與紅外光譜相比,拉曼光譜的適用性更好。拉曼光譜技術(shù)具有重復(fù)性強(qiáng)、無(wú)需制樣或制樣簡(jiǎn)單、對(duì)水溶液樣品有極佳的適用性、與樣品接觸少以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),這使得實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損檢測(cè)成為可能。

近年來(lái),隨著人民生活水平的不斷提高,食品行業(yè)蓬勃發(fā)展,而致病菌、毒素、農(nóng)藥殘留、重金屬、有害物質(zhì)、摻假物以及非法食品添加劑等食品污染物所引發(fā)的食品安全事件層出不窮,對(duì)人民生命健康構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。光譜技術(shù)因其無(wú)損、快速、靈敏、便攜等諸多優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注,主要包括紅外光譜與拉曼光譜。與紅外光譜相比,拉曼光譜的適用性更好。由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)之間的相互作用,散射光波長(zhǎng)相對(duì)于入射光發(fā)生改變,該現(xiàn)象被命名為“拉曼散射”,所得光譜為“拉曼光譜”,可用于鑒別和分析樣品的化學(xué)成分和分子結(jié)構(gòu),也稱為“分子指紋圖譜”。拉曼光譜技術(shù)具有重復(fù)性強(qiáng)、無(wú)需制樣或制樣簡(jiǎn)單、對(duì)水溶液樣品有極佳的適用性、與樣品接觸少以及靈敏度高等優(yōu)點(diǎn),這使得實(shí)現(xiàn)快速無(wú)損檢測(cè)成為可能。

圖1拉曼光譜技術(shù)在食品污染物檢測(cè)中的應(yīng)用

01拉曼光譜技術(shù)原理

拉曼光譜可以在簡(jiǎn)單的激光照射下提供分析物的分子振動(dòng)特征信息。在拉曼散射中,散射光與入射光的能量不同,其中入射光光子能量的損失稱為斯托克斯散射,入射光光子能量的增益稱為反斯托克斯散射(圖2a)。

在表面增強(qiáng)拉曼散射(surfaceenhanced Raman scattering,SERS)中,普遍認(rèn)為存在電磁場(chǎng)和化學(xué)增強(qiáng)兩種機(jī)制(圖2b)。

在空間偏移拉曼光譜技術(shù)(spatiallyoffset Ramanspectroscopy,SORS)中,樣品內(nèi)部深層處產(chǎn)生的拉曼散射光子相比于樣品表層的光子在散射過(guò)程中更易于橫向遷移(圖2c),因此,隨著橫向偏移量的增加,返回的拉曼信號(hào)中,表面貢獻(xiàn)逐漸減少,深層貢獻(xiàn)逐漸增加。在光入射點(diǎn)偏移一定位置處收集返回的拉曼光譜信號(hào),該信號(hào)將更多地包含樣品深層信息。

a:拉曼散射;b:表面增強(qiáng)拉曼散射；c:空間偏移拉曼散射;△S:空間偏移。圖2拉曼光譜技術(shù)基本原理示意圖

02拉曼技術(shù)在食品安全檢測(cè)中的應(yīng)用

傳統(tǒng)拉曼光譜可以對(duì)待測(cè)物進(jìn)行定性分析,并且由于拉曼光譜強(qiáng)度與待測(cè)物濃度有關(guān),拉曼技術(shù)還可以進(jìn)行定量分析檢測(cè)。近年來(lái),納米技術(shù)、傳感技術(shù)、便攜拉曼設(shè)備開發(fā)以及智能數(shù)據(jù)處理算法的快速發(fā)展推動(dòng)了各類先進(jìn)拉曼技術(shù)的進(jìn)步,包括SERS、SORS和表面增強(qiáng)空間偏移拉曼光譜(SESORS),這使得它們的操作和功能更能滿足食品安全的檢測(cè)需求和更加適用于各種檢測(cè)場(chǎng)景。

傳統(tǒng)拉曼光譜

在傳統(tǒng)拉曼光譜檢測(cè)中,激光源直接照射到樣品上,無(wú)需對(duì)技術(shù)進(jìn)行任何修改。可以通過(guò)結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)描述、定性分析(判別、分類、聚類)和定量分析。拉曼光譜與化學(xué)計(jì)量學(xué)組合可以適用于各種不同檢測(cè)對(duì)象。利用拉曼光譜聯(lián)合多變量校準(zhǔn)方法,無(wú)需樣品提取步驟即可檢測(cè)出大量玉米赤霉烯酮污染,對(duì)于快速篩選和早期檢測(cè)非常有用。利用主成分分析對(duì)液態(tài)和固態(tài)培養(yǎng)下的大腸桿菌、蠟樣芽孢桿菌、金黃色葡萄球菌和鼠傷寒沙門氏菌的拉曼光譜進(jìn)行了微小變化區(qū)分。此外,該研究將鋁替代載玻片進(jìn)行拉曼光譜分析,發(fā)現(xiàn)鋁載玻片光譜不會(huì)干擾細(xì)菌樣品拉曼信號(hào)的平面指紋

SERS表面增強(qiáng)拉曼散射

盡管傳統(tǒng)拉曼和化學(xué)計(jì)量學(xué)結(jié)合在食品安全檢測(cè)方面具有許多優(yōu)勢(shì),但是許多分子的拉曼散射強(qiáng)度本質(zhì)上是弱的。相較于普通的拉曼信號(hào),SERS可達(dá)到約5~6個(gè)數(shù)量級(jí)的提高。SERS可分為無(wú)標(biāo)記和標(biāo)記檢測(cè),其中標(biāo)記檢測(cè)需要在SERS底物中引入拉曼信標(biāo)分子,并通過(guò)抗原與抗體、生物素與親和素以及適配體等特定識(shí)別元件實(shí)現(xiàn)檢測(cè)特異性。

圖3表面增強(qiáng)拉曼散射

圖4基于SERS技術(shù)的果蔬表面農(nóng)藥殘留的快速無(wú)損檢測(cè)

ROS空間偏移拉曼光譜

在系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)上,光譜儀器的激光入射焦點(diǎn)與光譜收集系統(tǒng)的焦點(diǎn)在樣品表層空間上偏移一定的距離,故稱“空間偏移拉曼光譜”。SORS的應(yīng)用首先是在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,隨后由于其對(duì)樣品深層檢測(cè)的巨大潛力廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、國(guó)防安全、考古鑒定、食品安全、稽查打假等諸多領(lǐng)域。其深層檢測(cè)的能力,可以解決拉曼技術(shù)在不透明包裝食品和食品內(nèi)部污染物檢測(cè)中的局限性。

圖5SORS技術(shù)原理圖

表1SERS技術(shù)在食品污染物檢測(cè)中的應(yīng)用概述

03結(jié)論

結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué),拉曼技術(shù)是強(qiáng)大的分析檢測(cè)工具,用于從復(fù)雜物質(zhì)的光譜數(shù)據(jù)中提取定性和定量的化學(xué)信息。應(yīng)用功能納米材料作為增強(qiáng)基底即可在食品加工過(guò)程的各個(gè)方面對(duì)食品污染物進(jìn)行快速、簡(jiǎn)便和高靈敏度的痕量檢測(cè)分析。應(yīng)用功能納米材料作為增強(qiáng)基底即可在食品加工過(guò)程的各個(gè)方面對(duì)食品污染物進(jìn)行快速、簡(jiǎn)便和高靈敏度的痕量檢測(cè)分析。小型便攜化拉曼體系、高性能SERS襯底、有效的光譜分析算法和融合技術(shù)的發(fā)展將進(jìn)一步提升拉曼技術(shù)在食品質(zhì)量安全檢測(cè)中的潛力,并推動(dòng)這些技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際安全監(jiān)管中的應(yīng)用。

審核編輯 黃宇