拉曼光谱技术在农产品质量安全检测中的应用

农产品的质量安全与我们老百姓的身体健康和生命安全密不可分。传统的化学检测方法具有需要样品前处理,操作过程复杂以及破坏样品等诸多缺陷。拉曼光谱技术作为一种分析、测试物质分子结构强有力的表征手段,可以快速实现样品的无损伤、定性定量检测分析。随着拉曼光谱技术的不断完善和应用范围的逐渐拓宽,拉曼光谱技术在农产品的质量安全检测中发挥着极其重要作用,并且具有广阔的应用前景。目前,已经有大量的基于拉曼光谱技术检测农产品质量安全的相关研究报道,为了解拉曼光谱技术的检测原理以及发展现状,并跟踪国内外最新研究进展,简述了拉曼光谱技术的基本原理及其发展、拉曼光谱检测装置,深入综述了拉曼光谱技术在果蔬、禽畜、粮食质量安全检测中的最新研究进展,指出了拉曼光谱技术应用在农产品质量安全检测中的现存的技术问题。另外,还简要介绍了国内外部分拉曼光谱仪的部分信息和便携式拉曼光谱仪专利申请状况,展望了该项技术的研究方向和应用前景。     

拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展

拉曼光谱是基于拉曼散射效应而发展起来的一种光谱分析技术,体现的是分子的振动或转动信息。由于拉曼光谱技术与常规化学分析技术相比,具有对样品无损、样品制备简单和所需样品量少等特点,广泛用于生物大分子结构变化的研究。拉曼光谱不仅可以用于蛋白质、核酸和脂类等生物大分子损伤的快速检测,而且可以用于癌症的诊断与手术治疗。通过对比正常组织与癌变组织的拉曼光谱,可以找到两种组织特征吸收峰的差异,从而为癌症的最终确诊和确定肿瘤切除范围提供重要信息。文章综述了拉曼光谱检测生物大分子损伤的研究进展,介绍了利用表面增强拉曼光谱、傅里叶变换拉曼光谱和紫外共振拉曼光谱等技术在检测蛋白质二级结构、膜脂及DNA损伤中的应用,并展望了未来拉曼光谱技术的发展前景。     

拉曼光谱及其检测时样品前处理的研究进展

拉曼光谱具有操作简单,所需样本量小,检测灵敏度高等特点,可进行现场快速筛查、检测及鉴别。样品前处理直接影响分析结果的准确度和精密度,而且操作繁琐费时。发展快速、高效的样品前处理技术进而结合拉曼光谱检测技术具有重要的研究意义,特别是与增强拉曼光谱相结合进行食品、农产品中等残留物的衡量检测已成为研究热点。本文阐述了拉曼光谱产生的原理,介绍了拉曼光谱的起源和发展,讨论了表面增强拉曼光谱技术、针尖增强拉曼光谱技术和壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱技术,并对拉曼检测之前的样品预处理进行了讨论。     

多波长消荧光拉曼光谱仪的研制及应用研究

拉曼光谱技术作为探究分子、晶体及其结构特征的有力手段,具有快速、无损、样品用量小、无需前处理且适应性强等优点,已被广泛应用于食品安全、石油化工等领域。但在拉曼光谱应用中,常常受到荧光背景干扰,导致拉曼信号降低,严重的情况下拉曼信号甚至会淹没在荧光背景中。为解决拉曼技术在实际应用中荧光背景干扰的问题,从仪器角度出发,采用二色镜对多波长拉曼光谱进行光路耦合设计,研制了近红外拉曼光谱与移频差分拉曼复合一体的多波长消荧光拉曼光谱检测系统,其中近红外拉曼光谱采用1 064 nm激光光源设计,移频差分拉曼光谱选取784.5和785.5 nm两组激光光源进行时分复用,在移频差分拉曼光谱检测的同时,亦可获得两组单波长拉曼光谱数据。通过对比同步测试和分时逐次测试的强度及峰位稳定性,验证了多波长消荧光拉曼光谱仪的同步测试性能;选取了多种荧光背景强弱不同的样品,进行了单波长拉曼、近红外拉曼及移频差分拉曼光谱的对比分析。针对丙酮、乙腈等荧光背景较弱的样品,可采用单波长拉曼光谱对样品进行定量及定性分析;针对食用油、红色塑胶微粒等荧光背景与拉曼信号强度相当的样品,可采用近红外拉曼光谱对样品进行定量及定性分析;针对红酒、棕色塑胶微粒等荧光背景较强的样品,需结合近红外拉曼光谱和差分拉曼光谱对样品进行定性分析。研究表明：通过多波长消荧光拉曼光谱检测系统的研制,在常规单波长拉曼光谱技术的基础上,将两种抑制荧光干扰技术有机结合,有效扩充了应用领域及样品检测范围。     

空间偏移拉曼光谱技术的发展及应用

传统拉曼光谱只能探测样品的表层信息,或者只能穿透透明的表层探测样品内部,对多层不透明或不透明包装的样品检测则不适用了,比如搜索隐蔽的爆炸物、识别有包装的假药、无损检测骨骼疾病等。空间偏移拉曼光谱（SORS）技术是一种新型光谱检测技术,能够非侵入不透明包装或表层直接获得样品内部深层特征信息,这一技术的出现解决了上述的难题。首先详细介绍了SORS技术的工作原理：其根本原理在于光子迁移理论,其系统激光光源的入射焦点与光谱系统中收集透镜的焦点在待测样品表层空间上偏移一定的距离ΔS。当激光入射到待测样品表层时,表层样品被激发或散射出宽带荧光,其中有一部分散射光将到达样品内部,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,经多次散射后返回样品表层被光谱仪器接收系统收集。到达样品内部不同深度ΔH的散射光返回表层后的位置距离激光光源入射点在样品表层上有不同的偏移距离ΔS。当空间偏移距离ΔS＝0时,激光光源入射点与拉曼光谱收集点重合,此处激发的光子密度最大,系统收集到的拉曼光谱信号大部分来自样品表层,样品深层拉曼信号被淹没;当空间偏移距离ΔS≠0时,光谱仪器收集到的拉曼光谱信号中来自表层的信号衰减很快,来自样品深层的信号衰减较慢,使得更深层的拉曼散射光子比重变大,从而实现光谱分离,再结合多元数据分析方法可以获得样品内部不同深层次的拉曼光谱,即空间偏移拉曼光谱。该技术具有很好抑制表层物质拉曼光谱和荧光光谱干扰的能力,特别适用于隐蔽在不透明包装材料下的物质拉曼光谱的提取,从而快速、非侵入地对目标物成分进行鉴定。其次介绍了SORS技术的特点。SORS技术是拉曼光谱的衍生技术,具备拉曼光谱技术的制样简单、水分干扰小、样品消耗量小、灵敏度高等全部优点,除此之外,有效抑制荧光、深层检测、非侵入无损检测、远距离检测等特点,这些特点有效提高了拉曼光谱强度,降低用户的检测和生产成本以及提高检测人员的人身安全。同时概述并对比了SORS技术现有的三种工作方式：标准SORS、逆SORS和倾斜SORS。标准SORS技术可进行远距离非接触测量,逆SORS较之标准SORS具有更高的灵敏度和抗光谱扭曲的潜力,而且入射的有效光照面和空间偏移距离ΔS是可控的,避免了样品过热;倾斜SORS具有较高的检测灵敏度,而且实验装置容易实现。然后在大量调研文献的基础上综述了近些年来SORS技术结合其他技术在化工生产、安检、生物医学、考古艺术、食品安全、稽查打假以及国防安全等多个领域的国内外发展和应用。最后指出了SORS技术目前存在的问题并展望了该技术未来的发展前景。     

拉曼光谱技术在农作物生理信息检测中的研究进展

拉曼光谱(Raman spectroscopy,RS)是一种散射光谱,具有样品前处理简单、响应速度快、灵敏性高以及原位无损检测等特点。由于拉曼信号具有指纹图谱特性和不受水分信息干扰的优势,其在生物体信息检测方面发挥着重要作用。拉曼光谱成像技术是拉曼光谱技术发展的新方向,其可以同时获取研究对象的空间及光谱信息;显微拉曼光谱技术不仅可以进行分子结构的检测,还能够实现生物组织微区化学成分的空间分布分析。目前,应用拉曼光谱进行农作物生理信息的检测成为学者们的研究热点。本文概述了拉曼光谱的基本原理和分类,并重点介绍了拉曼光谱技术在农作物的生殖与营养器官(种子,花朵,果实和根,茎,叶)中生理信息检测方面的国内外最新研究进展。最后结合国内外研究现状,分析了拉曼光谱在农作物生理信息检测中的局限,并对其的应用前景进行了展望。     

拉曼光谱技术在病原微生物检测中的应用

病原微生物是指可侵犯人体,引起感染的微生物,临床上由病原微生物感染引发的疾病极为常见。传统的临床病原菌诊断主要依赖于细菌培养,但此方法耗时长,往往需要2～5 d才能得到检测结果,并且存在部分细菌培养困难甚至无法培养的问题。在无法鉴别菌种以及药物敏感性的情况下医生凭借经验使用广谱抗生素,加速了细菌耐药性的产生。因此,病原微生物的高灵敏快速检测方法研究成为重要研究方向。拉曼光谱技术是一种对待测样品进行原位、非侵入性检测的技术,可在单细胞水平上提供微生物细胞中不同生物分子的指纹图谱信息,通过这些信息可以确定微生物的种类、生理特征和突变表型等,实现对微生物样品的快速检测。随着激光光谱学的快速发展以及临床需求的不断增加,促使了以拉曼光谱检测技术为核心的亚技术诞生（如：表面增强拉曼光谱技术、傅里叶变换拉曼光谱技术、激光共振拉曼光谱技术、共聚焦显微拉曼光谱技术、相干反斯托克斯拉曼光谱以及受激拉曼光谱等相关技术）,同时改善了以往拉曼光谱技术信号强度弱的不足,以实现对微生物高精度的快速检测分析。凭借着其具有对样本的状态没有限制以及能够检测物质成分微小变化的优势,近年来对拉曼光谱在病原微生物领域的研究日渐增多。对微生物检测的研究现状进行了调查和分析,围绕着拉曼光谱技术原理对其在微生物检测中的应用进行了具体阐述,其中主要对该技术在病原微生物鉴定以及药敏检测中的研究进展展开讨论,并就其与传统检测技术之间的差别和优势进行分析,展示了拉曼光谱技术作为病原微生物的快速检测新方法的前景。     

激光拉曼光谱对苯的低浓度探测研究

激光拉曼光谱技术是基于拉曼散射理论的检测技术,具有快速、无损、样品无需预处理等优点。运用激光拉曼光谱技术对苯的25种不同浓度的样品进行了研究,结果表明,在184.8g/L~0.264g/L浓度范围内,苯的振动拉曼光谱强度与其浓度呈线性关系,利用最小二乘法拟合得到线性相关系数R=0.99626,检出限为0.223g/L。     

安全检测技术中的物理学原理

安检技术对爆炸事件的预测预警起着至关重要的作用,而物理学原理在安全检测技术领域中有非常重要的应用.本文主要介绍了X射线检测技术、太赫兹光谱技术、红外线光谱技术、拉曼光谱和表面增强拉曼光谱技术、离子迁移谱技术等几种常用或最新的安全检测技术中的物理学原理,并期待物理学在安检技术领域做出新的贡献.     

部分临床药物的拉曼光谱研究

针对目前临床药物拉曼光谱的缺乏和药物检测领域的现状,利用拉曼光谱技术对抗生素、抗组织胺、血凝酶和止吐剂等几类常用临床药物进行了拉曼光谱的测量和研究。通过观测上述具有良好拉曼活性的药物样品拉曼光谱,不仅确定了样品拉曼峰的位移、强度和线宽,还探索了其包络的线形等光谱特性。通过分析和比较拉曼光谱图,找出各药物间的异同; 对于那些由于拉曼活性低或拉曼光谱的复杂样品,虽然暂时无法识别,但也进行了尝试性的测量或提出了测量建议。研究表明: 小分子药物的光谱特征很明显,拉曼峰分布较广, 对其进行光谱识别简单易行; 而大分子都表现出较弱的光谱特征峰, 常常伴随复杂的包络,不仅导致了对其光谱识别的困难, 也很难准确确定特征峰位置。对于不同药物,提出了用拉曼光谱测量和分析其药物成分的可行性,并通过分析其拉曼光谱的特性, 为医学工作者识别和分析药物成分提供了实验证据。不仅为建立药物的拉曼光谱数据库奠定了基础。还使业界看到了快速识别和检测药物的前景,从而促进拉曼光谱技术在药物检测上的运用。     

Application of Raman Spectroscopy Technique to Agricultural Products Quality and Safety DeterminationSCIEI北大核心CSCD

The quality and safety of agricultural products and people health are inseparable. Using the conventional chemical methods which have so many defects, such as sample pretreatment, complicated operation process and destroying the samples. Raman spectroscopy as a powerful tool of analysing and testing molecular structure, can implement samples quickly without damage, qualitative and quantitative detection analysis. With the continuous improvement and the scope of the application of Raman spectroscopy technology gradually widen, Raman spectroscopy technique plays an important role in agricultural products quality and safety determination, and has wide application prospects. There have been a lot of related research reports based on Raman spectroscopy detection on agricultural product quality safety at present. For the understanding of the principle of detection and the current development situation of Raman spectroscopy, as well as tracking the latest research progress both at home and abroad, the basic principles and the development of Raman spectroscopy as well as the detection device were introduced briefly. The latest research progress of quality and safety determination in fruits and vegetables, livestock and grain by Raman spectroscopy technique were reviewed deeply. Its technical problems for agricultural products quality and safety determination were pointed out. In addition, the text also briefly introduces some information of Raman spectrometer and the application for patent of the portable Raman spectrometer, prospects the future research and application.     

拉曼光谱在血红蛋白结构及功能研究中的应用进展

血红蛋白发挥多种重要生理功能,但对其结构及功能的认识尚不能满足疾病诊治的需求。拉曼光谱在血红蛋白结构及功能研究中具有很大应用潜力,不但可以检测血红蛋白中血红素及其周围分子结构变化,还可以反映血红蛋白反应动力学具体过程。同时,血红蛋白拉曼光谱在疾病状态下异常血红蛋白检测,血氧饱和度定量测定及血液代用品的高铁血红蛋白含量检测中突显优势。本文综述了拉曼光谱在血红蛋白结构及功能领域中的研究,简述了拉曼光谱在一些病变血红蛋白诊断中的研究进展,分析了影响血红蛋白拉曼光谱检测的因素,以促进拉曼光谱技术在血红蛋白结构和功能研究中的应用。     

近红外光谱分析技术在农产品/食品品质在线无损检测中的应用研究进展

农产品/食品品质问题一直受到人们的广泛关注,而由品质问题引起的农产品/食品安全事故越来越多,所以急需对农产品/食品品质进行快速无损检测。目前常用的快速检测方法有化学比色分析法、近红外光谱法、免疫学分析法、生物传感器技术、生物芯片检测法以及生物学发光检测法等。近红外光谱分析技术因具有分析时间短、无需样品预处理、非破坏性、无污染以及成本低等特点, 已成为一种快速的现代分析技术, 广泛应用于农产品/食品领域的品质检测。国内外许多学者对其进行了深入的研究,并且从实验室的静态研究向在线检测研究方向发展。文章概述了近红外光谱分析技术在水果、鱼类、畜肉类、牛奶、谷物以及奶酪酒精发酵上的在线品质检测/监控应用上的研究进展,指出了近红外光谱分析技术尚存在的问题,并对今后的近红外光谱分析技术作了展望。提出近红外光谱分析技术将会与网络技术相结合,实现近红外分析模型的在线更新与升级, 指出光谱成像技术将成为21世纪近红外光谱分析技术的发展趋势。     

塑化剂邻苯二甲酸二辛酯的拉曼光谱计算及分析

近几年,国内有关塑化剂的食品安全事件频发,迫切需求加强对于食品中塑化剂的检测研究工作。邻苯二甲酸二辛酯是塑化剂的一种。理论计算和实验测量了邻苯二甲酸二辛酯的拉曼光谱。利用密度泛函理论DFT(B3LYP)的三参数混合方法对其进行了空间结构优化;然后分别用(Hartree-Fock)HF/3-21G和DFT/3-21G两种算法计算了它的拉曼光谱和红外光谱,给出了光谱强度图。实验测量了分析纯级邻苯二甲酸二辛酯的拉曼光谱,并和理论计算结果进行了对比,显示了很好的一致性,与此同时由于计算方法的不同,从图中可以看出Gaussian计算的HF和DFT算法无论是峰的位置还是相对强度等都均存在差别。还给出了常用塑化剂邻苯二甲酸二辛酯的各个键长、键角等空间结构参数,并对邻苯二甲酸二辛酯分子在400～3 500 cm-1区间的振动谱做了指认。报道了常用塑化剂邻苯二甲酸二辛酯的拉曼光谱研究工作。这些工作将有助于拉曼光谱技术在食品检测领域的研究和应用。     

近红外光谱技术(NIRS)在检测牧草霉菌毒素中的应用

具有快速、高效、无损、在线等优势的近红外光谱技术(near infrared reflectance spectroscopy technique,NIRS)已经在农业、食品、化工、医学等领域获得广泛应用。牧草在加工贮藏过程中,受多种真菌的侵染,引起霉菌毒素在牧草中积累。霉菌毒素会通过动植物产品进入人畜的食物链,引起人畜中毒。牧草中霉菌毒素的常规检测不但需要粉碎、浸提、层析等繁琐的样品前处理过程,还需要酶联免疫吸附法、高效液相色谱法、溥层色谱法等后续检测过程。通过发展高精度、低检出限的光谱仪器,建立相应霉菌毒素检测的软件技术与校正模型,能够在牧草利用中达到快速准确检测霉菌毒素的含量和性质,从而为牧草的合理加工与利用提供依据,促进NIRS技术在健康畜产品生产领域的应用。     

Applications of Raman Spectroscopy in Agricultural Products and Food Analysis: A Review

Abstract

Raman spectroscopy has been gaining popularity as an analytical tool due to advances in development of Raman spectrometry and the power of personal computers. Due to to its narrow and highly resolved bands, Raman spectroscopy allows for nondestructive extraction of chemical and physical information about samples and aids in rapid on-line analysis without any special sample preparation. In this review, Raman spectroscopic techniques such as dispersive Raman spectroscopy, Fourier transform Raman spectroscopy, surface-enhanced Raman spectroscopy, and spatially offset Raman spectroscopy are briefly introduced. In addition, applications of Raman spectroscopy are explored, within various fields of agricultural products and food, including fruits and vegetables, crops, meat and dairy products, oil, as well as beverages. In addition, some discussion on the importance of Raman spectroscopy as fundamental and applied research of agricultural products and food is provided.     

基于拉曼光谱的苹果中农药残留种类识别及浓度预测的研究

应用拉曼光谱技术结合化学计量学方法能有效的实现果蔬中农药残留的定性定量分析。本研究借助实验室自主研发的拉曼光谱检测系统,对苹果中溴氰菊酯和啶虫脒的快速无损识别和检测进行了探索。定性分析时将拉曼峰574 和843 cm-1分别作为识别溴氰菊酯和啶虫脒的拉曼指纹,当苹果中的溴氰菊酯和啶虫脒残留的含量分别为0.78和0.15 mg·kg-1时,两种农药的特征峰仍清晰可见。定量分析首先对光谱进行多种预处理（Savitzky-Golay平滑、一阶导、二阶导、基线校准、标准正态变量变换）,结合偏最小二乘法分别建立苹果中溴氰菊酯和啶虫脒含量的定量模型。结果表明,采用8次多项式拟合进行基线校准的预处理方法效果最好,对于溴氰菊酯,偏最小二乘模型预测值与气相色谱法测定值的相关系数和预测均方根误差分别为0.94和0.55 mg·kg-1,对于啶虫脒,其偏最小二乘模型的相关系数与预测均方根误差分别为0.85和0.12 mg·kg-1。本研究证实了利用拉曼技术对苹果农残进行无损检测的可行性,使用该方法进行检测时,在光谱测定前不需要进行前处理,光谱测定后样品无任何损伤,该技术实现了果蔬农残的现场检测,可在检测部门、果蔬加工企业、超市、市场等场所得到推广使用,为果蔬品质安全提供了一种无损、快速和环保的检测方法。     

Quantitative analysis of sugar composition in honey using 532‐nm excitation Raman and Raman optical activity spectra

Raman spectroscopy based on the 1064‐nm laser excitation was suggested as a handy non‐invasive technique allowing to quickly determine sugar content in honey and similar food products. In the present study, the green 532‐nm laser radiation is explored instead as it provides higher‐quality spectra in a shorter time. The sample fluorescence was quenched by purification with activated carbon. For control mixture decomposition of Raman spectra to standard subspectra led to a typical error of the sugar content of 3%. Raman optical activity (ROA) spectra that could be measured at the shorter excitation wavelength as well provided a lower accuracy (~8%) than the Raman spectra because of instrumental sensitivity and noise limitations. The results show that Raman spectroscopy provides elegant and reliable means for fast analyses of sugar‐based food products. Copyright © 2016 John Wiley & Sons, Ltd.