基于層次分析和逼近理想解排序法的新胭脂紅色素SERS快檢方法評價

劉志鵬，韋慶益，吳蕾蕾，蒲洪彬

（華南理工大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,廣東廣州 510641）

近年來食品安全事件頻頻發(fā)生，基于傳統(tǒng)分析的檢測方法，通常由于設(shè)備龐大、操作復(fù)雜、檢測速度較慢、成本較高等弊端無法滿足及時、快速、現(xiàn)場的食品安全檢測需求。為了滿足日益增長的食品安全快速監(jiān)管的需求，快速檢測方法受到越來越多的重視[1]，并廣泛的運用于食品的生產(chǎn)、加工、流通和銷售等各個環(huán)節(jié)管理與監(jiān)控。

目前常用于食品安全快速檢測的方法主要有比色法、酶聯(lián)免疫吸附法、膠體金免疫層析法、電化學(xué)分析法、生物發(fā)光法和光譜分析方法等等[2]。表面增強拉曼光譜技術(shù)（SERS）其因具備快速、靈敏和具有分子指紋圖譜等優(yōu)點而備受追捧[3]，在農(nóng)產(chǎn)品安全的快速檢測中受到廣泛關(guān)注。金屬-有機骨架材料（Metal-Organic Frameworks，MOFs）是一類由金屬節(jié)點與有機配體自組裝成的具有規(guī)則網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的晶態(tài)多孔配位聚合物，金屬有機框架材料通過合理調(diào)控可以實現(xiàn)吸附、物質(zhì)分離、催化、傳感等功能的納米級集成?；贛OFs的SERS傳感器已應(yīng)用在農(nóng)藥[4-6]、非法殺菌劑[7-9]、毒素[10-12]等方面的檢測。

當(dāng)前市場上基于快檢方法的快檢產(chǎn)品存在準(zhǔn)確度不高、生產(chǎn)廠家研發(fā)水平和產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊等問題，因此建立科學(xué)規(guī)范的快檢評價方法，具有非常重要的意義[1]。而目前快檢方法的性能評價大多都比較片面，局限于對快檢方法的單方面性能依次進(jìn)行比較，無法做到對不同檢測方法進(jìn)行綜合性能比較與評價，所以亟需建立一種客觀合理的多指標(biāo)綜合性能評價方法。

本文首先利用金屬有機骨架（MOFs）材料對色素的吸附作用，使色素分子吸附在MOFs材料上Au NPs附近，建立了基于Au/UiO-66(NH2)材料功能性SERS傳感器。然后，從檢測方法的適應(yīng)性、可操作性、經(jīng)濟性和技術(shù)性四個方面，選取了18個指標(biāo)，利用層次分析法（AHP）確定指標(biāo)權(quán)重。最后，結(jié)合逼近理想解排序法（TOPSIS）對基于Au/UiO-66(NH2)材料的功能性SERS傳感器、合成色素速測盒和高效液相色譜（HPLC）等三種檢測新胭脂紅色素的方法進(jìn)行了綜合性評價。

1 材料與方法

1.1 試劑與原料

四氯化鋯、2-氨基對苯二甲酸、冰乙酸，上海麥克林生化科技有限公司；三水合氯金酸、N,N-二甲基甲酰胺（DMF）、二水合檸檬酸三鈉、甲醇，上海阿拉丁試劑有限公司；硼氫化鈉，天津福晨化學(xué)試劑廠；新胭脂紅（HPLC級），上海源葉生物科技有限公司。合成色素速測盒，北京智云達(dá)科技股份有限公司。試劑均為分析純，無需進(jìn)一步純化。實驗用水是均是超純水。

1.2 實驗儀器

LabRAM HR Evolution激光共聚焦顯微拉曼光譜儀，日本HORIBA公司；SB25-12D超聲波清洗機，寧波新藝超聲設(shè)備有限公司；JW-3024HR高速冷凍離心機，安徽嘉文儀器設(shè)備有限公司；DZF-6050型真空干燥箱，上海齊欣科學(xué)儀器有限公司；DHG-9035A電熱鼓風(fēng)干燥箱，上海一恒科學(xué)儀器有限公司；IKA微型漩渦混合儀，上海精科實業(yè)有限公司；Merlin場發(fā)射掃描電子顯微鏡，德國卡爾·蔡司股份公司；WSZ-10A軌道式振蕩器，上海一恒科技有限公司；CP224C萬分之一分析天平，梅特勒托利多儀器公司；聚四氟乙烯水熱反應(yīng)釜，陜西常儀儀器設(shè)備有限公司；DF-101S磁力攪拌器，鞏義市予華儀器有限責(zé)任公司。

1.3 實驗方法

1.3.1 SERS快檢方法中MOFs材料的合成

本文參考Wang等[13]的方法并略作修改，采用溶劑熱合成法制備MOFs材料UiO-66(NH2)。具體步驟如下：取500 mL燒杯，加入209.8 mg ZrCl4，163 mg H2BDC-NH2和24 mL冰乙酸，再加入200 mL DMF超聲5 min溶解固體并混勻。混合溶液轉(zhuǎn)移至四個100 mL聚四氟乙烯反應(yīng)釜后，放置于120 ℃鼓風(fēng)干燥箱中反應(yīng)24 h。待反應(yīng)釜冷卻后，將得到的淡粉色溶液在10,000 r/min下離心5 min，去除上清液，用甲醇：DMF（V/V=4:1）混合溶液重溶再離心，重復(fù)洗3次后轉(zhuǎn)移至燒杯中，置于90 ℃真空烘箱中干燥12 h得到UiO-66(NH2)白色粉末，保存于干燥器中待用。

然后參照Liu等[14]和Wu等[15]方法，采用原位還原生長的方法在MOFs材料表面修飾Au NPs，具體步驟如下：稱取合成的UiO-66(NH2)粉末10 mg于25 mL燒杯中，加入2 mL 20 mM的水：甲醇（V/V=1:1）的HAuCl4溶液，超聲20 s溶解UiO-66(NH2)粉末。將燒杯置于磁力攪拌器中室溫攪拌4 h后，在4 ℃下冰水浴繼續(xù)攪拌1 h。隨后逐滴滴加0.5 mL 0.05 M的NaBH4，繼續(xù)冰水浴攪拌0.5 h后，反應(yīng)液離心（6000 r/min，5 min）水洗三次，加10 mL超純水溶解沉淀得到紫紅色1 mg/L的Au/UiO-66(NH2)溶液，保存于4 ℃冰箱中待用。

1.3.2 SERS快檢方法

SERS檢測參考Wu等[15]方法，首先利用金屬有機骨架MOFs材料對新胭脂紅的強吸附性能制備Au/UiO-66(NH2)功能性SERS傳感器，然后根據(jù)MOFs材料對于新胭脂紅色素吸附條件設(shè)計SERS檢測性能的優(yōu)化條件，在最優(yōu)的條件下，分別將不同濃度的新胭脂紅溶液（50、20、10、5、1 mg/L）與2 mg/mL溶度的Au/UiO-66(NH2)溶液等體積混合，利用新胭脂紅在1137 cm-1處特征峰的強度和新胭脂紅濃度的對數(shù)繪制擬合定量標(biāo)準(zhǔn)曲線，最后對實際樣品冰紅茶進(jìn)行加標(biāo)處理（如圖1所示），將50 μL 2 mg/mL溶度的Au/UiO-66(NH2)溶液與50 μL的加標(biāo)新胭脂紅溶液振蕩混合40 min，采用633 nm氦氖激光器作為激發(fā)源的激光共聚焦拉曼光譜儀收集混合溶液的拉曼光譜，通過標(biāo)準(zhǔn)曲線計算出SERS檢測的回收率和相對標(biāo)準(zhǔn)偏差。

圖1 美年達(dá)和辣椒粉中加標(biāo)新胭脂紅的檢測流程Fig.1 The detection process of adding new coccine to Mirinda and chili powder

合成色素速測盒的檢測方法見合成色素速測盒說明書。

HPLC檢測，采用C18色譜柱（4.6 mm×250 mm，5 μm）對加標(biāo)樣品中的色素進(jìn)行分離，流動相A為0.02 M的乙酸銨溶液，流動相B為甲醇，采用梯度洗脫，方法見表1，進(jìn)樣量為2 μL，柱溫30 ℃。檢測器為二級管陣列檢測器，檢測波長為300～700 nm。

表1 梯度洗脫方法Table 1 The method for gradient elution

用于綜合性能評價的加標(biāo)冰紅茶樣品總數(shù)為95個，設(shè)置0、2、5、10 mg/L的新胭脂紅濃度水平，其中0 mg/L濃度水平的樣品數(shù)量為5、2、5、10 mg/L濃度水平的樣品數(shù)量均為30。分別采用功能性SERS傳感器、合成色素速測盒及HPLC對95個加標(biāo)樣品進(jìn)行檢測。

1.4 建立基于AHP-TOPSIS的色素SERS快檢評價模型

1.4.1 新胭脂紅色素檢測方法評價指標(biāo)的確定

評價指標(biāo)的選取對于色素檢測方法的綜合評價研究至關(guān)重要，本文參照《食品快速檢測方法評價技術(shù)規(guī)范》的附表“快速檢測方法性能指標(biāo)計算表”，從檢測方法的適應(yīng)性、可操作性、經(jīng)濟性和技術(shù)性這四個方面，選取18個評價指標(biāo)，對三種檢測方法進(jìn)行綜合性能評價。適應(yīng)性指標(biāo)B1主要包括前處理設(shè)備依賴程度C1、檢測設(shè)備依賴程度C2、檢驗壞境C3、試劑儲藏條件C4、專業(yè)操作人員數(shù)量C5、專業(yè)操作人員培訓(xùn)要求C6，共六個指標(biāo)；可操作性指標(biāo)B2主要有前處理時間C7、檢測時間C8、檢驗總步數(shù)C9、試劑時效性程度C10、試劑配置難易程度C11，共五個指標(biāo)；經(jīng)濟性指標(biāo)B3主要包括試劑耗材成本C12、檢測設(shè)備成本C13，共兩個指標(biāo)；技術(shù)性指標(biāo)B4主要包括檢測限C14、相對準(zhǔn)確度C15、假陽性率C16、假陰性率C17、與參比方法一致性C18，共五個指標(biāo)?？傆?8個指標(biāo)，其中定量指標(biāo)10個，定性指標(biāo)8個，效益型指標(biāo)1個(相對準(zhǔn)確度C15)，成本型指標(biāo)17個。如圖2所示。

圖2 新胭脂紅色素檢測方法評價指標(biāo)體系Fig.2 Evaluation index system of new coccine detection method

其中定量指標(biāo)可以直接通過AHP-TOPSIS進(jìn)行評價，但是定性指標(biāo)需要經(jīng)過量化處理后才能進(jìn)行評價，本文三種檢測方法綜合性能在定性指標(biāo)的表現(xiàn)采用模糊綜合評價法[16]，通過專家評分的方式進(jìn)行確定。為了使每種定性指標(biāo)量化盡量統(tǒng)一，對所有定性指標(biāo)均設(shè)置為5個評價等級，利用模糊數(shù)1、3、5、7、9分別對5個評價等級進(jìn)行量化處理，其中1代表最優(yōu)等級，9代表最次等級。

1.4.2 層次分析法（AHP）確定權(quán)重

AHP法（Analytic Hierarchy Process）是層次分析法，具有將評價指標(biāo)分門別類、逐級分層等優(yōu)點，可以由上到下構(gòu)建出目標(biāo)層、準(zhǔn)則層和指標(biāo)層組成的評價指標(biāo)體系。在賦予指標(biāo)權(quán)重時，利用下層指標(biāo)對相鄰上層指標(biāo)的影響確定各個指標(biāo)的權(quán)重[17-19]。

AHP主要包括以下步驟：建立層次結(jié)構(gòu)模型，確定問題所包含的指標(biāo)，并根據(jù)各指標(biāo)的相互關(guān)系將各因素分組、分層，建立反映各指標(biāo)關(guān)聯(lián)隸屬關(guān)系的層次結(jié)構(gòu)模型；然后建立判斷矩陣，計算判斷矩陣X的最大特征值λmax和特征向量，求出特征向量W經(jīng)過歸一化后指標(biāo)的權(quán)重；最后進(jìn)行一致性檢驗[20]。

1.4.3 TOPSIS評價模型

逼近理想解排序法TOPSIS法（Technique for Order Preference by Similarity to Ideal Solution）通過計算評價對象與最優(yōu)解、最劣解的距離來進(jìn)行排序，若評價對象最靠近最優(yōu)解同時又最遠(yuǎn)離最劣解，則為最好，否則為最差[20]。主要步驟如下：首先構(gòu)建初始評判矩陣，設(shè)有M個待選方案，N個評價指標(biāo)，則待選方案集為F={Y1,Y2, …Ym}，評價指標(biāo)集a={a1,a2, …an}。因此，初始評判矩陣為A，如圖3式（1）所示。然后對矩陣進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理消除指標(biāo)之間的不可公度性，得到標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B=(bij)m×n。將標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣B與經(jīng)歸一化后的指標(biāo)權(quán)重向量Wi=[w1,w2,…,wn]T相乘，得到加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化決策矩陣C=(cij)m×n。根據(jù)圖3中式（4）確定正負(fù)理想解，然后計算出各方案到正負(fù)理想解的距離。最終將評價對象到正理想解的貼近度矩陣E和相對應(yīng)的準(zhǔn)則層權(quán)重向量W相乘，得到綜合評價結(jié)果。

圖3 TOPSIS評價模型的計算流程圖Fig.3 The Calculation process of TOPSIS evaluation model

2 結(jié)果與討論

2.1 SERS快檢方法的檢測性能結(jié)果

通過 SEM 對合成的 UiO-66(NH2)，Au/UiO-66(NH2)進(jìn)行表征，發(fā)現(xiàn)UiO-66(NH2)呈八面體晶體結(jié)構(gòu)，表面光滑，晶體平均粒徑為230 nm；從Au/UiO-66(NH2)的掃描電鏡圖中可以看出Au NPs均勻分散在UiO-66(NH2)上，顆粒大小較為均一，粒徑大約為32 nm，說明Au NPs成功地生長附著在八面體UiO-66(NH2)材料上。

為了探討利用該功能性SERS傳感器檢測非法添加新胭脂紅色素的檢測效果，本文研究了Au/UiO-66(NH2)材料檢測新胭脂紅的重復(fù)性和穩(wěn)定性，選擇Au/UiO-66(NH2)材料作為基底時，由于N-H的變形振動，可以觀察到有明顯的色素特征峰，其中1137 cm-1處的新胭脂紅特征峰被顯著增強。圖4a為利用Au/UiO-66(NH2)材料連續(xù)10次測試新胭脂紅的SERS光譜結(jié)果，經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)新胭脂紅在1137 cm-1特征峰處的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為10.97%，小于20%。圖4b為新胭脂紅的SERS光譜特征峰（新胭脂紅為1137 cm-1處特征峰）信號強度隨Au/UiO-66(NH2)材料儲存時間變化的情況，從圖中可以看出經(jīng)過3周的儲存時間后，該SERS傳感器對新胭脂紅色素的檢測信號仍然保持了很高的強度，信號強度在初始檢測值的90%以上。以上結(jié)果表明這種基底具有良好的重復(fù)性和穩(wěn)定性，能夠有效的對非法添加的新胭脂紅色素分子進(jìn)行定性和定量分析檢測。

圖4 (a)Au/UiO-66(NH2)連續(xù)10次檢測新胭脂紅的拉曼光譜；(b)新胭脂紅與儲存不同天數(shù)的Au/UiO-66(NH2)混合后在特征峰1137 cm-1處的信號強度Fig.4 (a) SERS spectra of new coccine from 10 different tests by Au/UiO-66(NH2) and (b) SERS intensities of new coccine at 1137 cm-1 by Au/UiO-66(NH2) stored for different days

將不同濃度的新胭脂紅溶液（50、20、10、5、1 mg/L）與Au/UiO-66(NH2)溶液混合，根據(jù)優(yōu)化條件進(jìn)行檢測。檢測結(jié)果如圖5所示，表明新胭脂紅色素濃度和拉曼信號之間呈現(xiàn)良好的正相關(guān)性。同時，利用新胭脂紅在1137 cm-1處特征峰的強度和新胭脂紅濃度的對數(shù)繪制擬合定量標(biāo)準(zhǔn)曲線，線性范圍為1 mg/L至50 mg/L，得到回歸方程為y=712.48x+330.40，決定系數(shù)R2為0.9684，計算出檢測限為0.40 mg/L。He等[21]利用半胱胺修飾SERS底物檢測檸檬黃色素的線性范圍為1.0～20 mg/L，最低可檢測溶度為1 mg/L；Ou等[22]利用金納米棒為底物的SERS檢測誘惑紅和日落黃色素，線性范圍分別為0.1～5 mg/L，0.1～10 mg/L。Lu等[23]通過合成金銀核殼作為SERS底物檢測蘇丹I和蘇丹II的線性范圍分別為0.4～1.0 mg/L和0.6～1.0 mg/L。從檢測的線性范圍和檢測線對比發(fā)現(xiàn)，本文的Au/UiO-66(NH2)功能性SERS傳感器在檢測食品中的非法添加色素方面表現(xiàn)出了更優(yōu)異的性能，具有更高的靈敏度和更寬的線性范圍。

圖5 (a)不同濃度的新胭脂紅與Au/UiO-66(NH2)混合孵育后的拉曼光譜；(b)對應(yīng)光譜在1137 cm-1處的拉曼信號強度與新胭脂紅濃度的對數(shù)間的線性關(guān)系圖Fig.5 (a) SERS spectra of new coccine with different concentrations based on the Au/UiO-66(NH2) and (b) the calibration curve between the logarithmic concentration of new coccine and Raman intensity of new coccine at 1137 cm-1

2.2 綜合評價體系

通過功能性SERS傳感器、合成色素速測盒及HPLC三種檢測方法，對0，2，5，10 mg/L新胭脂紅濃度水平的95個加標(biāo)樣品進(jìn)行檢測，功能性SERS傳感器的回收率為88.00%～95.61%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為6.55%～24.31%；HPLC的回收率為82.57%～99.94%，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.27%～5.09%，采用AHP-TOPSIS評價方法對基于Au/UiO-66(NH2)材料的功能性SERS傳感器（Y1），合成色素速測盒（Y2），高效液相色譜HPLC(Y3)等三種檢測新胭脂紅色素的方案進(jìn)行綜合性評價。原始結(jié)果評價數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 各方案的綜合評價體系Table 2 Synthetic assessment indexes system of schemes

2.3 確定指標(biāo)權(quán)重

首先利用層次分析法構(gòu)建目標(biāo)層對于準(zhǔn)則層的O-B判斷矩陣，如表3所示。

表3 O-B判斷矩陣Table 3 Judge matrix of O-B membership

檢驗O-B判斷矩陣的一致性，由權(quán)重向量可得，λmax=4.0042，CI=0.0014查表知RI=0.96，CR=CI/RI=0.0014＜0.1，滿足一致性檢驗標(biāo)準(zhǔn)。因此權(quán)重向量W=[0 .0704 0.19290.36830.3683]。同理，可根據(jù)指標(biāo)層的判斷矩陣求出各評價指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。

2.4 計算指標(biāo)貼近度

2.4.1 適應(yīng)性指標(biāo)評判

根據(jù)表3構(gòu)建適應(yīng)性指標(biāo)的初始評判矩陣：

根據(jù)圖3式（2）（3）計算適應(yīng)性指標(biāo)的加權(quán)標(biāo)準(zhǔn)化矩陣：

專用前處理設(shè)備依賴程度、專用檢測設(shè)備依賴程度、檢驗壞境、試劑儲藏條件、專業(yè)操作人員數(shù)量、專業(yè)操作人員培訓(xùn)要求均屬于成本型指標(biāo)，由圖3式（4）可知適應(yīng)性指標(biāo)的正、負(fù)理想解分別為：

計算各待選方案到正負(fù)理想解的距離為：

則待選方案到正理想解的貼近度為：

由此可見，在適應(yīng)性指標(biāo)中，方案二合成色素速測盒為最優(yōu)方案，這主要是因為合成色素速測盒相比于其他兩種檢測手段而言對檢測設(shè)備依賴程度低，對試劑儲存條件及操作人員的專業(yè)性要求低。

2.4.2 可操作性指標(biāo)、經(jīng)濟性指標(biāo)和技術(shù)性指標(biāo)評判

同理，可以計算出可操作性指標(biāo)、經(jīng)濟性指標(biāo)和技術(shù)性指標(biāo)到正理想解的貼近度為：

由此可知，在可操作性指標(biāo)中，方案二合成色素速測盒為最優(yōu)方案；在經(jīng)濟性指標(biāo)中，方案一功能性SERS傳感器為最優(yōu)方案，這是由于SERS傳感器檢測試劑耗材成本極低，經(jīng)過層次分析法權(quán)重計算，經(jīng)濟性指標(biāo)的綜合評價中功能性SERS傳感器為最優(yōu)方案；在技術(shù)性指標(biāo)中，方案三HPLC檢測為最優(yōu)方案，因為高效液相色譜法檢測結(jié)果的檢測限低、相對準(zhǔn)確度高、假陽性率和陰性率均極低。

2.4.3 確定最優(yōu)新胭脂紅色素檢測評價方案

由評價指標(biāo)貼近度構(gòu)造的矩陣E為：

權(quán)重向量W=[0 .0704 0.19290.36830.3683]，計算三種檢測方案的綜合優(yōu)越度為：

綜上可知，新胭脂紅色素的三種檢測方案的綜合評價值為0.66、0.31、0.58，待選方案的優(yōu)劣排序為：Y1＞Y3＞Y2?；贏u/UiO-66(NH2)材料的功能性SERS快速檢測色素方法優(yōu)于高效液相色譜（HPLC）法和合成色素速測盒。

3 結(jié)論

3.1 本文以食品中非法添加色素的快速檢測為目的，合成了具有色素吸附性能的金屬有機骨架（MOFs）材料UiO-66(NH2)，并在其上原位生長等離子體納米顆粒（PNPs），建立了基于Au/UiO-66(NH2)材料的功能性SERS快速檢測色素方法。在最優(yōu)條件下，新胭脂紅色素在1137 cm-1處的拉曼特征峰的強度與濃度在1.0 mL～50 mg/L范圍內(nèi)的對數(shù)具有良好的線性關(guān)系，R2為0.9684，檢測限低至0.40 mg/L。

3.2 本研究提出了一種基于AHP-TOPSIS的功能性SERS傳感器快速檢測色素方法的評價模型，結(jié)合檢測方案的適應(yīng)性、可操作性、經(jīng)濟性和技術(shù)性四個方面確定了18個評價指標(biāo)，采用層次分析法確定了指標(biāo)權(quán)重。

3.3 利用TOPSIS評價模型，計算得出每個方案的綜合評價值分別為0.66、0.31、0.58，可知，Y1＞Y3＞Y2。在方法的適應(yīng)性和可操作性方面，合成色素速測盒更勝一籌，在方法的技術(shù)性方面，HPLC法比功能性SERS傳感器更為準(zhǔn)確，但是在四個方面的綜合評價上，功能性SERS傳感器綜合得分最高，表明方案一基于Au/UiO-66(NH2)材料的功能性SERS傳感器檢測色素方法能夠代替合成色素速測盒和高效液相色譜（HPLC）法。本研究中的SERS檢測方法為快速篩查食品中非法添加色素提供了一種新的選擇，對SERS技術(shù)在色素檢測領(lǐng)域的推廣應(yīng)用具有一定現(xiàn)實意義。