與紅外光譜相比,拉曼光譜的適用性更好。拉曼光譜技術具有重復性強、無需制樣或制樣簡單、對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點,這使得實現快速無損檢測成為可能。

近年來,隨著人民生活水平的不斷提高,食品行業蓬勃發展,而致病菌、毒素、農藥殘留、重金屬、有害物質、摻假物以及非法食品添加劑等食品污染物所引發的食品安全事件層出不窮,對人民生命健康構成了嚴重威脅。光譜技術因其無損、快速、靈敏、便攜等諸多優點受到廣泛關注,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動之間的相互作用,散射光波長相對于入射光發生改變,該現象被命名為“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成分和分子結構,也稱為“分子指紋圖譜”。拉曼光譜技術具有重復性強、無需制樣或制樣簡單、對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點,這使得實現快速無損檢測成為可能。

圖1拉曼光譜技術在食品污染物檢測中的應用

01拉曼光譜技術原理

拉曼光譜可以在簡單的激光照射下提供分析物的分子振動特征信息。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)。

在表面增強拉曼散射(surfaceenhanced Raman scattering,SERS)中,普遍認為存在電磁場和化學增強兩種機制(圖2b)。

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

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

02拉曼技術在食品安全檢測中的應用

傳統拉曼光譜可以對待測物進行定性分析,并且由于拉曼光譜強度與待測物濃度有關,拉曼技術還可以進行定量分析檢測。近年來,納米技術、傳感技術、便攜拉曼設備開發以及智能數據處理算法的快速發展推動了各類先進拉曼技術的進步,包括SERS、SORS和表面增強空間偏移拉曼光譜(SESORS),這使得它們的操作和功能更能滿足食品安全的檢測需求和更加適用于各種檢測場景。

傳統拉曼光譜

在傳統拉曼光譜檢測中,激光源直接照射到樣品上,無需對技術進行任何修改。可以通過結合化學計量學方法,實現數據描述、定性分析(判別、分類、聚類)和定量分析。拉曼光譜與化學計量學組合可以適用于各種不同檢測對象。利用拉曼光譜聯合多變量校準方法,無需樣品提取步驟即可檢測出大量玉米赤霉烯酮污染,對于快速篩選和早期檢測非常有用。利用主成分分析對液態和固態培養下的大腸桿菌、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行了微小變化區分。此外,該研究將鋁替代載玻片進行拉曼光譜分析,發現鋁載玻片光譜不會干擾細菌樣品拉曼信號的平面指紋

SERS表面增強拉曼散射

盡管傳統拉曼和化學計量學結合在食品安全檢測方面具有許多優勢,但是許多分子的拉曼散射強度本質上是弱的。相較于普通的拉曼信號,SERS可達到約5~6個數量級的提高。SERS可分為無標記和標記檢測,其中標記檢測需要在SERS底物中引入拉曼信標分子,并通過抗原與抗體、生物素與親和素以及適配體等特定識別元件實現檢測特異性。

圖3表面增強拉曼散射

圖4基于SERS技術的果蔬表面農藥殘留的快速無損檢測

ROS空間偏移拉曼光譜

在系統的光學結構上,光譜儀器的激光入射焦點與光譜收集系統的焦點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的應用首先是在生物醫學領域,隨后由于其對樣品深層檢測的巨大潛力廣泛應用于化工生產、生物醫學、國防安全、考古鑒定、食品安全、稽查打假等諸多領域。其深層檢測的能力,可以解決拉曼技術在不透明包裝食品和食品內部污染物檢測中的局限性。

圖5SORS技術原理圖

表1SERS技術在食品污染物檢測中的應用概述

03結論

結合化學計量學,拉曼技術是強大的分析檢測工具,用于從復雜物質的光譜數據中提取定性和定量的化學信息。應用功能納米材料作為增強基底即可在食品加工過程的各個方面對食品污染物進行快速、簡便和高靈敏度的痕量檢測分析。應用功能納米材料作為增強基底即可在食品加工過程的各個方面對食品污染物進行快速、簡便和高靈敏度的痕量檢測分析。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的發展將進一步提升拉曼技術在食品質量安全檢測中的潛力,并推動這些技術從實驗室到實際安全監管中的應用。

審核編輯 黃宇