拉曼光譜在食品安全檢測(cè)方面的研究進(jìn)展

蔣彩云，邵夢(mèng)佳，鄭 萍，胡海祥，姚浩旸

(1.江蘇經(jīng)貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 a.健康學(xué)院;b.江蘇省食品安全工程技術(shù)研究開發(fā)中心，江蘇 南京 211168；2.江蘇安舜技術(shù)服務(wù)有限公司，江蘇 蘇州 215300)

近年來，食品安全成為一個(gè)全球性話題。食品安全惡性事件在世界范圍內(nèi)不斷發(fā)生，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。在我國(guó)，農(nóng)藥殘留、獸藥殘留、真菌毒素等是影響食品安全的重要因素。拉曼光譜技術(shù)在食品安全檢測(cè)中具有靈敏度高、選擇性好及操作方便等優(yōu)勢(shì)。本文主要介紹拉曼光譜技術(shù)在食品安全檢測(cè)方面的應(yīng)用，為食品安全技術(shù)的研究提供參考依據(jù)。

1 拉曼光譜技術(shù)介紹

19世紀(jì)20年代，印度物理學(xué)家C.V.拉曼發(fā)現(xiàn)了拉曼散射效應(yīng)，由此衍生出的譜線就是拉曼光譜。拉曼光譜分析技術(shù)主要有五種，分別是：(1)單道檢測(cè)的拉曼光譜分析技術(shù)；(2)以CCD為代表的多通道探測(cè)器的拉曼光譜分析技術(shù)；(3)采用傅立葉變換技術(shù)的FT-Raman光譜分析技術(shù)；(4)共振拉曼光譜分析技術(shù)；(5)表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)分析技術(shù)[1]。

近幾年，隨著光學(xué)、電子學(xué)以及實(shí)驗(yàn)器材制造水平的不斷進(jìn)步，拉曼光譜技術(shù)在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用得到了快速發(fā)展。尤其是SERS技術(shù)，憑借其高靈敏度、操作簡(jiǎn)便、快速高效、無須預(yù)處理、無損耗、無污染、需要樣品數(shù)量少等優(yōu)勢(shì)，被廣泛應(yīng)用于環(huán)境衛(wèi)生、生物醫(yī)藥和食品檢測(cè)等領(lǐng)域。

2 拉曼光譜在食品安全檢測(cè)方面的應(yīng)用

2.1 食品中有毒有害物質(zhì)的檢測(cè)

2.1.1 農(nóng)藥殘留檢測(cè)

吳燕等[2]采用SERS技術(shù)對(duì)菜葉中的農(nóng)藥殘留(亞硫胺膦、福美雙和啶蟲脒)進(jìn)行快速無損檢測(cè)，整個(gè)檢測(cè)過程(包括樣品采集、光譜分析、定量預(yù)測(cè))在5 min內(nèi)便可以完成，所需時(shí)間遠(yuǎn)少于氣相色譜法、高效液相色譜法、薄層色譜法等傳統(tǒng)色譜檢測(cè)方法。宋移歡等[3]利用SERS技術(shù)對(duì)牛乳中的農(nóng)藥殘留(樂果、西維因、甲拌磷、倍硫磷)進(jìn)行快速檢測(cè)，確定了各自的拉曼特征峰，并在此基礎(chǔ)上建立了牛乳中農(nóng)藥殘留的定量分析曲線。

2.1.2 獸藥殘留檢測(cè)

吳輝陽(yáng)[4]利用拉曼光譜技術(shù)檢驗(yàn)獸藥殘留，發(fā)現(xiàn)增強(qiáng)劑SSN-5對(duì)氟喹諾酮類、硝基呋喃類等獸藥的拉曼光譜信號(hào)具有較好的增強(qiáng)作用，靈敏度高，檢出效果好。Chen等[5]采用SERS方法，結(jié)合樣品的兩步預(yù)處理過程，檢測(cè)實(shí)際牛奶樣品中的青霉素G，在進(jìn)行青霉素G殘留微量檢測(cè)的同時(shí)有效避免了樣品中其他成分的干擾。該方法具有較高的檢測(cè)靈敏度和回收率，在乳制品獸藥殘留的快速檢測(cè)中具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

2.1.3 真菌毒素檢測(cè)

楊雪倩等[6]以不同程度的霉變玉米為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，利用拉曼光譜技術(shù)采集信號(hào)，通過對(duì)基線校正去除熒光背景，再借助一系列數(shù)學(xué)算法處理，建立基于特征波長(zhǎng)光譜信息的玉米黃曲霉毒素B1(AFB1)和玉米赤霉烯酮(ZEN)含量的預(yù)測(cè)模型，顯著降低了檢測(cè)難度，具有較強(qiáng)的適用性和實(shí)用性。此研究結(jié)果為利用拉曼光譜快速、準(zhǔn)確檢測(cè)霉變玉米中真菌毒素提供了方法依據(jù)，也為其他糧食品質(zhì)的快速檢測(cè)提供了相應(yīng)的參考。袁景[7]利用SERS檢測(cè)玉米等谷物中的脫氧雪腐鐮刀菌烯醇(DON)，以銀溶膠為基質(zhì)，獲得DON水溶液的標(biāo)準(zhǔn)SERS光譜，分析DON分子的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，并檢測(cè)出谷物中添加的DON。

2.1.4 食品包裝材料污染物的快速檢測(cè)

Katsara K等[8]利用拉曼光譜和紅外光譜檢測(cè)干酪包裝的聚乙烯遷移，分別研究了三種不同硬度的干酪，以確定低密度聚乙烯從塑料包裝到干酪樣品表面的遷移。馮敬敬[9]基于實(shí)驗(yàn)得到一種結(jié)構(gòu)統(tǒng)一、方便組裝的異質(zhì)三聚體組裝體，并研究此組裝體的拉曼效應(yīng)。在拉曼增強(qiáng)效應(yīng)的基礎(chǔ)上，成功構(gòu)建出檢測(cè)食品常見包裝物質(zhì)的雙酚A(BPA)傳感器，并實(shí)現(xiàn)了自來水樣品中BPA的快速檢測(cè)?？梢?，SERS技術(shù)在食品包裝材料污染物檢測(cè)方面優(yōu)于傳統(tǒng)色譜檢測(cè)。

2.1.5 非法添加物的檢測(cè)

目前，高效液相色譜法、薄層色譜法、氣相色譜法、電化學(xué)法等方法被廣泛應(yīng)用于食品中非法添加物的檢測(cè)，但因儀器昂貴、操作復(fù)雜、成本較高等原因，無法實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的快速檢測(cè)。而拉曼光譜具有操作簡(jiǎn)便、制樣簡(jiǎn)單、設(shè)備便攜、快速高效等特點(diǎn)，可應(yīng)用于食品中非法添加物的大規(guī)?？焖贆z測(cè)。

劉宸等[10]結(jié)合高光譜和拉曼光譜技術(shù)建立了線掃描式拉曼高光譜檢測(cè)系統(tǒng)，檢測(cè)奶粉中三聚氰胺的濃度。與傳統(tǒng)的檢測(cè)方法相比，該系統(tǒng)具有更高的時(shí)效性，不必借助任何化學(xué)試劑，也無須轉(zhuǎn)化成液態(tài)形式。袁鑫等[11]利用溶劑提取前處理方法結(jié)合SERS，快速測(cè)定辣椒粉中的蘇丹紅Ⅰ號(hào)，經(jīng)歸一化法處理后的特征峰強(qiáng)度與蘇丹紅Ⅰ號(hào)的濃度呈線性關(guān)系。該方法具有前處理簡(jiǎn)單、重現(xiàn)性好、靈敏高效、設(shè)備便攜等特點(diǎn)，可以應(yīng)用于市場(chǎng)大規(guī)模的快速檢測(cè)。

2.2 食品摻偽鑒別

陳達(dá)等[12]用線性聚焦模式采集摻偽奶粉樣品的光譜，并用自適應(yīng)小波變換(AWT)算法對(duì)單點(diǎn)分析方法進(jìn)行拉曼光譜處理，有效過濾了奶粉體系中的熒光背景和噪音干擾，凸顯了摻雜體系的化學(xué)特征信息。與常規(guī)實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)方法相比，拉曼光譜技術(shù)具有簡(jiǎn)便、高效等特點(diǎn)，完全可以滿足摻雜體系具有不確定性和復(fù)雜性的奶粉檢測(cè)。

Boyaci等[13]利用SERS技術(shù)快速測(cè)定牛肉中的馬肉摻假，并開發(fā)了一種新的模型系統(tǒng)，證明了拉曼光譜技術(shù)結(jié)合主成分分析法可以快速鑒別肉類類型。然而，目前該技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)大范圍的應(yīng)用，還需研發(fā)專用的數(shù)據(jù)處理軟件并建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)及模型。

2.3 食品添加劑檢測(cè)

2.3.1 染色劑檢測(cè)

吳燕雄[14]探討了SERS技術(shù)用于食品色素檢測(cè)的可行性。在相同的實(shí)驗(yàn)方案和條件下，通過對(duì)不同濃度梯度的胭脂紅樣品進(jìn)行檢測(cè)，得出基于花狀納米銀基質(zhì)的胭脂紅的檢測(cè)限低于現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，說明SERS技術(shù)在食品染色劑檢測(cè)方面相較其他檢測(cè)方法具有優(yōu)勢(shì)。使用此基底對(duì)常見的食品染色劑進(jìn)行SERS檢測(cè)，例如亮藍(lán)(食用藍(lán)色1號(hào))、檸檬黃(酒石黃)、日落黃(食用黃色3號(hào))、莧菜紅(食用紅色9號(hào))等，均證明該方法具有可行性。

2.3.2 甜味劑檢測(cè)

張愛榆等[15]使用拉曼光譜法對(duì)合成甜味劑糖精鈉、甜蜜素和安賽蜜進(jìn)行檢測(cè)，研究了三種甜味劑的特征峰。該方法簡(jiǎn)便、高效、準(zhǔn)確，為三種甜味劑的質(zhì)量控制提供了技術(shù)依據(jù)。羅丹[16]利用SERS分析處理技術(shù)與超聲輔助萃取預(yù)處理相結(jié)合的方法，檢測(cè)糖果樣品中安賽蜜的含量?？偨Y(jié)了在不同實(shí)驗(yàn)環(huán)境下，安賽蜜和銀納米線的混合體積、溫度及pH值等條件對(duì)SERS信號(hào)的影響，最終歸屬了安賽蜜的SERS峰并確定了檢測(cè)的最佳實(shí)驗(yàn)條件。

2.3.3 抗氧化劑檢測(cè)

逯美紅等[17]利用顯微拉曼光譜技術(shù)結(jié)合密度泛函理論，分別對(duì)丁基羥基茴香醚(BHA)和特丁基對(duì)苯二酚(TBHQ)進(jìn)行拉曼光譜檢測(cè)和分析。通過與Gaussian 09軟件計(jì)算的拉曼光譜進(jìn)行比較，識(shí)別了BHA和TBHQ這兩種抗氧化劑的主要拉曼特征峰，為BHA與TBHQ的拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)提供了可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

2.3.4 亞硝酸鹽的快速檢測(cè)

祝惠惠等[18]將便攜式拉曼光譜儀的快速檢測(cè)方案作為對(duì)食品中亞硝酸鹽的預(yù)檢驗(yàn)手段。在前處理方法上，采用鋅鹽沉淀蛋白法進(jìn)行提純，提取劑為1%質(zhì)量濃度的硼砂，再依次加入亞硝酸鹽和鹽酸萘二胺令其衍生化，通過衍生物的指紋圖譜進(jìn)行SERS定性，整個(gè)前處理過程所需時(shí)間不超過15 min。通過對(duì)香腸、腌菜、海鮮干貨、臘肉和隔夜菜等數(shù)十種固體和液體食品樣本的加標(biāo)實(shí)驗(yàn)，確定該方法對(duì)于基質(zhì)復(fù)雜且多樣的食品樣本中所含的亞硝酸鹽可進(jìn)行快速、靈敏的檢測(cè)。

2.4 食品儲(chǔ)藏過程品質(zhì)分析

董晶晶[19]運(yùn)用激光共聚焦顯微拉曼光譜技術(shù)鑒別不同貯藏時(shí)間的食用油樣本，并用支持向量機(jī)法建立了食用油不同貯藏時(shí)間的分類模型，快速、準(zhǔn)確地識(shí)別了不同貯藏時(shí)間的食用油樣本。通過食用油的拉曼光譜圖，對(duì)1080 cm-1和1656 cm-1處的峰高比進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)貯藏時(shí)間越長(zhǎng)，特征峰的峰高比值就越小。實(shí)驗(yàn)表明，采用拉曼光譜技術(shù)對(duì)食用油進(jìn)行貯藏品質(zhì)分析是可行的，且具有快速、準(zhǔn)確的特點(diǎn)。

3 總結(jié)與展望

拉曼光譜技術(shù)因其檢測(cè)快速、操作簡(jiǎn)便、被測(cè)樣品無損、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于食品安全檢測(cè)領(lǐng)域。但同時(shí)該技術(shù)存在一些缺陷，如拉曼光譜技術(shù)的理論研究相對(duì)滯后、基底的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性較差影響了拉曼光譜技術(shù)的商業(yè)化應(yīng)用、拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)不完善等。

在今后的研究中，可聚焦以下幾點(diǎn)，以推動(dòng)拉曼光譜技術(shù)在食品安全檢測(cè)方面的快速發(fā)展和應(yīng)用：(1)積極研發(fā)可以與其他檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合的拉曼光譜技術(shù)，以達(dá)到適應(yīng)不同檢測(cè)環(huán)境的目的；(2)對(duì)拉曼光譜技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化與改良，并建立適合不同應(yīng)用場(chǎng)景的數(shù)據(jù)庫(kù)，以實(shí)現(xiàn)食品質(zhì)量的快速分析、預(yù)測(cè)和實(shí)時(shí)控制；(3)開發(fā)實(shí)用且簡(jiǎn)單的可處理復(fù)雜拉曼光譜數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)處理方法和軟件；(4)開發(fā)實(shí)用性強(qiáng)、成本低的拉曼光譜檢測(cè)設(shè)備；(5)不斷完善食品檢測(cè)對(duì)象的拉曼光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。