表面增强拉曼光谱加速食品检测

图1.  三聚氰胺在鲜牛奶中的表面增强拉曼盲测结果，2008年10月10日。

本文介绍了表面增强拉曼光谱技术在快速检测三聚氰胺、苏丹红1号、孔雀石绿等违禁添加剂中的应用。利用 OptoTrace公司开发的 RamTracer系列便携式拉曼检测仪和拥有ZL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1min，方法检测限为2μg/L；苏丹红1号标准品系统检测时间约为1min，方法检测限为10μg/L；孔雀石绿标准品系统检测时间约为2min，方法检测限为1μg /L。

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。

OptoTrace公司研发的 RamTracer系列便携式拉曼检测仪体积远小于普通大型拉曼检测仪，一般尺寸约为 20cm×15cm×7cm，新研发的手持机型更是只有两个手机大小，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5h以上；检测仪的光源采用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；检测仪的光谱范围一般为250~2400cm-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。

在开发高性能便携式拉曼光谱检测仪的基础上，OptoTrace还领先性地将研发力量投入到了推广表面增强拉曼光谱检测技术和应用上，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（SERS）是利用微量分子吸附于Cu、Ag、Au等金属溶胶或电极表面，使其拉曼光谱信号可增强104~109倍，从而获得较好的信号响应；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。OptoTrace 公司应用ZL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。

图2.  苏丹红1号在辣椒粉中的检测实例。

三聚氰胺检测

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。标准规定了高效液相色谱法为三聚氰胺的快速检测方法，定量检测范围为0.30~100mg/kg，方法检测限为0.05mg/kg。标准适用于原料乳，也适用于不含添加物的液态乳制品。

但面对如今高通量、大范围的三聚氰胺社会检测需求，上述国家质检总局发布的三聚氰胺检测技术国家标准虽然能够对未知样品进行定量检测，确定其物质成分，但其检测成本高、送检周期长的缺陷也日益突显。为了让一些中小型企业易于接受，目前市场上已经出现了很多三聚氰胺检测试剂盒，这种试剂盒采用的是竞争性酶联免疫反应（ELISA）方法，每次可对近80多个三聚氰胺样品进行测试，但ELISA方法检测三聚氰胺的精确度有限，同时还不排除其他类似化合物也会出现同样的检测结果。

倒奶杀牛的惨剧不断，企业生产遭遇收奶难题，快速检测三聚氰胺的技术成为国家提振乳业的当务之需。OptoTrace公司针对社会需求，研发了一整套完备的表面增强拉曼检测方法，有能力检测液态奶中是否含有三聚氰胺，且重现性良好，样品前处理简单，全程检测时间最长仅为5min，实样检测限为1mg/kg，检测成本低，设备操作相对简捷，十分适合奶站收奶及企业生产现场的快速检测。

2008年10月10日OptoTrace公司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，检测技术要求如下：检测限小于或等于2mg/kg（L）；样品检测时间小于30min（包括前处理）。盲测结果：检测限1mg/kg（L）；9个盲样检测时间1.5h，样品平均检测时间10min（包括前处理）；检测结果100%正确。

图3.  孔雀石绿的检测实例。

如图1所示，将不同浓度三聚氰胺插标牛奶测得的谱图进行比较，710cm-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710cm-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5min，若应用OptoTrace高灵敏拉曼系统，检测时间可短于2s；而对于三聚氰胺在鲜牛奶中的快速筛查检测全程可短于2min。 该方法检测限为2μg/L（优于0.050mg/L现有色谱国家标准检测限一个数量级），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。

苏丹红检测

苏丹红具有致癌性，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。

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。

OptoTrace公司针对辣椒粉中掺入的苏丹红1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1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检测仪，苏丹红1号的标样检测限达到了10μg/L，系统检测时间约为1min；检测辣椒粉中的苏丹红1号，实际样品检测全过程不超过2min，检测限为10mg/kg。同时，研发小组也在加紧工作，有望在短期内进一步完善检测方法。

孔雀石绿检测

孔雀石绿可用作杀菌、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，鱼类一般用于防治水霉病、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检测方法，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/T19857-2005）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，且要求实验员有较高的技术水平。

OptoTrace公司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2min；实际样品的检测限最低可达到10μg/L，一般情况下，实际样品检测全过程不超过30min，当样品中可能含有较高浓度（大于100μg/L）时，本方法可无需前处理仅用时约1min即可检测到孔雀石绿的存在。该方法简单,对实验员的专业技术要求不高，适合于现场快速检测。

展望

表面增强拉曼检测技术是一个可应用于食品安全领域的切实可行的光学技术。它快速、准确和灵敏，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。