅I號(hào),結(jié)果在1598 cm-1處進(jìn)行定量檢測(cè),檢出限為10-7mol/L。Hu等[33]以光催化制備的ZnO/Ag納米陣列為活性基底,建立SERS法檢測(cè)蘇丹紅Ⅱ號(hào)和蘇丹紅Ⅳ號(hào),檢出限均為10-12mol/L。Jahn等[34]對(duì)食物樣品中的蘇丹紅Ⅲ號(hào)進(jìn)行SERS檢測(cè)的研究,以酶促生長(zhǎng)的銀納米粒子與親脂傳感層的SERS增強(qiáng)基底,其儀器檢出限為3.2 μmol/L,樣品中的檢出限為9 μmol/L。

3.7 檸檬黃

檸檬黃是一種橙黃色粉末狀的水溶性偶氮型酸性合成色素?！妒称钒踩珖?guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定蜜餞涼果、裝飾性果蔬、腌制蔬菜、加工堅(jiān)果、蝦味片、糕點(diǎn)上彩裝、飲料類、膨化食品等最大使用量0.1 g/kg;用于風(fēng)味發(fā)酵乳、調(diào)制煉乳、冷凍飲品、果凍,最大用量0.05 g/kg。對(duì)于食品中檸檬黃的拉曼光譜技術(shù)檢測(cè),其樣品處理需以銀膠體作為基底或者以聚合電解質(zhì)修飾后最為基底。Pieca等[35]以銀膠體作為SERS活性基底,檸檬黃的檢出限為10-10mol/L。Zhu等[36]首次對(duì)復(fù)雜樣品中的檸檬黃色素進(jìn)行檢測(cè),以簡(jiǎn)單的銀鏡反應(yīng)制備的聚合電解質(zhì),聚(烯丙胺鹽酸鹽)和聚(4-苯乙烯磺酸鈉)修飾的銀納米粒子濾紙作為SERS基底,此方法具有快速分離、預(yù)富集和檢測(cè)的特點(diǎn),其檢出限均為10-5mol/L,在實(shí)際樣品的分離與檢測(cè)方面具有良好的發(fā)展前景。

3.8 胭脂紅

胭脂紅作為食品色素可用于果汁飲料、配制酒、碳酸飲料、糖果、糕點(diǎn)、冰淇淋、酸奶等食品的著色,而不能用于肉干、肉脯制品、水產(chǎn)品等食品中,市場(chǎng)上非法使用色素將不良的原料肉,如變質(zhì)肉進(jìn)行外觀掩蓋。已有研究顯示胭脂紅具有一定的致癌和致突變作用[37-38]。張曉紅等[39]研究表明胭脂紅可不同程度引起泥鰍微核細(xì)胞率和核異常率等遺傳指標(biāo)的上升,表明胭脂紅對(duì)泥鰍紅細(xì)胞具有一定的致突變作用,具有一定的遺傳毒性。Xie等[40]以金納米粒子為活性基底,采用SERS對(duì)胭脂紅進(jìn)行檢測(cè),檢出限達(dá)5 μg/mL,可作為一種快速、超靈敏的檢測(cè)方法用于檢測(cè)食品中的胭脂紅含量。

3.9 其他色素

食品中成分很復(fù)雜,添加色素大都是混合的體系,所以對(duì)SERS的活性基底的要求和檢測(cè)條件及樣品前處理方法要求更高。Xie等[41]以石墨烯/銀納米復(fù)合材料為SERS基底,檢測(cè)多種食品著色劑,檢出限分別為檸檬黃10-5mol/L,日落黃10-5mol/L,莧菜紅10-5mol/L,赤蘚紅10-7mol/L,且利用此基底可根據(jù)特征峰分別檢測(cè)出各色素濃度為10-4mol/L的紅色素體系(包括誘惑紅、胭脂紅、莧菜紅和赤蘚紅)和黃色素體系(包括檸檬黃、日落黃、酸橙黃Ⅱ和柯衣定)中的各種色素,是一種簡(jiǎn)單、快速靈敏實(shí)時(shí)的食品著色劑檢測(cè)方法,可利用不同色素的特征峰達(dá)到檢測(cè)混合體系中的各種色素。張錦等[42]以聚偏氟乙烯銀化為孔濾膜為SERS活性基底,檢測(cè)胭脂紅、莧菜紅、赤蘚紅、柯衣定的檢出限為1 μg/mL。同時(shí),草莓紅、山楂紅、橘紅這三種混合色中的兩種單色色素,能達(dá)到初步定性篩查的目的。Xie等[43]制備SiO2@Au納米殼層,并以此為SERS基底檢測(cè)日落黃和柯衣定,檢出限為1和0.5 mg/L。

雖然SERS技術(shù)在食品中的部分著色劑已有不少研究報(bào)道,但對(duì)于其他非法著色劑,如美術(shù)綠、玉金黃、堿性嫩黃,以及一些天然色素方面的研究還待深入研究。

4 SERS技術(shù)檢測(cè)食品甜味劑

常用的甜味劑包括阿斯巴甜、糖精鈉和甜蜜素。由于這三種甜味劑均含有N、S等雜原子,特別是具有芳環(huán)或雜環(huán)結(jié)構(gòu)的糖精鈉和阿斯巴甜,會(huì)有較好的SERS信號(hào),可直接進(jìn)行SERS檢測(cè)。

4.1 糖精鈉

糖精鈉是食品工業(yè)常用的合成甜味劑,糖精鈉使用歷史悠久但一直存在爭(zhēng)議,主要源于其致癌性?！妒称钒踩珖?guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)其有最大使用量的要求,如:配制酒的最大使用量為0.15 g/kg,但市場(chǎng)上過(guò)量添加糖精鈉且不標(biāo)注成分的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。康懷志等[44]采用SERS對(duì)配制酒、白酒、紅酒、米酒等酒類食品中的糖精鈉含量進(jìn)行測(cè)定,檢出限為1 mg/L,此研究提供了一種快速、簡(jiǎn)便、成本低的分析方法。陳思等[45]采用SERS快速分析白酒中非法添加物糖精鈉的含量,其最低檢出濃度可達(dá)到1 mg/L,單個(gè)樣本檢測(cè)時(shí)間在10 min內(nèi)完成。Fu等[46]用鍍金載玻片作為增強(qiáng)基底,快速分析了白酒和葡萄酒中的糖精鈉含量,確定了糖精鈉的特征譜峰。

4.2 阿斯巴甜

阿斯巴甜是一種甜味高、熱量低的合成甜味劑,由于阿斯巴甜約是一般的糖甜的200倍,又比一般蔗糖含更少的熱量,因此也被廣泛地作為蔗糖的代替品。Buyukgoz等[47]檢測(cè)礦泉水中阿斯巴甜的含量,以銀納米粒子作為SERS增強(qiáng)基底,樣本在1002 cm-1呈線性。礦泉水樣本中阿斯巴甜的檢出限為0.17 mg/mL,定量限為56 mg/mL,濃度范圍在0～0.6 mg/mL時(shí)該方法的回收率為81%～95%。此方法所需的樣品量少,無(wú)需進(jìn)行前處理,是一種簡(jiǎn)便、快捷的分析方法。

4.3 甜蜜素

甜蜜素是一種常用的化學(xué)合成甜味劑,是目前我國(guó)食品行業(yè)中甜蜜素應(yīng)用最多的一種添加劑。對(duì)甜蜜素的安全性問(wèn)題目前存在較大的爭(zhēng)議,因此美國(guó)、日本等40多個(gè)國(guó)仍禁用甜蜜素?！妒称钒踩珖?guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品添加劑使用標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定其在食品中的最大使用量。Chen等[48]制備3種具有良好的均勻性、穩(wěn)定性的SERS基底,金納米粒子、短金納米線、長(zhǎng)金納米線纏繞成的薄膜,用于檢測(cè)甜蜜素含量,結(jié)果方法檢出限為1.6×10-9mol/L。

綜上所述,SERS技術(shù)在糖精鈉、阿斯巴甜等甜味劑的分析中,以相應(yīng)的基底作為增強(qiáng)劑,在分析時(shí)間以及檢出限要求上均能達(dá)到檢測(cè)分析要求,且所需樣品少,前處理簡(jiǎn)單,具有快捷、方便的優(yōu)勢(shì)。

5 SERS技術(shù)在食品中其他方面的應(yīng)用

5.1 SERS技術(shù)結(jié)合其他學(xué)科

拉曼光譜可結(jié)合多種化學(xué)計(jì)量學(xué)、量子力學(xué)理論、光學(xué)等領(lǐng)域知識(shí),對(duì)某些物質(zhì)實(shí)現(xiàn)較好的定量和定性研究。楊丹婷[49]基于密度泛函理論對(duì)水溶液中氨基甲酸乙酯分子的SERS光譜峰進(jìn)行解析,發(fā)現(xiàn)特征峰為396、512、672、854、996、1076、1127、1150、1273、1346、1440、1457、1622、1688、2934、2965、2991和3414 cm-1,主要是羰基、C-C鍵、C-H鍵和N-H鍵振動(dòng),其拉曼峰強(qiáng)與濃度成線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)0.9253,檢測(cè)限達(dá)17.8 μg/L。謝云飛[50]利用密度泛函理論結(jié)合超分子技術(shù)研究蒽、芘、菲、屈、苯并菲、暈苯等6種多環(huán)芳烴分子結(jié)構(gòu)和拉曼光譜信息,建立了多環(huán)芳烴分子定性的理論基礎(chǔ)。滕帥[51]采用密度泛函理論結(jié)合SERS研究磺胺醋酰、磺胺嘧啶、磺胺苯酰等磺胺類藥物,由于3種磺胺類藥物含有的活性N原子以及分子結(jié)構(gòu)上的差異,會(huì)呈現(xiàn)出不同的拉曼光譜及經(jīng)Ag原子配位后,其光譜會(huì)有相應(yīng)的增強(qiáng)或者減弱,導(dǎo)致拉曼光譜的差異,見表1,為磺胺類生物藥品的痕量檢測(cè)提供理論基礎(chǔ)。

表1 三種磺胺類藥物的SERS Table 1 The SERS of three kinds of sulfonamides

5.2 SERS技術(shù)研究生物大分子

拉曼光譜也用于研究生物大分子構(gòu)象、側(cè)鏈殘基構(gòu)型等。蛋白質(zhì)是由一條或多條具有特定氨基酸序列的多肽鏈構(gòu)成的大分子,由于空間折疊和卷曲等構(gòu)象又可將蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)層次分為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)結(jié)構(gòu)。一級(jí)結(jié)構(gòu)是指多肽鏈氨基酸序列,二級(jí)結(jié)構(gòu)是多肽鏈局部肽段骨架的螺旋結(jié)構(gòu)和折疊結(jié)構(gòu);三級(jí)結(jié)構(gòu)是二級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步緊密結(jié)構(gòu)的空間排列。四級(jí)結(jié)構(gòu)是寡聚蛋白質(zhì)中各亞基之間在空間上的相互關(guān)系和結(jié)合方式?？臻g結(jié)構(gòu)上的差異,其拉曼光譜會(huì)有差別。大豆分離蛋白拉曼特征峰主要是酰胺Ⅰ帶和酰胺Ⅲ帶的特征峰,酰胺Ⅰ帶是C=O與C-N鍵的伸張,酰胺Ⅲ帶是C-N鍵的伸張和N-H在平面上的轉(zhuǎn)折,當(dāng)大豆蛋白經(jīng)低壓均質(zhì)處理后,在壓力在1～8 MPa時(shí),基本保持原有二級(jí)結(jié)構(gòu)特征,僅β-折疊構(gòu)象含量發(fā)生了部分降低及無(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)含量的增加。隨著壓力的增大(10～30 MPa)其二級(jí)結(jié)構(gòu)中α-螺旋和無(wú)規(guī)則卷曲結(jié)構(gòu)明顯增多,β-折疊結(jié)構(gòu)含量顯著下降,760 cm-1的峰是色氨酸側(cè)鏈峰,830、850 cm-1是酪氨酸振動(dòng)峰,1450 cm-1是CH2、CH3的振動(dòng)峰,色氨酸峰強(qiáng)度顯著降低,酪氨酸峰強(qiáng)度增加,C-H譜帶強(qiáng)度先增加后降低,表明蛋白質(zhì)分子結(jié)構(gòu)展開,疏水基團(tuán)暴露在極性環(huán)境中,壓力(30～40 MPa)進(jìn)一步增加,其β-折疊構(gòu)象含量顯著增大,其他三種構(gòu)象含量的減少,這可能與此狀態(tài)下大豆蛋白亞基聚集行為有關(guān),進(jìn)一步表明大豆分離蛋白形成了可溶性聚集,這與圓二色譜的分析結(jié)果一致[52]。隋會(huì)敏[53]選用對(duì)巰基苯胺分子,在酸性和亞硝酸鈉的作用下被還原成重氮鹽離子,并作為親電試劑快速與目標(biāo)分子組氨酸和酪氨酸在堿性條件下發(fā)生反應(yīng)生成具有N=N雙鍵結(jié)構(gòu)的偶氮分子,由于2種氨基酸結(jié)構(gòu)不同,所產(chǎn)生的偶氮產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)也不同,其拉曼光譜信息也不同,然后以Ag納米粒子作為增強(qiáng)基底,利用偶氮分子特征峰與氨基酸濃度對(duì)數(shù)關(guān)系對(duì)相應(yīng)氨基酸進(jìn)行定量分析,實(shí)驗(yàn)過(guò)程1 min可完成,實(shí)現(xiàn)對(duì)混合物中2種氨基酸的同時(shí)鑒別。

此外,由表2可知,拉曼光譜還可以應(yīng)用于食品其他領(lǐng)域。如Wu等[54]通過(guò)電子束斜角沉積的方法制備出銀納米棒基底,通過(guò)拉曼顯微鏡,獲得了不同濃度黃曲霉毒素B1、B2、G1、G2的SERS光譜圖。SERS技術(shù)可用于食品中非法添加物的快速鑒別和測(cè)定、真菌毒素、食品摻偽、有害成分、食物腐敗的檢測(cè)、微生物以及食品品質(zhì)等方面的研究,取得一定效果,但還沒(méi)有普遍使用,是一個(gè)新興的思路和探究方向。

表2 拉曼光譜的應(yīng)用Table 2 Application of raman spectroscopy

6 結(jié)語(yǔ)

SERS技術(shù)在食品領(lǐng)域已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但在實(shí)際應(yīng)用中,也存在一些尚未解決的問(wèn)題,如拉曼光譜相對(duì)較弱,容易受到熒光干擾等的問(wèn)題。食品基質(zhì)復(fù)雜,熒光效應(yīng)會(huì)影響分析物與基底之間的吸附,從而大大降低甚至無(wú)法得到SERS信號(hào),直接影響拉曼光譜的檢測(cè)結(jié)果。如何去除或減少熒光效應(yīng)是拉曼領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一。此外,SERS不具備分離功能,對(duì)于一些沒(méi)有拉曼相應(yīng)的物質(zhì),需經(jīng)修飾后才會(huì)有拉曼響應(yīng),樣品前處理操作會(huì)降低SERS的便捷性。目前前處理方法復(fù)雜,多為溶劑萃取-固相萃取法,耗時(shí)且成本高,不能達(dá)到快速的目的。如何將SERS技術(shù)與其他分離技術(shù)整合,將是未來(lái)的重點(diǎn)方向之一。再者,拉曼技術(shù)在儀器分辨率、穩(wěn)定性、靈敏度等方面還存在巨大的提高空間。

SERS技術(shù)越來(lái)越多用于食品中添加劑、痕量危害化學(xué)物質(zhì)以及食物成分的檢測(cè),而食品加工過(guò)程中,某些物質(zhì)的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物、代謝物、反應(yīng)產(chǎn)物、雜質(zhì)等副產(chǎn)物等等的應(yīng)用與分析較少,這將是SERS分析的熱點(diǎn)之一。