拉曼光谱技术在食品质量安全检测中的应用

拉曼光谱技术具有样品无需前处理、操作简便、时间短、灵敏度高等优点,可获得样品的物理化学及深层结构信息,已广泛应用于石油化工、生物医学、地质考古、刑事司法、宝石鉴定等领域。拉曼光谱对水等极性物质极其不敏感,在食品质量安全检测方面具有良好的应用前景。论文简述了拉曼光谱技术的检测原理、分类以及系统的组成,综述了拉曼光谱技术在食品成分分析和农药残留检测中的最新研究进展,指出了该技术在食品质量安全检测中的关键技术并对今后的研究进行了展望。     

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。     

拉曼光谱技术在药物分析领域的研究进展

拉曼光谱技术因其可有效避免样品中水的干扰、样品前处理简单、可快速无损分析以及表面增强拉曼可极大增强检测灵敏度等显著特点,在药物分析领域中的应用逐渐增多。本文旨在概述十几年来拉曼光谱技术在药物鉴别、药物定量分析、药物晶型分析、药物生产质控过程监测、药代动力学等方面的具体研究实例,对拉曼光谱技术在药物分析领域中的研究应用进行一次较为全面的综述,为之后该领域研究提供必要参考。     

基于银溶胶表面增强拉曼光谱对菠菜毒死蜱农药的快速检测

利用表面增强拉曼光谱(SERS)技术,建立了一种用于菠菜中毒死蜱农药残留的非破坏、快速检测方法。以碱性环境下盐酸羟胺还原法制备的银溶胶作为表面增强剂滴涂于菠菜样品表面后,采用实验室自行搭建的拉曼系统直接采集样品的拉曼信息,该方法无需对样品进行前处理,可以实现菠菜中毒死蜱含量的实时在线定量分析。采集24片不同毒死蜱含量的菠菜样品拉曼光谱,每个样品采集20个点。拉曼信号采集后,用气相色谱法对24个菠菜样品中毒死蜱含量进行检测。为了消除光谱噪音以及荧光背景对分析建模的影响,分别采用Savitzky-Golay平滑和有效峰线性拟合法对原始拉曼光谱进行预处理。该表面增强拉曼方法具有较好的重复性,实验中对50个相同毒死蜱含量,但不同状态的菠菜进行光谱采集,其相对标准偏差为13.4%,说明该方法具有一定的普适性。光谱预处理后,选取615.5~626.4 cm-1波段为感兴趣区域,建立0.05~37.4 mg·kg-1浓度范围内毒死蜱含量的多元线性预测模型,结果表明感兴趣区域的拉曼信号和毒死蜱浓度呈良好的线性关系,其校正集和验证集相关系数R_C和R_P分别为0.961和0.954。该方法的最低检出含量为0.05 mg·kg-1,低于国家标准规定的农药残留最大限量。该方法简单快速,无需样品前处理,可以实现果蔬的农药残留快速、定量检测。     

等离激元增强拉曼光谱食用合成色素快速检测系统设计

基于等离激元增强拉曼光谱技术,研制出适合现场分析检测的食用合成色素快速检测系统,适用于饮料、肉制品、蜜饯等食品中合成色素的快速检测。检测系统的硬件部分主要由双CPU(ARM和FPGA)主控板、样品前处理模块(含有增强粒子施加装置)、半导体激光光源、光谱数据采集模块构成;软件部分控制样品前处理模块自动运行,并可读取被测样品的拉曼谱图。利用快速检测系统对三种实际样品(蜜饯、汽水、火腿肠)中的食用合成色素胭脂红、柠檬黄、诱惑红进行检测,以验证该系统在食用合成色素检测中的性能。样品检测结果的相对标准偏差小于±5%,表明此检测系统具有良好的灵敏度和重现性,且检测时间短,能够满足食品中合成色素现场快速检测的要求。     

基于唾液的拉曼光谱检测进行肝癌诊断的研究

表面增强拉曼光谱技术是近年来快速发展的一种痕量特征标记性物质检测技术, 达到了分子识别水平, 具有很高的灵敏度, 能够精确地分析和了解物质结构和成分。人体唾液中含有大量体征相关的特异性蛋白质和分泌物质。唾液检测具有无创、获取方便、适合开展大规模普查等优点。表面增强拉曼光谱检测技术可以快速地对唾液进行检测, 二者的结合, 有可能成为一种癌症诊断的新方法。本文利用表面增强光谱技术对肝癌患者进行实验研究, 通过对肝癌患者唾液的采集、样品的处理、光谱的采集及光谱分析, 肝癌特异性标记物AFP(alpha fetoprotein)的检测及分析等过程得到肝癌相关特征信息, 表明肝癌患者与正常人的唾液样本分类良好, 灵敏度及特异性较好; 进一步验证了AFP抗原的分子组成, 且AFP抗原的拉曼强度基本随浓度的递增呈递减趋势; 对肝癌患者的唾液样本及AFP抗原的拉曼光谱进行比对分析, 提示利用表面增强拉曼光谱检测唾液有可能诊断早期癌症。     

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。     

基于表面增强拉曼光谱的合成色素专利蓝V的快速检测

食品安全问题一直是社会和广大群众关注的焦点问题,食品安全现状较为严峻,因此实现食品中有害物质的快速检测具有重要的实际意义。合成色素是一种常见的食品添加剂,然而合成色素的超标添加和非法添加依旧是食品安全中的重要问题之一,极大地危害人民群众的身体健康和食品工业的健康发展。常见的合成色素检测方法,均存在耗时长、费用高等缺点,不适应于合成色素的实时监测和快速筛查。为克服传统方法的缺点,提出利用表面增强拉曼光谱检测技术对合成色素进行检测,该方法具有检测速度快、检测灵敏度高等优点,能够达到现场实时检测的目的。此外,由于拉曼检测方法往往依赖于复杂的样品前处理操作,而常见的固相萃取技术一般依赖于人工操作,过程复杂且耗时较长,严重影响食品快速检测效率。因此,开发了一种全自动固相萃取装置,通过设计嵌入式硬件电路系统及其软件,精确控制蠕动泵流速和多路阀门开关实现了活化、上样、淋洗、洗脱四个步骤的全自动操作和参数控制,从而达到食品样品的全自动快速固相萃取。在实验部分,配制不同专利蓝V浓度的果汁饮料,然后利用该装置对果汁中的专利蓝V进行前处理,对萃取柱填料和萃取中各个步骤的时间和试剂进行了合理的选择,利用表面增强拉曼光谱检测技术成功地检测了合成色素中的专利蓝V。实验结果表明,所研制的自动固相萃取装置对比传统手工萃取,每个样品节省了近一半的萃取时间（10 min降为5 min）且能够同时处理5个样品,萃取时间稳定不易受人为因素影响,从而极大地提高了萃取效率和稳定性。此外,通过自动萃取获得的样品,对比手工萃取操作,因其受外界干扰相对较小,能够得到更强的拉曼光谱信号（约增强50%）,获得了满意的萃取效果。对不同浓度的专利蓝V样品的结果显示,该方法能够实现检出质量浓度在0.5 mg·L-1水平,可有效满足现场监测需求。具有快速、方便、灵敏度高等特点。     

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。     

Application of monitoring methodology in carbon complex contained solution using surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS)

Raman spectroscopy is employed to obtain information that cannot be obtained using other technologies, using inelastic scattering. The development of laser technology enables Raman spectroscopy to overcome its limits and succeed in various fields. For example, compared with other analysis methods that use light, it does not require a sample preparation or long measuring time—thus, it is a great breakthrough for in situ process applications. Also, it is difficult to analyze functional groups that are combined and the influence on the reaction is analyzed during the reaction in chemical solutions. Therefore, Raman spectroscopy provides an analytic method and assists in every step to increase the accuracy of the chemical process. Lately, developed surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) are used in precise analyzing methods. High-resolution SERS needs a specific substrate to satisfy each purpose. Raman spectroscopy is now advanced to be more a powerful analytic tool, combined with surface-enhancing technology, atomic force microscopy (AFM), and other technology.     

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.     

拉曼光谱技术在病理诊断中的研究进展

拉曼光谱技术能够提供与物质特定分子结构相关的光谱信息,可用于识别生物组织微小的生化变异,具有快速、实时、无损、无需样本预处理等优点,在临床病理诊断领域极具应用前景。与常规组织病理学分析相比,拉曼光谱技术能够直接检测活体组织,简化了分析程序,缩短了诊断时间。人体病变组织的细胞分子组成和结构可能发生变化,这为拉曼光谱技术在组织病理诊断中的应用提供了检测依据。基于组织分子组成与结构的差异,结合机器学习和化学计量学方法,拉曼光谱技术可以提供客观的诊断信息,实现快速、低侵入的病理诊断。回顾了近十年来拉曼光谱技术在组织病理诊断中的研究进展,对取得的关键成果进行了总结,阐述了当前离体和活体应用拉曼光谱技术的一些关键问题。针对离体拉曼光谱检测,重点评估福尔马林固定石蜡包埋样本、冷冻样本和新鲜组织样本等离体样本的适用情况;阐述拉曼光谱数据收集的关键技术,包括适用光源、光谱范围,以及病理样本光谱采集的方式等。对于活体拉曼光谱检测,重点介绍了活体检测研究中拉曼光谱技术应用的两种形式：结合医用内窥镜进行体内检测,以及开放手术中的直接检测;综述了临床适用的拉曼系统,重点介绍了当前活体拉曼研究中应用的光纤探头。同时,文章也讨论了拉曼光谱数据的处理与分析方法,通过光谱预处理,特征提取与分类识别,构建拉曼光谱病理诊断模型,在小样本范围能够获得较好的诊断结果。考虑临床实际应用,仍需要不断优化分析方法,实现拉曼光谱与生化信息的关联,将样本个体差异的影响纳入分类模型中,以提升模型性能。文章对拉曼光谱应用于病理诊断中的关键问题进行了讨论,为进一步开展研究提供参考。未来需要更深入和广泛地开展离体和活体研究,以促进拉曼光谱技术在临床中的应用。     

Fourier‐transform Raman analysis of milk powder: a potential method for rapid quality screening

In this work, FT‐Raman spectroscopy was explored as a fast and reliable screening method for the assessment of milk powder quality and the identification of samples adulterated with whey (1–40% w/w). Raman measurements can easily differentiate milk powders without the need of sample preparation, whereas the traditional methods of quality control, including high‐performance liquid chromatography, are laborious and slow. The FT‐Raman spectra of whole, low‐fat, and skimmed milk powder samples were obtained and distinguished from commercial milk powder samples. In addition, the exploratory analysis employing data from Raman spectroscopy and principal component analysis (PCA)allowed the separation of milk powder samples according to type,identifying differences between samples in the same group. Multivariate analysis was also developed to classify the adulterated milk powder samples using PCA and partial least squares discriminate analysis (PLS‐DA). The resulting PLS‐DA model correctly classified 100% of the adulterated samples. These results clearly demonstrate the utility of FT‐Raman spectroscopy combined with chemometrics as a rapid method for screening milk powder. Copyright © 2011 John Wiley & Sons, Ltd.     

海洛因毒品中添加成分的快速分析方法研究

对海洛因毒品中常见添加成分的快速分析方法进行了研究.将蔗糖、果糖、葡萄糖、淀粉、咖啡因和非那西汀中的一种或两种以上与盐酸海洛因对照品以一定比例混合.运用红外光谱研究各个系列中随着盐酸海洛因质量分数增加,谱图的特征变化情况,确定了添加成分的最低检出限.运用拉曼光谱技术分析了盐酸海洛因及其与添加成分的混合物.实验结果表明:傅里叶变换红外光谱法和显微拉曼光谱法都是检验海洛因中添加成分的快速有效方法,两者各具优缺点,相互补充,在实际案例中,可以结合具体情况,选择适合的方法.     

Effect of grain size distribution on Raman analyses and the consequences for in situ planetary missions

Raman spectroscopy can be used for analysing both mineral and organic phases, thus allowing characterisation of the microbial‐scale geological context as well as the search for possible traces of life. This method is therefore very useful for in situ planetary exploration missions. Compared with the myriad of sample preparation techniques available in terrestrial laboratories, the possibilities for sample preparation during in situ missions on other planetary bodies are extremely limited and are generally restricted to abrasion of rock surfaces or crushing of the target samples. Whereas certain techniques need samples to be prepared in powder form, such as X‐ray diffraction, this kind of preparation is not particularly suitable for optical microscopy and/or Raman spectroscopy. In this contribution, we examine the effects of powdering rock and mineral samples on optical observations and Raman analyses. We used a commercial Raman spectrometer, as well as a Raman laser spectrometer that simulates the instrument being developed for the future ExoMars 2018 mission. The commercial Raman spectrometer documents significant modifications to the spectra of the powdered samples, including broadening of the peaks and shifts in their position, as well as the appearance of new peaks. These effects are caused by localised heating of the sample under the laser beam and amplification of nominal surface effects due to the increase in surface area in finer grain sizes. However, most changes observed in the Raman spectra using the Raman laser spectrometer system are negligible because the relatively large (50 µm diameter) laser spot size produces lower irradiance. Furthermore, minor phases were more easily detectable in the powdered samples. Most importantly, however, this sample preparation method results in the loss of the textural features and context, making identification of potential fossilized microbial remains more problematic. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

Automated printing technology as a new tool for liquid sample preparation for micro x‐ray fluorescence (MXRF)

The focus of this study was to explore automated printing technology (APT) as an alternative means to manual methods for nanoliter dried spot sample preparation of liquid samples for micro x‐ray fluorescence analysis (MXRF). APT was used successfully to dispense 20 and 50 nl volumes of multielemental standard solutions onto AP1 and Kapton film substrates. Automated droplet deposition was rapid and minimized operator skill and human error in the sample preparation process. Dried spots prepared by APT were generally circular in shape and similar in appearance to those prepared by manual dried spot deposition techniques. Furthermore, multiple dried spots could be accurately and reproducibly deposited in the same precise location on the film substrate surface, allowing for increased sample loadings within the MXRF analysis area for higher elemental sensitivity. The characteristics of the substrate did affect the quality of dried spot formation, with irregularly shaped spots forming on the thicker, more hydrophobic Kapton film, especially with higher droplet mass loadings. Adverse effects of irregular spot formation on quantitative analysis could be easily minimized by increasing the MXRF analysis area to encompass the entire dried spot residue. Nanoliter dried spot sample preparation is useful not only for MXRF analysis of liquid samples, but can also be applied to other analytical techniques such as IR, Raman or UV/fluorescence spectroscopy, the applications of which can benefit from rapid sample throughput and matrix reduction. Copyright © 2005 John Wiley & Sons, Ltd.     

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。