与红外光谱相比,拉曼光谱的适用性更好。拉曼光谱技术具有重复性强、无需制样或制样简单、对水溶液样品有的适用性、与样品接触少以及灵敏度高等优点,这使得实现快速无损检测成为可能。

近年来,随着人民生活水平的不断提高,食品行业蓬勃发展,而致病菌、毒素、农药残留、重金属、有害物质、掺假物以及非法食品添加剂等食品污染物所引发的食品安全事件层出不穷,对人民生命健康构成了严重威胁。光谱技术因其无损、快速、灵敏、便携等诸多优点受到广泛关注,主要包括红外光谱与拉曼光谱。与红外光谱相比,拉曼光谱的适用性更好。由于入射光与分子运动之间的相互作用,散射光波长相对于入射光发生改变,该现象被命名为“拉曼散射”,所得光谱为“拉曼光谱”,可用于鉴别和分析样品的化学成分和分子结构,也称为“分子指纹图谱”。拉曼光谱技术具有重复性强、无需制样或制样简单、对水溶液样品有的适用性、与样品接触少以及灵敏度高等优点,这使得实现快速无损检测成为可能。

图1 拉曼光谱技术在食品污染物检测中的应用

01 拉曼光谱技术原理

拉曼光谱可以在简单的激光照射下提供分析物的分子振动特征信息。在拉曼散射中,散射光与入射光的能量不同,其中入射光光子能量的损失称为斯托克斯散射,入射光光子能量的增益称为反斯托克斯散射(图2a)。

在表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)中,普遍认为存在电磁场和化学增强两种机制(图2b)。

在空间偏移拉曼光谱技术(spatially offset Raman spectroscopy,SORS)中,样品内部深层处产生的拉曼散射光子相比于样品表层的光子在散射过程中更易于横向迁移(图2c),因此,随着横向偏移量的增加,返回的拉曼信号中,表面贡献逐渐减少,深层贡献逐渐增加。在光入射点偏移一定位置处收集返回的拉曼光谱信号,该信号将更多地包含样品深层信息。

a:拉曼散射;b:表面增强拉曼散射；c:空间偏移拉曼散射;△S:空间偏移。图2 拉曼光谱技术基本原理示意图

02 拉曼技术在食品安全检测中的应用

传统拉曼光谱可以对待测物进行定性分析,并且由于拉曼光谱强度与待测物浓度有关,拉曼技术还可以进行定量分析检测。近年来,纳米技术、传感技术、便携拉曼设备开发以及智能数据处理算法的快速发展推动了各类拉曼技术的进步,包括SERS、SORS和表面增强空间偏移拉曼光谱(SESORS),这使得它们的操作和功能更能满足食品安全的检测需求和更加适用于各种检测场景。

传统拉曼光谱

在传统拉曼光谱检测中,激光源直接照射到样品上,无需对技术进行任何修改。可以通过结合化学计量学方法,实现数据描述、定性分析(判别、分类、聚类)和定量分析。拉曼光谱与化学计量学组合可以适用于各种不同检测对象。利用拉曼光谱联合多变量校准方法,无需样品提取步骤即可检测出大量玉米赤霉烯酮污染,对于快速筛选和早期检测非常有用。利用主成分分析对液态和固态培养下的大肠杆菌、蜡样芽孢杆菌、和鼠伤的拉曼光谱进行了微小变化区分。此外,该研究将铝替代载玻片进行拉曼光谱分析,发现铝载玻片光谱不会干扰细菌样品拉曼信号的平面指纹

SERS表面增强拉曼散射

尽管传统拉曼和化学计量学结合在食品安全检测方面具有许多优势,但是许多分子的拉曼散射强度本质上是弱的。相较于普通的拉曼信号,SERS可达到约5~6个数量级的提高。SERS可分为无标记和标记检测,其中标记检测需要在SERS底物中引入拉曼信标分子,并通过抗原与抗体、与亲和素以及适配体等特定识别元件实现检测特异性。

图3 表面增强拉曼散射

图4 基于SERS技术的果蔬表面农药残留的快速无损检测

ROS空间偏移拉曼光谱

在系统的光学结构上,光谱仪器的激光入射焦点与光谱收集系统的焦点在样品表层空间上偏移一定的距离,故称“空间偏移拉曼光谱”。SORS的应用首先是在生物医学领域,随后由于其对样品深层检测的巨大潜力广泛应用于化工生产、生物医学、国防安全、考古鉴定、食品安全、稽查打假等诸多领域。其深层检测的能力,可以解决拉曼技术在不透明包装食品和食品内部污染物检测中的局限性。

图5 SORS技术原理图

表1 SERS技术在食品污染物检测中的应用概述

03 结论

结合化学计量学,拉曼技术是强大的分析检测工具,用于从复杂物质的光谱数据中提取定性和定量的化学信息。应用功能纳米材料作为增强基底即可在食品加工过程的各个方面对食品污染物进行快速、简便和高灵敏度的痕量检测分析。应用功能纳米材料作为增强基底即可在食品加工过程的各个方面对食品污染物进行快速、简便和高灵敏度的痕量检测分析。小型便携化拉曼体系、高性能SERS衬底、有效的光谱分析算法和融合技术的发展将进一步提升拉曼技术在食品质量安全检测中的潜力,并推动这些技术从实验室到实际安全监管中的应用。

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