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拉曼光譜技術在食品質(zhì)量安全檢測中的應用

文檔作者：劉燕德h2，劉濤1，孫旭東1’2，歐陽愛國1’2，郝勇文檔來源： 1．華東交通大學機電學院 2．華東交通人學光機電技術及應用研究所。		點擊數(shù)： 9 1	更新時間： 2025年03月04日
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第30卷，第11期
2 0 1 O年l 1月
光譜學與光譜分析v01．30?！恚?1，pp3007—3012
Spectroscopy and Spectral Analysis Novcmber。2010
拉曼光譜技術在食品質(zhì)量安全檢測中的應用
劉燕德h2，劉濤1，孫旭東1’2，歐陽愛國1’2，郝勇hz
1．華東交通大學機電學院，江西南昌330013
2．華東交通人學光機電技術及應用研究所。江西南昌330013
摘要拉曼光譜技術具有樣品無需前處理、操作簡便、時間短、靈敏度高等優(yōu)點，可獲得樣品的物理化學
及深層結(jié)構(gòu)信息，已廣泛應用于石油化工、生物醫(yī)學、地質(zhì)考古、刑事司法、寶石鑒定等領域。拉曼光譜對
水等極性物質(zhì)極其不敏感，在食品質(zhì)量安全檢測方面具有良好的應用前景。論文簡述了拉曼光譜技術的檢
測原理、分類以及系統(tǒng)的組成，綜述r拉曼光譜技術在食品成分分析和農(nóng)藥殘留檢測中的最新研究進展。指
出r該技術在食品質(zhì)量安全檢測中的關鍵技術并對今后的研究進行了展望。
關鍵詞拉曼光譜；食品；農(nóng)殘
中圖分類號：0657．3 文獻標識碼：A DOI：10．3964／j．issrL looo-0593(20lO)ll一3007-06
引言
拉曼光譜(Ranlan spectros∞py)技術是一門基于拉曼散
射效應而發(fā)展起來的光譜分析技術，體現(xiàn)的是分子的振動或
轉(zhuǎn)動信息。由于拉曼光譜技術與常規(guī)化學分析技術相比，具
有元損、快速、環(huán)保、無需制備試樣、無需消耗化學試劑、所
需樣品量少等特點，并且激光光源的出現(xiàn)使得拉曼光譜已廣
泛應用于石油化工、生物醫(yī)學、地質(zhì)考古、刑事司法、寶石
鑒定等領域。
本文從托曼光譜技術的檢測原理出發(fā)，簡述r拉曼光譜
技術的分類以及系統(tǒng)的組成。綜述r該技術在食品成分分析
和農(nóng)藥殘留檢測中的最新研究進展，提出r其在食品質(zhì)最安
全檢測巾的莢鍵技術，以期為食品的成分分析和安全檢測提
供參考。
1拉曼光譜技術原理及檢測裝置
1．1拉曼光譜技術原理
拉曼光譜提供的足分子內(nèi)部各種簡正振動頻率及有關振
動能級的信息，與紅外光譜產(chǎn)生的機制不同，拉曼光譜是由
于分子極化率變化誘導產(chǎn)生的，而紅外光譜是由于分子偶極
矩變化產(chǎn)生的?。二者在分子結(jié)構(gòu)的分析中相互補充。極性
基閉如C凈0，f、卜～H及。一H等具有很強的紅外活性，而
非極性基團如C=一C，C—C，N—N及S—S等具有很強
的拉曼活性。水分子具有強烈的紅外吸收和弱的拉曼活性，
因此lR光譜適用于分析干燥的非水樣品，而拉曼光譜更適
用于含水生物系統(tǒng)的在線分析。圖1是利用FT取和拉曼光
譜技術測得的Trans-ciIln枷yl acetate的光譜圖。
隱l FnR and勛啪spectm 0f
T瑚I飽一ci咖姍yI a髓tate
拉曼光譜包含了譜線數(shù)目、位移大小和譜線強度等信
息，這些信息與入射光的頻率無關，只與被測物質(zhì)的分子振
動和轉(zhuǎn)動能級有關，而每一種物質(zhì)都有自己的特征拉曼光
譜，因此通過所獲得的拉曼光譜與數(shù)據(jù)庫中的托曼光譜進行
比對，即町判定被測物質(zhì)的組成。除此定性分析之外，還可
收稿日期：2010-02一06．修訂日期：20lO-05∞8
基金項目：國家科技支撐計劃(2008BA【)96804)，國家自然科學基金項目(60844007)，教育部新世紀優(yōu)秀人才資助計劃項目(NCFr-06一
0575)．江西省自然科學基金項目(2008GQN0029，2007GZN026)，對外科技合作計劃項目(2009BHBl5200)。江西省主要學科學
術和技術帶頭人培養(yǎng)對象計劃項目(2009r)I)00700)資助
作者簡介：劉燕德，女，1967年生，華東交通大學機電學院教授e-mail：j妯uyd@163．com
萬方數(shù)據(jù)
光譜學與光譜分析第30卷
根據(jù)光譜譜帶的分析對被測物質(zhì)進行結(jié)構(gòu)分析。以及利用拉
曼譜峰強度與被測物質(zhì)濃度成正比的關系進行半定量分析。
1．2拉曼光譜技術分類
隨著拉曼光譜學、儀器學、激光技術的發(fā)展，拉曼光譜
技術作為一種成熟的光譜分析技術，已發(fā)展了多種不同的分
析技術．如傅里葉拉曼光譜(F卜RarYlan)、表面增強拉曼光
譜(sERS)、激光共振拉曼光譜(RRS)，共焦顯微拉曼光譜
等。表1列出了各種拉曼光譜技術的原理、優(yōu)缺點及主要的
應用領域。
T曲Ie l Cl罄si療偽tl螄of＆哪岫sp∞tms∞py techniq啦
1．3拉曼光譜檢測裝置
根據(jù)獲得光譜方式不同，拉曼光譜儀可以分為傅里葉型
和色散型，但所有的拉曼光譜儀均由激光光源、樣品裝置、
濾光器、分光儀、探測器和計算機處理系統(tǒng)組成。一臺拉曼
光譜儀主要做到兩點：①阻擋瑞利散射光和其他雜散光進人
探測器；②將拉曼散射光分散成各個頻率，入射于探測器。
而對于拉曼光譜儀的一般要求是最大程度地探測到來自試樣
的托曼散射光，有較高的光譜分辨率和轉(zhuǎn)移精度，合適的光
譜范圍以及操作方便。圖2為拉曼光譜儀的組成。
激光器作為激發(fā)光源對拉曼光譜技術的發(fā)展至關蓖要，
其突出優(yōu)點是方向性強、單色性好、亮度商、相干性好，可
遠距離傳輸。表2列出了常用于拉曼光譜儀的激光器Ⅲ。
ThMe 2 lh眥Ⅲm I鷦盯l母耐iII RaI咖spectmmeter
2拉曼光譜技術在食品質(zhì)量安全檢測中的應
用
2．1拉曼光譜技術在食品成分檢測中的應用
食晶的種類十分豐富，其成分因品種不同而有所差異，
但綜合各種食品，其營養(yǎng)成分主要是糖分、油脂、蛋白質(zhì)和
維生素。常規(guī)的化學分析方法。如液相色譜法(LC)、氣相色
譜法((℃)等，操作步驟繁瑣、消耗化學藥品、需制備試樣，
萬方數(shù)據(jù)
第11期光譜學與光譜分析3009
而拉曼光譜技術能夠克服這些缺點，因此在食品成分的分析
研究中得到廣泛應用。
2．1．1 國外研究進展
國外利用拉曼光譜技術對食品成分的分析研究應用較
廣，通過拉曼譜圖不僅可以定性分析被測物質(zhì)所含成分的分
子結(jié)構(gòu)和各種基團之間的關系，還可以定量檢測食品成分含
量的大小。
糖分一般含有C—H，0卜H，C——C，C一0等，雖然
基團簡單，卻是大分子結(jié)構(gòu)，存在許多同分異構(gòu)體。所以分
析相對困難。Paradkar等‘83利用傅里葉拉曼光譜獲得了甘蔗
糖、甜菜糖的拉曼光譜。采用偏最小二乘(PLS)和主成分回
歸(PCR)對摻雜在楓樹糖漿中的甘蔗糖和甜菜糖含量進行建
模，結(jié)果決定系數(shù)R2>O．92，準確率達95％。Barmn等[9]應
用拉曼光譜定性分析了小麥阿拉伯木聚糖的分子化學鍵和骨
架結(jié)構(gòu)。
應用拉曼光譜可以檢測植物的含油量、油份組成以及分
析動物脂肪的結(jié)構(gòu)等。B∞ttie等[10]對脂肪中的脂肪酸甲酯
(FAME)含昔進行了定量檢測，研究了各種基團之間的相關
性，結(jié)果最優(yōu)峰v(o=())對v(C．一C)或占(H．一C_一)的
R2>o．995，具有很好的相關性。Muik等[11]檢測了橄欖果渣
中的油份和水分，測得油份的RMsEP為o．20～o．21，水分
的RMsEP為1．8。da silva等[12’選擇激發(fā)波長1 064啪，檢
測了玫瑰果中的類胡蘿卜素和亞麻油酸以及玫瑰果種子的不
飽和脂肪酸。Beattie等【13]對四種不問的動物食品(雞肉、牛
肉、羊肉和豬肉)采用多種建模方法進行了定鼉分析和判別。
偏最小二乘判別分析(PL，sDA)方法的精度達到99．6％，優(yōu)
于主成分線性判別分析(PCLDA)，另外采用前向多層神經(jīng)
網(wǎng)絡所得結(jié)果也很理想，達到99．2％。
空間構(gòu)型的研究是拉曼光譜在蛋白質(zhì)和多肽的主要應
用。通過分析蛋白質(zhì)拉曼譜圖的峰強信息以及特征峰位置，
不但可以得到蛋白質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)、肽鏈的骨架振動，而且可
以獲得側(cè)鏈微環(huán)境的化學信息以及蛋白質(zhì)受外界環(huán)境(溫度、
離子強度、pH等)的影響信息。、№ng等[14]研究了酰胺化作
用對分離大豆蛋白、雞蛋白粉和谷蛋白的影響，‘發(fā)現(xiàn)色氨酸
的變化并非構(gòu)象變化導致。而可能是衍生化作用導致。Piot
等[15J提出共焦顯微拉曼光譜可用于分析小麥蛋白質(zhì)的空間
構(gòu)氆，監(jiān)測小麥生長時蛋白質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)的變化，精度可達
到弘m級別。Ngarize等[16]利用傅里葉拉曼光譜研究了雞蛋
蛋白和乳蛋白的相瓦作用機理，發(fā)現(xiàn)溫度導致的蛋白質(zhì)變性
可以反映在拉曼譜圖的變化上。
2．1．2國內(nèi)研究進展
利用拉曼光譜技術分析食品成分方面國內(nèi)研究相對國外
來說還處于起步摸索階段，表3列出了一些在糖分、油脂和
蛋白質(zhì)的拉曼光譜研究。
Tabk 3 D0聯(lián)娟c st硼y of f砌咖塔titI蛐t by R秈
成分研究內(nèi)容
糖分
油脂
蛋白質(zhì)
①激光共振拉曼檢測果汁巾的單糖f17]；
②利用激光拉曼的葡萄糖特征峰一CCO(1 125咖-1)，測定不同濃度的葡萄糖含量；
③葡萄糖分子的SERS研究及銀表面的吸附狀態(tài)分析[18]。
①亞麻油組分(油酸、亞油酸、r弧麻酸)的定性分析；
②飽和脂肪酸及其鹽(乙酸、硬脂酸及乙酸鈣、乙酸鎂、硬脂酸鈣、硬脂酸鎂)的拉曼光譜研究。
①分析了不同pH對蛋白質(zhì)乳化能力的影響【19]；
②利用sERs研究了半胱氨酸的吸附方式和作用機理[20]；
⑦利用激光拉曼，分析了綠色木霉纖維索酶中的CBHⅡ在固態(tài)及兩種pH的液態(tài)中酶分子中氫鍵的狀態(tài)[211。
2．2拉曼光譜在食品農(nóng)藥殘留檢測中的應用
隨著社會的進步和人民生活水平的提高，食品安全已成
為全球關注的熱點話題，農(nóng)藥殘留污染是制約食品營養(yǎng)與安
全的首要因素之一。農(nóng)產(chǎn)品檢測中心配備的檢測儀器靈敏度
高、專業(yè)性強、檢測方法復雜。價格昂貴；常規(guī)的檢測方法
擁有許多不足¨2|。由于不問農(nóng)藥的分子結(jié)構(gòu)不同。其振動譜
也會不同，因此利用拉曼光譜來識別不同的農(nóng)藥是可行的。
2．2．1國外研究進展
國外應用拉曼光譜技術檢測了在糧食、蔬菜、水果中普
遍使用的殺蟲劑和殺菌劑。取得一定進展。Skoulika等[23]利
用傅罩葉拉曼光譜定量檢測了殺蟲劑二嗪農(nóng)，選取554，
604。631，l 562和2 971咖1建立校正模型。所得相關系數(shù)
都達到0．99以上。Sa廿Ber而等[24]選取甲基對硫磷的特征
波段1 345～1 110 cITl～，建立線性和非線性數(shù)學模型，結(jié)果
線件模型的R2=o．996，優(yōu)于非線性模型。Amen協(xié)等L25J分
別采用了傅里葉紅外光譜法和拉曼光譜法對異菌脲進行了檢
測。發(fā)現(xiàn)傅里葉紅外光譜法和拉曼法的檢測結(jié)果R2都大于
O．996，可用于農(nóng)藥異蔭脲的無損檢測。He等脅]對牛奶中是
否含有三聚氰胺作了研究，利用SERS對三聚氰胺的特征峰
676鋤“強度和濃度之間建立校正模型，得到R2=O．96，其
測量極限可達到2．6×10-7 rn0卜L～。
2．2．2國內(nèi)研究進展
拉曼光譜在食晶農(nóng)殘中的檢測主要是指果蔬上的農(nóng)殘檢
測。拉曼光譜識別農(nóng)藥時必須先獲得各種果蔬的拉曼光譜，
然后測壤各種標準農(nóng)藥的拉曼光譜，形成數(shù)據(jù)庫和評判模
型，這樣就町識別噴有農(nóng)藥的果蔬拉曼光譜，從而檢測出果
蔬表面的農(nóng)藥含量。周小芳等【270應用不同波長的激光光源
采集了水果表面的農(nóng)殘拉曼光譜。通過比較發(fā)現(xiàn)，運用激發(fā)
波長為l 064衄的近紅外傅瞿葉拉曼光譜儀對信號進行收
集，可以減弱熒光背景。肖怡琳等[勰]用顯微拉曼光譜儀測試
了幾種用于果蔬表面的農(nóng)藥(如殺蟬、滅多威、撲海因等)拉
曼光譜和熒光光譜，根據(jù)各種農(nóng)藥的特征峰，可以實時快速
地區(qū)別各種農(nóng)藥及其在果蔬表面上的農(nóng)殘。表4為常見的幾
種水果和農(nóng)藥的拉曼特征峰[291。
萬方數(shù)據(jù)
3010 光譜學與光譜分析第30卷
T鈾k 4 a咖徼te曦tic p咀b 0f咖磚
frujts and p曙ticid曙
森羹特征頻率／啪．t 鑫簍特征頻率觚-
蘋果1 004，1 155， 愛福丁1 003。l 449，1 607，
(紅色) l 522 乳油2 732，2 872，2 922，3 056
蘋果1 006。1 159。辨1003'1605’2 922'3056
(黃色) 1 523
柑橘凇’1 160’ 嘉器嘲Ⅲ91’㈨s，so，·
梨嬲’1 158， 堡霉荔㈨Ⅲ，¨sss
香蕉慧’1 160’
3拉曼光譜技術在食品質(zhì)量安全檢測中的關
鍵技術
3．1熒光背景的扣除
拉曼散射是相對比較弱的光散射，其光譜強度一般小于
入射光的lo“倍和瑞利散射的10_3倍。而在食晶分析研究
中，由于激光光源照射在樣品時，有機分子易將吸收光子轉(zhuǎn)
化為熒光分子從而產(chǎn)牛熒光效應，其強度大大超過拉曼光譜
譜峰的強度，甚至可能完全覆蓋整個拉曼光譜，因此減小和
扣除熒光是順利進行食品研究的關鍵技術之一。
(1)針對不同的樣品，選擇合適的激發(fā)波長。但是在更
換激光器的同時增加r儀器的成本。在水果農(nóng)殘的檢測中發(fā)
現(xiàn)，由于一些水果和農(nóng)藥在可見光激發(fā)下有強的熒光，使得
檢測遇到闌難，若運用波長為l 064 m的Nd：YAG作為激
光光源對信號進行采集，多次累加提高信噪比，可以大大減
弱熒光背景[30]。Naumann等川在分析食品中的脂肪、蛋白
質(zhì)、碳水化合物、香料以及測定食用油的油脂不飽和度時，
采用N取激發(fā)，避免了食用油中類胡蘿卜素及其他色素的熒
光f擾。張鵬翔等【32]比較-r 514．5和l 064 m兩種激發(fā)波
長下蔬菜水果的拉曼光譜，發(fā)現(xiàn)用514．5 nrn的波長激發(fā)時，
許多蔬菜水果有很強的熒光，而換成l 064眥后，基本扣除
了熒光。圖3為農(nóng)藥敵敵畏在扣除熒光前和熒光后的拉曼光
譜。
Raman shi肌m‘。
l 000
Fi晷3砘m蛐sp∞tm ofDDV befbre and
after nu啊陀9咖oe subtracti蚰
(2)對樣品進行預處理。例如對樣品進行長時間掃描，
高溫氧化破壞熒光材料。但是時問不能過長，以免出現(xiàn)熱效
應；對樣品進行凈化處理也是一種自．效方法。
(3)利用數(shù)學方法扣除熒光，例如曲線擬合、濾波去噪
等。El_Abassy等‘”]利用拉曼光譜分析特級原牛橄欖油中的
游離脂肪酸含量時，建移了一個四次方多項式擬合熒光光
譜，用原光譜減去該熒光光譜就獲得r真正的拉曼光譜。在
擬合的過程中，如果過擬合會造成誤扣有效信息；如果欠擬
合則會產(chǎn)生硯譜，影響食品檢測的準確性。陳晨[34]處理水體
污染物鄰二甲苯時，采用小波變換濾除光譜中的各種噪聲，
包括熒光。李卿等【35j提出了一種新的拉曼光譜去噪方
法——經(jīng)驗模態(tài)分解閾值去噪法，分析r在不同噪聲水平上
經(jīng)驗模態(tài)分解閾值法對二甲苯的扣曼光譜處理的效果，發(fā)現(xiàn)
經(jīng)驗模態(tài)分解閾值法能夠有效地去除噪聲。
3．2熱效應的消除
熱效應是由于激光照射時間過長而引起的物質(zhì)發(fā)熱“燒
焦”的現(xiàn)象。避免熱效應對于獲得樣品真正的拉曼譜圖意義
重大，主要措施有：
(1)降低激發(fā)光源的功率可以自．效地防止熱效應的產(chǎn)
生，但拉曼光譜信號強度會減弱。(2)使用低溫測樣附件，
同時減少樣品的掃描積分時間，是常用的抑制熱效應方法。
3．3拉曼標準譜圖庫的建立
拉曼譜圖包含r拉曼特征峰的頻率、峰位的變化、偏
振、峰寬、譜峰強度、半寬高、退偏比和散射面積等信息，它
們蘊含著豐富的食品成分、分子結(jié)構(gòu)、化學鍵等信息。表5
列出了有機化合物的拉曼特征峰頻率和振動基團L3引。許多
制造拉曼光譜儀的公司郁配置r各自的拉曼特征譜圖庫，例
如The肌o Scientific公司擁有々用于光譜數(shù)據(jù)處理的軟件
0MNIc，提供數(shù)量超過15 ooo張標準譜}5}I，方便了譜圖的
解析。f|{．是由于受儀器、環(huán)境等影響，尤法共享，固化在儀
器內(nèi)部的譜I冬I庫允法及時更新，難以滿足食品數(shù)據(jù)快速變化
的趨勢。因此構(gòu)建支持有線和無線網(wǎng)絡傳輸?shù)臉藴世V圖
庫，是拉曼光譜技術能否進一步發(fā)展和推廣的關鍵。
3．4低成本便攜式拉曼光譜儀的開發(fā)
我國食品行業(yè)高速發(fā)展，隨之帶來的食品質(zhì)量安傘檢測
也備受關注。然而拉曼光譜儀器仍以高精密、功能完備、價
格昂貴的實驗儀器為主，難以適應我陰貪晶行業(yè)的發(fā)展。因
此，研發(fā)低成本，實現(xiàn)數(shù)據(jù)無線上fj。樅下載、與全球定位系
統(tǒng)聯(lián)用，面向食品無損檢測的便攜式托曼光譜儀，是推進拉
曼光譜技術在食品中應用的關鍵。
4結(jié)束語
拉曼光譜技術應用在食品領域雖然起步較晚，但是在食
品質(zhì)量安全檢測中取得一定進展。抑制拉曼光譜的熒光效
應，建立具有自主知識產(chǎn)權(quán)的通用標準拉曼譜圖庫，開發(fā)便
攜式拉曼光譜儀，逐步解決拉曼光譜在食品質(zhì)量安傘檢測中
存在的問題，將推動拉曼光譜技術在食品行業(yè)的快速發(fā)展和
應用。
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萬方數(shù)據(jù)
第11期光譜學與光譜分析3011
T曲k 5 a咖眥te瞅ic吣of鉀礎∞mpotmds
頻率／crIl一1 振動基團化合物頻率／cnl一‘ 振動基團化合物
480～510 S—S伸縮振動二烴基_．硫化物1 290～1 314 平面C—H形變振動反式■烴乙烯
615～630 環(huán)形變單基取代苯1 330～l 350 C—H形變振動異丙基基團
650～660 CH：l伸縮振動初級氯烷烴1 368～1 385 CH3對稱形變振動n烷烴
620～715 C-s伸縮振動二烴基二硫化物1 370～l 390 環(huán)伸縮振動萘
585～740 C-S伸縮振動烷基硫化物1 385～1 415 環(huán)拉仲振動蒽
820～825 C30骨架伸縮振動仲醇1 465～1 466 CH3形變振動n烷烴
720～830 環(huán)振動對位雙取代苯l“6～l 473 CH3，CH2形變振動H烷烴
749～835 骨架伸縮振動異丙基基團1 550～1 630 環(huán)拉伸(雙對) 苯衍生物
877【卜()伸縮振動過氧化氫1 590～1 650 NH2剪切振動伯胺
850～900 對稱C—N—C伸縮振動仲胺1 649～l 654 對稱cl-()伸縮振動羥酸。環(huán)二聚物
837～905 C—C骨架伸縮振動"烷烴1 700～l 725 C—o伸縮振動酯族酮
830～930 對稱(>一卜-‘：伸縮振動酯族醚1 720～1 740 c疊i)伸縮振動酯族醛
990～l OlO 三角環(huán)呼吸振動單基取代苯2 100～2 160(魯C伸縮振動烷摹乙炔
990～1 olO 三角環(huán)呼吸振動偏取代苯2 232～2 251 CEN伸縮振動醣族腈
1 015～1 030 平面C—H形變振動單基取代苯2 231～2 301 C魯C伸縮振動二烴基乙炔
1 020～1 060 環(huán)振動原取代苯2 560～2 590 S—H伸縮振動硫醇
950～l 150 C—C伸縮振動”烷烴2 849～2 861 對稱CH2伸縮振動"烷烴
1 188～1 196 對稱S()2伸縮振動烷基硫酸鹽2 883～2 884 對稱CH3伸縮振動”烷烴
1 205 c5H5—C振動烷基苯2 912～2 929 反對稱CH2伸縮振動n烷烴
1 200～1 230 環(huán)振動對位雙取代苯2 965～2 969 反對稱CH3伸縮振動"烷烴
1 251～1 270 平面C～H形變振動順式二烴乙烯3 ooO～3 100 芳香族C—H伸縮振動苯衍生物
1 295～1 305 CH2平面扭曲振動"烷烴3 300～3 400 鍵合反對稱NH2伸縮振動伯胺
1 175～1 310 CH2扭曲和擺動，，烷始
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