表面增強拉曼光譜加速食品檢測

圖1.  三聚氰胺在鮮牛奶中的表面增強拉曼盲測結果，2008年10月10日。

本文介紹了表面增強拉曼光譜技術在快速檢測三聚氰胺、蘇丹紅1號、孔雀石綠等違禁添加劑中的應用。利用 OptoTrace公司開發的 RamTracer系列便攜式拉曼檢測儀和擁有ZL技術的表面增強試劑以及芯片（NanoDog），通過簡單的樣品前處理手段，即可實現對食品中非法添加劑和過量添加劑進行現場實時檢測。其中，三聚氰胺標準品系統檢測時間小于1min，方法檢測限為2μg/L；蘇丹紅1號標準品系統檢測時間約為1min，方法檢測限為10μg/L；孔雀石綠標準品系統檢測時間約為2min，方法檢測限為1μg /L。

拉曼光譜（Raman Spectroscopy）分析技術是以拉曼效應為基礎建立起來的分子結構表征技術，其譜線位置 (位移值)、譜線數目、和譜帶強度等直接反映了基于化學分子鍵的延伸和彎曲的振動模式信息，進而可以了解分子的構成及構象信息。

OptoTrace公司研發的 RamTracer系列便攜式拉曼檢測儀體積遠小于普通大型拉曼檢測儀，一般尺寸約為 20cm×15cm×7cm，新研發的手持機型更是只有兩個手機大小，便于攜帶，適應現場檢測需求，內置高容量可充電鋰電池，可在現場持續工作約5h以上；檢測儀的光源采用785nm穩頻激光，功率可在0~300mW范圍內連續調節，能夠根據不同檢測對象的性質進行實時調整；檢測儀的光譜范圍一般為250~2400cm-1，可檢測絕大多數常見物質，而 6cm-1 的高分辨率可解析復雜結構的分子信息，即便是檢測含有多成份的混合物，也能得到清晰易辨識的拉曼譜圖。

在開發高性能便攜式拉曼光譜檢測儀的基礎上，OptoTrace還領先性地將研發力量投入到了推廣表面增強拉曼光譜檢測技術和應用上，以應對在微量檢測領域，尤其是食品安全領域低濃度違禁添加劑的檢測需求，用來彌補普通拉曼方法無法快速檢測微量樣本的問題。表面增強拉曼光譜技術（SERS）是利用微量分子吸附于Cu、Ag、Au等金屬溶膠或電極表面，使其拉曼光譜信號可增強104~109倍，從而獲得較好的信號響應；SERS技術是一種新的微量測試技術，可以在分子水平上研究材料分子的結構信息，如銀納米粒子，銀膠體粒子上的聯喹啉等。OptoTrace 公司應用ZL技術自主研發的 NanoDog表面增強拉曼納米試劑和芯片，通過優化納米特性尺度進一步使檢測靈敏度的級別提高到ppb水平，使微量以至于痕量物質檢測成為可能。

圖2.  蘇丹紅1號在辣椒粉中的檢測實例。

三聚氰胺檢測

2008年10月15日，國家質量監督檢驗檢疫總局、國家標準化管理委員會批準發布了《原料乳中三聚氰胺快速檢測液相色譜法》(GB/T22400-2008) 國家標準，規定了三聚氰胺的快速檢測方法的檢測定量限。標準規定了高效液相色譜法為三聚氰胺的快速檢測方法，定量檢測范圍為0.30~100mg/kg，方法檢測限為0.05mg/kg。標準適用于原料乳，也適用于不含添加物的液態乳制品。

但面對如今高通量、大范圍的三聚氰胺社會檢測需求，上述國家質檢總局發布的三聚氰胺檢測技術國家標準雖然能夠對未知樣品進行定量檢測，確定其物質成分，但其檢測成本高、送檢周期長的缺陷也日益突顯。為了讓一些中小型企業易于接受，目前市場上已經出現了很多三聚氰胺檢測試劑盒，這種試劑盒采用的是競爭性酶聯免疫反應（ELISA）方法，每次可對近80多個三聚氰胺樣品進行測試，但ELISA方法檢測三聚氰胺的精確度有限，同時還不排除其他類似化合物也會出現同樣的檢測結果。

倒奶殺牛的慘劇不斷，企業生產遭遇收奶難題，快速檢測三聚氰胺的技術成為國家提振乳業的當務之需。OptoTrace公司針對社會需求，研發了一整套完備的表面增強拉曼檢測方法，有能力檢測液態奶中是否含有三聚氰胺，且重現性良好，樣品前處理簡單，全程檢測時間最長僅為5min，實樣檢測限為1mg/kg，檢測成本低，設備操作相對簡捷，十分適合奶站收奶及企業生產現場的快速檢測。

2008年10月10日OptoTrace公司分別與合作單位中國檢驗檢疫科學研究院和北京工業大學參加了由科技部、質檢總局、衛生部和農業部組織的生鮮奶中三聚氰胺快速方法統一測試，檢測技術要求如下：檢測限小于或等于2mg/kg（L）；樣品檢測時間小于30min（包括前處理）。盲測結果：檢測限1mg/kg（L）；9個盲樣檢測時間1.5h，樣品平均檢測時間10min（包括前處理）；檢測結果100%正確。

圖3.  孔雀石綠的檢測實例。

如圖1所示，將不同濃度三聚氰胺插標牛奶測得的譜圖進行比較，710cm-1附近的峰為三聚氰胺的特征峰，從圖上可以看出空白牛奶在710cm-1附近基本觀測不到拉曼峰，隨著濃度逐漸升高，特征峰的強度也逐漸升高，并呈現一定的線性關系。

應用便攜拉曼系統對牛奶中的三聚氰胺進行檢測，只需取少量牛奶樣品進行處理后，即可進行檢測，一般來說從樣品處理到得出檢測結果，前后全程約為5min，若應用OptoTrace高靈敏拉曼系統，檢測時間可短于2s；而對于三聚氰胺在鮮牛奶中的快速篩查檢測全程可短于2min。 該方法檢測限為2μg/L（優于0.050mg/L現有色譜國家標準檢測限一個數量級），檢測全程簡便快速，并可進行現場檢測。因而拉曼方法符合對大批量牛奶樣品中三聚氰胺含量進行現場快速篩查評估的要求，有望解決現時牛奶中三聚氰胺檢測通量嚴重不足的實際問題以及現場檢測的需求。

蘇丹紅檢測

蘇丹紅具有致癌性，對人體的肝腎器官具有明顯的毒性作用，1995年歐盟等國家已禁止其作為色素在食品中進行添加，對此我國也明文禁止。

當前蘇丹紅的檢測國家標準（GB/T 19681—2005）采用的是高效液相色譜法，其檢測步驟主要是通過層析濃縮等步驟分離出蘇丹紅并通過液相色譜儀進行檢測，這種方法同樣存在著檢測周期長，樣品處理繁瑣等不足。

OptoTrace公司針對辣椒粉中摻入的蘇丹紅1號，研發了一套相對簡單的前處理手段，通過有機萃取和轉化，有效地去除萃取液中其他成分對于蘇丹紅1號拉曼信號的干擾，并開發了專用的表面增強試劑；現階段，利用表面增強拉曼光譜法，使用RamTracer-200檢測儀，蘇丹紅1號的標樣檢測限達到了10μg/L，系統檢測時間約為1min；檢測辣椒粉中的蘇丹紅1號，實際樣品檢測全過程不超過2min，檢測限為10mg/kg。同時，研發小組也在加緊工作，有望在短期內進一步完善檢測方法。

孔雀石綠檢測

孔雀石綠可用作殺菌、驅蟲劑，是藥用染料中抗菌效力較強的一類，屬于三苯甲烷類染料，魚類一般用于防治水霉病、爛鰓病以及寄生蟲病等。孔雀石綠具有潛在的致癌性，美國、日本以及英國等許多國家已禁止用于水產養殖業。由于孔雀石綠在水產養殖中抗菌效果較好，價格低廉，使得不少業戶還在小范圍使用，因此對于孔雀石綠的監控就顯得格外重要。近幾年我國因藥物殘留出口的動物源性食品屢遭禁運，歐盟派到中國的專家組，曾多次強烈要求中國政府對孔雀石綠殘留進行監控。而我國目前還沒有穩定可靠的檢測孔雀石綠殘留的檢測方法，因此開發該藥在水產動物殘留檢測方法非常必要。

當前我國關于檢測孔雀石綠的國家標準（GB/T19857-2005）采用的是液相色譜-串聯質譜法以及高效液相色譜法，該方法檢測限低（0.5~2μg/L），適用于不同的檢測樣本，但耗時長，無法在現場檢測，且要求實驗員有較高的技術水平。

OptoTrace公司針對養殖水體中的孔雀石綠的檢測開發了一套適合表面增強拉曼檢測的樣品處理過程，并專門研制了特異性檢測孔雀石綠的增強試劑，該系統對于孔雀石綠的標樣檢測靈敏度達到了1μg/L，系統檢測時間約為2min；實際樣品的檢測限最低可達到10μg/L，一般情況下，實際樣品檢測全過程不超過30min，當樣品中可能含有較高濃度（大于100μg/L）時，本方法可無需前處理僅用時約1min即可檢測到孔雀石綠的存在。該方法簡單,對實驗員的專業技術要求不高，適合于現場快速檢測。

展望

表面增強拉曼檢測技術是一個可應用于食品安全領域的切實可行的光學技術。它快速、準確和靈敏，且具有重現性良好，樣品前處理簡單，檢測時間短，檢測成本低，系統小型便攜，設備操作相對簡便等優點。目前，該技術已成為分析化學、生物學、藥學和生命科學等領域的重要研究手段，正在表現出在食品安全領域的現場快速檢測微量化學物的優越能力。