表面增强拉曼光谱技术在食品安全现场快速检测中的应用

表面增强拉曼光谱技术在食品安全现场快速检测中的应用

欧普图斯（苏州）光学纳米科技有限公司（OptoTrace?，光纳科技?）

摘要：

本文综述了表面增强拉曼光谱技术在食品安全检测领域中的应用，具体介绍了表面增强拉曼光谱技术用于快速检测三聚氰胺、苏丹红Ⅰ号、孔雀石绿等违禁添加剂。利用光纳科技开发的RamTracer?系列便携式激光拉曼光谱仪和拥有专利技术的表面增强试剂以及芯片（NanoDog?），通过简单的样品前处理手段，即可实现对食品中非法添加剂和过量添加剂进行现场实时检测。其中，三聚氰胺标准品系统检测时间小于1分钟，方法检测限为2mg/L；苏丹红Ⅰ号标准品系统检测时间约为1分钟，方法检测限为10μg/L；孔雀石绿标准品系统检测时间约为2分钟，方法检测限为1μg /L。因而表面增强拉曼光谱技术提供了食品安全领域现场快速检测的应用前景。

概述：

拉曼光谱(Raman Spectroscopy) 分析技术是以拉曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术，其谱线位置(位移值)、谱线数目、和谱带强度等直接反映了基于化学分子键的延伸和弯曲的振动模式信息，进而可以了解分子的构成及构象信息。20世纪60年代随着激光的问世并引入到拉曼光谱仪作为光源之后, 拉曼光谱技术得到了迅速的发展，出现了很多新的拉曼光谱技术，从而应用到许多领域。

光纳科技研发的RamTracer?系列便携式激光拉曼光谱仪体积远小于普通大型激光拉曼光谱仪，便于携带，适应现场检测需求，内置高容量可充电锂电池，可在现场持续工作约5小时以上；光源采用785nm稳频激光，功率可在0-300mW范围内连续调节，能够根据不同检测对象的性质进行实时调整；该系列激光拉曼光谱仪的光谱范围可达100cm-1-3300cm-1，可检测绝大多数常见物质，而6cm-1的高分辨率可解析复杂结构的分子信息，即便是检测含有多成份的混合物，也能得到清晰易辨识的拉曼谱图。

RamTracer?-200-WF/P型便携式激光拉曼光谱仪

在开发高性能便携式激光拉曼光谱仪的基础上，光纳科技还领先性地将研发力量投入到了推广表面增强拉曼光谱(SERS)检测技术和应用上，以应对在微量检测领域，尤其是食品安全领域低浓度违禁添加剂的检测需求，用来弥补普通拉曼方法无法快速检测微量样本的问题。表面增强拉曼光谱技术是利用微量分子吸附于Cu、Ag、Au等纳米金属颗粒或具有纳米级粗糙度的电极表面，使其拉曼光谱信号增强104～109倍，从而获得较好的信号响应，因而该技术也常被称作纳米增强拉曼光谱；SERS技术是一种新的微量测试技术，可以在分子水平上研究材料分子的结构信息，如银纳米粒子，银胶体粒子上的联喹啉等。光纳科技应用专利技术自主研发的NanoDog?表面增强拉曼纳米试剂和芯片，通过优化纳米特性尺度进一步使检测灵敏度的级别提高到ppb水平，使微量以至于痕量物质检测成为可能。

1拉曼光谱方法在食品安全领域的应用

1.1三聚氰胺

三聚氰胺(Melamine)是一种重要的氮杂环有机化工原料，是重要的尿素后加工产品。作为“三鹿事件”的元凶，三聚氰胺这个化工产品频繁出现在公众的视野里。由于三聚氰胺具有较强的黏性，吃到人体

中，容易在体内吸附形成结石的草酸、鞣酸及钙等物质，并沉积在泌尿系统中。长期服用过量的含三聚氰胺的食品就易形成结石，甚至导致膀胱癌。

2008年10月15日，国家质量监督检验检疫总局、国家标准化管理委员会批准发布了《原料乳中三聚氰胺快速检测液相色谱法》(GB/T22400-2008) 国家标准，规定了三聚氰胺的快速检测方法的检测定量限。但上述国家标准中的检测方法成本高、送检周期长，难以满足如今高通量，大范围的三聚氰胺检测需求；而用于三聚氰胺检测的ELISA试剂盒，尽管该方法的检测成本相对液相色谱便宜，但该方法很容易产生假阳性，检测时间长，检测结果的判定受人为因素影响且不够稳定，而且检测结果无法以数字化形式永久保留。

光纳科技针对社会需求，研发了一整套完备的表面增强拉曼检测方法，可快速检测液态奶中是否含有三聚氰胺，且重现性良好，检测结果不受人为因素影响且可以数字化形式永久记录下来。样品前处理简单，全程检测时间最长仅为5分钟，实样检测限为2mg/L，且检测成本不到ELISA三分之一，设备操作相对简捷，十分适合奶站及企业生产现场的快速检测。

2008年10月10日我们分别与合作单位中国检验检疫科学研究院和北京工业大学参加了由科技部、质检总局、卫生部和农业部组织的生鲜奶中三聚氰胺快速方法统一测试（有关情况可参考《中国科学新闻》，“三聚氰胺检测玄机重重” ，10月31日，等文章）：

检测技术要求：1、检测限小于或等于2mg/Kg(L)

2、样品检测时间小于30分钟（包括前处理）

光纳科技盲测结果：

1、检测限1mg/Kg(L)

2、9个盲样检测时间1.5小时，样品平均检测时间10分钟（包括前处理）

3、检测结果100%正确。我们的盲测结果拉曼图谱如下：

如上图所示，将不同浓度三聚氰胺插标牛奶测得的谱图进行比较，712cm-1附近的峰为三聚氰胺的特征峰，从图上可以看出空白牛奶在712cm-1附近基本观测不到拉曼峰，随着浓度逐渐升高，特征峰的强度也逐渐升高，并呈现一定的线性关系。

应用便携拉曼系统对牛奶中的三聚氰胺进行检测，只需取少量牛奶样品进行处理后，即可进行检测，一般来说从样品处理到得出检测结果，前后全程约为3分钟；而对于三聚氰胺在鲜牛奶中的快速筛查检测全程可短于2分钟。该方法检测限为2mg/L（低于国家标准限量的2.5mg/L），检测全程简便快速，并可进行现场检测。因而拉曼方法符合对大批量牛奶样品中三聚氰胺含量进行现场快速筛查评估的要求，有望解决现时牛奶中三聚氰胺检测通量严重不足的实际问题以及现场检测的需求。

1.2苏丹红

苏丹红属于偶氮类化学合成染料，主要是用于石油、机油和其他的一些工业溶剂中，目的是使其增色，也用于鞋、地板等的增光。由于其化学结构的性质决定了它具有致癌性，对人体的肝肾器官具有明显的毒性作用，1995年欧盟(EU)等国家已禁止其作为色素在食品中进行添加，对此我国也明文禁止。

但由于苏丹红用后不容易褪色，这样可以弥补辣椒放置久后变色的现象，保持辣椒鲜亮的色泽，因此一些企业将玉米等植物粉末用苏丹红染色后，混在辣椒粉中，以降低成本牟取利益。

当前苏丹红的检测国家标准（GB/T 19681-2005）采用的是高效液相色谱法，其检测步骤主要是通过层析浓缩等步骤分离出苏丹红并通过液相色谱仪进行检测，这种方法同样存在着检测周期长，样品处理繁琐等不足。

光纳科技针对辣椒粉中掺入的苏丹红Ⅰ号，研发了一套相对简单的前处理手段，通过有机萃取和转化，有效地去除萃取液中其他成分对于苏丹红Ⅰ号拉曼信号的干扰，并开发了专用的表面增强试剂；现阶段，利用表面增强拉曼光谱法，使用RamTracer?-200-WF/P激光拉曼光谱仪，苏丹红Ⅰ号的标样检测限达到了10μg/L，系统检测时间约为1分钟；检测辣椒粉中的苏丹红Ⅰ号，实际样品检测全过程不超过25分钟，检测限为10mg/L。

苏丹红Ⅰ号在辣椒粉中的检测结果

1.3孔雀石绿

孔雀石绿为金属光泽的结晶体，极易溶于水，水溶液呈蓝绿色。它可用作杀菌、驱虫剂，是药用染料中抗菌效力较强的一类，属于三苯甲烷类染料，一般用于防治鱼类水霉病、烂鳃病以及寄生虫病等。孔雀石绿具有潜在的致癌性，美国、日本以及英国等许多国家已禁止用于水产养殖业。由于孔雀石绿在水产养殖中抗菌效果较好，价格低廉，使得不少业户还在小范围使用，因此对于孔雀石绿的监控就显得格外重要。近几年我国因药物残留出口的动物源性食品屡遭禁运，欧盟派到中国的专家组，曾多次强烈要求中国政府对孔雀石绿残留进行监控。而我国目前还没有稳定可靠的检测孔雀石绿残留的快测方法，因此开发该药在水产动物残留检测方法非常必要。

当前我国关于检测孔雀石绿的国家标准（GB/T 19857-2005）采用的是液相色谱-串联质谱法以及高效液相色谱法，该方法检测限低（0.5-2μg/L），适用于不同的检测样本，但耗时长，无法在现场检测，检测成本高，且要求实验员有较高的专业水平。

光纳科技针对养殖水体中的孔雀石绿的检测开发了一套适合表面增强拉曼检测的样品处理过程，并专门研制了特异性检测孔雀石绿的增强试剂，该系统对于孔雀石绿的标样检测灵敏度达到了1μg/L，系统检测时间约为2分钟；实际样品检测全过程不超过30分钟，当样品中可能含有较高浓度（大于100μg/L）时，无需前处理且用约1分钟即可检测到孔雀石绿的存在，本方法对实验员的专业技术要求不高，非常适合于现场快速检测。

孔雀石绿的检测结果

2展望

表面增强拉曼检测非常适用于食品安全中对微痕量非法添加物的现场、快速检测。它是快速的，准确的和灵敏的，且具有重现性良好，样品前处理简单，检测时间短，检测成本低，系统小型便携，设备操作相对简便等优点。目前，该技术已成为分析化学、生物学、药学和生命科学等领域的重要研究手段，正在表现出在食品安全领域的现场快速检测微量化学物的优越能力。预计不久的将来，这一检测

技术必将在更多领域中得到应用。光纳科技将自主研发的RamTracer?系列高性能激光拉曼光谱仪和增强试剂及纳米芯片相结合，为食品安全领域急迫的现场快速检测需求提供了领先的解决方案。