海南4+1

当前位置: 主页 > 拉曼光谱仪应用专题 > 拉曼光谱法在食品药品分析中的应用与进展

拉曼光谱法在食品药品分析中的应用与进展

 
 
1928年,印度物理学家拉曼(C.V.Raman)首次发现拉曼散射效应,把散射光强度随能量(频率)变化和散射光偏振相对于入射光偏振的改变等信息加以记录就形成拉曼光谱,并因此获得1930年诺贝尔物理学奖[1] 。20世纪60年代以前,拉曼光谱实验由于受到汞灯光源的限制,捕捉到的信号微弱,因此只局限于化学分子振动谱的研究[2] 。1960年,随着激光器的发明并作为拉曼光源使用,使拉曼光谱的记录变得更加省时、清晰。其研究对象也不局限于化学分子的振动谱,而演变为物体中可与光进行相互作用的对象,如固体中的“元激发”:声子、电子、磁子、自旋子或极化激元等。同时,拉曼光谱的类型也逐渐增加,出现了如共振拉曼光谱、显微拉曼光谱、表面增强拉曼光谱等多种类型。拉曼光谱作为一种常规光谱分析技术,已广泛应用于物理学、化学、环境学、生命科学等各个领域[3] 。在此,阐述了拉曼光谱仪的产生原理,总结了近年来不同种类的拉曼光谱在食品药品等领域的研究、应用、发展情况。
1 拉曼光谱的产生原理与优势
 
光照射到物质上发生的散射可分为弹性散射和非弹性散射,若散射光与入射光的频率相同,仅改变了光的传播方向,称之为弹性散射,又称瑞利散射;若散射光与入射光的频率和传播方向都发生了改变,则称为非弹性散射,即拉曼散射[4,5] 。拉曼散射是光与物质分子间相互作用下产生的联合光散射现象,当物质分子在受到高频率(大约为1015s-1)的单色光辐射时,分子中的光子和电子就会发生较强烈的作用,使得电子云在相对于原子核的位置上产生波动,光的频率就会随之发生改变,分子就产生了极化作用[6] 。
 
光子的散射也是吸收和再发射的复合过程,散射物质会从入射光子吸收部分能量,或把自身的部分能量加到入射光子身上去,再发射的光子便与原光子不相干,且形成新的谱结构。其中,频率未变(v=v0)就叫瑞利线,v<v0为斯托克斯线,v>v0为反斯托克斯线。一般在拉曼光谱图中,斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧,这是因为在上述2种情况下分别相应得到或失去了1个振动量子的能量,且由于Boltzmann分布,处于振动基态上的粒子数远大于处于振动激发态上的粒子数,所以斯托克斯散射信号峰明显比反斯托克斯散射信号峰强很多。在样品分子的拉曼光谱测试中,都是以斯托克斯散射峰为检测峰,而忽略反斯托克斯散射的信号。
 
鉴于物质的结构特征、物质分子化学键与官能团的信息都能通过拉曼强度、拉曼位移及线宽反映出来,且每种物质在同样的环境和状态下都有自己的特征拉曼光谱,故可通过研究拉曼谱线的频率、强度、偏振度等因素分析物质的结构与性质。研究表明,在一定条件下,拉曼散射光的强度与物质浓度呈正比,因此也可以用于物质的定量分析[7] 。
 
拉曼光谱的主要优势:检测范围广,一次可以同时覆盖50~4 000 cm-1波数的区间,覆盖常见的有机物和无机物[8] ;无需破坏样品,能实现无损检测,过程无污染;灵敏度高,适用于水溶液的分析,需要的样品少,可用于低浓度检测;可结合计算机技术进行实时、实地在线监测,极大地提高了分析效率[9] 。
2 拉曼光谱技术的主要分类及特点
2.1 傅里叶变换拉曼光谱
 
类似于傅里叶红外光谱仪,傅里叶拉曼光谱仪利用近红外光(1 064 nm)作为激发光源,能更好地从内在降低荧光干扰,测量波段宽,热效应小,也适用于扫描光不稳定的化合物;此外,在仪器构造方面,傅里叶光谱仪采用干涉仪而不存在任何狭缝或色散原件,一次扫描就可以得到全光谱,且扫描时间较短,使用方便,故傅里叶拉曼光谱在化学、生物学和生物医学样品的非破坏性结构鉴定方面有广泛应用,尤其在阐述络合生物体系和荧光化合物结构方面具有优势[10] 。
 
在制药工程的过程控制研究中,Vankeisbilck等[11] 使用傅里叶变换拉曼光谱技术,进行晶型鉴定和结晶度定量的分析试验,结果表明,酮基布洛芬不同大小晶体之间和无定型晶体的拉曼信号响应强度存在差异,可以据此通过对药品生产的过程监控进行药品质量控制。在体系复杂的中药鉴定领域,以傅里叶变换拉曼光谱为主的拉曼光谱作为一种分子指纹分析技术,为中药现代化研究提供了有效手段,通过分析拉曼光谱拉曼振动峰频移、峰-峰强度比值等因素,根据其中异同达到对不同中药材分类的目的。近年来,傅里叶变换拉曼光谱在中药材的真伪鉴别,有效成分的分析,以及中药产品质量控制中有着广泛应用[12] 。
 
傅里叶变换拉曼光谱检测水溶液或深色样品的效果并不理想,且由于干涉仪对仪器的漂移比较敏感,检测操作时对样品池放置的重现要求比较高,故试验中容易产生误差,影响图谱重现性[13] 。
2.2 表面增强拉曼光谱
 
20世纪70年代末开始发展起来的表面增强拉曼光谱(SERS)技术,是结合表面增强机理形成的一种具有高灵敏度的拉曼分析技术,其原理在于当分子接近或吸附在贵金属纳米材料表面时,拉曼信号能被放大多个数量级,具有极高的灵敏度,可实现对痕量物质的检测,检测限可达到单分子水平[14,15] 。
 
鉴于多种化合物都能产生表面增强效应,且随着便携式与手持式拉曼光谱仪和表面增强试剂的不断优化,表面增强拉曼光谱仪在食品药品痕量化学检测中广泛应用,如通过制备表面增强基地,与拉曼光谱技术相结合,为快速检出酸性橙Ⅱ、苏丹红、孔雀石绿等食品非法添加剂提供了有效方法[16] 。
 
赵宇翔等[17] 利用三聚氰胺位于708~714 cm-1波数的拉曼光谱特征峰及其强度,基于表面增强拉曼光谱技术的便携式拉曼光谱仪对三聚氰胺进行定性及半定量的快速检定,并优化检测方法,缩短检测时间,使其适用于牛奶收购、运输过程中三聚氰胺的一线快检工作。在农药残留检测方面,郝勇等[18] 通过拉曼分析方法结合表面增强技术检测亚胺磷农药,实现了低浓度农药溶液拉曼相应增强。
 
除了提供分子的化学键、官能团、顺反信息之外,表面增强拉曼光谱还可用于生物分子构象及变化、界面处形态等理化性质的研究[19] ,故在分子生物学领域具有良好的应用前景。
2.3 显微拉曼光谱
 
显微拉曼光谱是将拉曼散射光谱仪与显微镜联用,保留显微镜的目镜便于观察样品,通过在散射光路上安装针孔,利用显微镜的激光聚焦到微米级,实现对样品的逐点扫描,以获得高分辨率的图谱[20] 。其结构主要有5个部分组成:激光光源、显微镜采样系统、外光路系统、光谱仪系统和计算机处理系统。当激光入射时,照射到待测样品上,外光路系统首先将激光光源的输出信号经过准直、滤光使其转变为平行光引入显微镜,再将反馈回的拉曼信号导入光谱仪。光谱仪包括光栅单色器和CCD检测单元,分别负责将拉曼散射信号按波长在空间分开,收集已分开的光信号并转化为电信号,导入计算机处理系统,根据建立的模型对拉曼光谱进行分析[21] 。整个测量过程快速,无污染,无破坏,稳定性好,需要的样品浓度低,在无损检测和原态检测方面具有优势。
2.4 空间位移拉曼光谱
 
空间位移拉曼光谱(SORS)作为一种新型分析技术,使用相对较低能量的激光,在分层扩散的散射系统中,分离单个层次的拉曼光谱,在激发点样品表面上的空间位移区域收集拉曼光谱,并随着空间位移的增加观察光谱信号的变化。由于光子在不同激光表面发生扩展,且拉曼光谱和荧光组分(同一层)具有相同的空间分布,因此,SORS技术能有效地消除物质表面的荧光干扰。因为不同位移处的拉曼光谱都有不同程度的表面和次表面的组分,可通过简单的数值方法分离不同层之间的拉曼光谱。这种方法使得采集不透明容器中的物质光谱成为可能。实验表明,强散射塑料可以掩盖未知材料的光谱特征,但通过偏移采集光谱,容器的拉曼信号强度降低,可以降低干扰的化学信号特征,也就是减弱了容器材料干扰的信号[22,23] 。
2.5 拉曼光谱与其他技术联用
 
拉曼光谱分析样品的过程中,由于样品情况的复杂多样性,拉曼光谱可与其他方法联用,方便检测。在鉴定中药时,采用拉曼光谱检测很可能出现中药成分的干扰,故先利用经典的薄层色谱(TLC)技术进行简单分离,再用拉曼光谱对其定性鉴别。陈梦云等[24] 通过分析清热类中成药非法添加的TLC-SERS研究,实现了清热类中成药的快速检测,并证实该方法具有快捷、灵敏、特征性强的优势,以及推广于其他中成药掺伪物质测定的可行性。为了避免辅料成分的干扰,利于主成分识别,许凤等[25] 采用TLC-Raman联用技术,实现了对头孢菌素类药物如头孢他啶、头孢替唑钠、头孢呋辛钠和头孢氨苄四种药物的同时检验,该方法专属性强、灵敏度高、重复性好,取得了理想的效果。同时,拉曼光谱作为快速检验的分析方法,在实际应用中,通常需要与液相色谱、气相色谱及液质联用技术相辅相成,以便最终确证目标化合物的结构、含量等确切信息。
3 拉曼光谱的应用
3.1 食品检验
 
食品中的营养成分主要是糖类、油脂、蛋白质、维生素等。通过拉曼光谱分析分子的振动转动,分析不同分子的谱图特征,从而提供不同食品的成分信息。拉曼光谱分析法操作简单,方便快速,不仅可以用作定性分析,也可以进行成分的定量检测。
 
李水芳等[26] 在拉曼光谱无损检测蜂蜜中的果糖和葡萄糖试验中,对3个不同年份采集的来自10个省份共16种蜂蜜样本进行检测,通过分析不同数据模型的优劣,发现果糖含量与拉曼光谱信息之间更多地表现为非线性关系,而葡萄糖含量与拉曼光谱之间更多地表现为线性关系。
 
Killeen等[27] 通过扫描白色到亮橙色(几乎包括所有品种)的胡萝卜模型,结果表明,近红外傅里叶拉曼光谱可以有效分析冷冻胡萝卜中的胡萝卜素浓度,并能定量分析胡萝卜中的多炔类成分含量。虽然市场上胡萝卜中的多炔类成分含量普遍低于模型检出限,但该方法可作为育种家培育高聚乙炔含量的胡萝卜提供技术支持,也可监控胡萝卜生长过程中胡萝卜素和多炔类化合物的含量变化,并帮助建立胡萝卜生长过程中不同生长时间产生的不同营养物质的理想性状给予理论规划和指导。
 
在检测食品中农药残留及食品添加剂方面,拉曼光谱也有较广泛的应用。孙旭东等[28] 采用表面增强拉曼技术结合线性回归算法分析,对蜂蜜中乐果农药残留进行了定量分析,并能达到2×10-6的检出限。张涛等[29] 利用显微拉曼光谱与DFT模拟计算结合的方法,对食品添加剂乌洛托品进行定性分析,验证了拉曼光谱检测乌洛托品的特征峰为779,1 368,1 498 cm-1。刘安琪等[30] 综述了包括着色剂、防腐剂、抗氧化剂等食品添加剂的表面增强拉曼光谱分析,通过比较表面增强拉曼光谱的优势和不足,提出了拉曼光谱应用于食品检验方面的见解及展望。
3.2 药品检验
 
我国市场流通的药品种类繁多,药品监督管理难度大,成本高,因而对药物快速检测技术有着很大的需求。拉曼光谱作为新兴的检测方法,在药品快检领域具有很大的优势。
 
柳艳等[31] 结合一线工作经验总结出,拉曼光谱应用于药品快检具有穿透力强、无损、对待测样品需求量少、手持式拉曼轻巧便于携带等优势;通过分析拉曼光谱图的分析与数据处理,利用拉曼光谱进行鉴别定性分析方法的进展,归纳了近年来拉曼光谱在硬件软件方面的完善、改进情况,对拉曼图谱处理方法的模型软件优化提出独到见解,同时明确了拉曼光谱在药品快检中的应用前景。
 
Visser等[32] 通过试验检测298种抗疟疾药,并进行诊断准确性的研究,证实手持性拉曼在对抗疟疾药物进行快速准确的筛查中取得了良好的效果。王玉等[33] 通过对比不同种类的拉曼光谱特点,总结归纳了拉曼光谱在药物合成过程及中药材鉴别中的应用,分析出傅里叶拉曼光谱在中药分析中的技术优势;通过对比不同种类拉曼光谱在分子的旋转异构、互变异构和相变研究中的应用,以及在痕量药物定量分析中的应用,发现经过表面增强(SERS)试剂(如纳米银胶、纳米金胶等)前处理达到信号放大效果的拉曼光谱具有灵敏度高、能在痕量水平给出光谱指纹的能力、消除荧光干扰等优点而更具发展前景。
 
在保健品检测研究方面,利用拉曼光谱快速检测保健品中非法添加化学药物成为近几年的研究热点。郭焱等[34] 通过考察表面增强试剂分子银胶体系对2种减肥药(盐酸西布曲和盐酸芬氟拉明)固体光谱图的影响,探究出用以分析不同情况下盐酸西布曲明和盐酸芬氟拉明分子在纳米表面吸附情况的方法。姚辉等[35] 结合光学显微镜和拉曼光谱测量对中药保健品进行分析,根据显微镜下少量胶囊内容物晶体结构的特殊性,再进一步用拉曼光谱验证分析,判定晶体外形物质分别为盐酸二甲双胍和盐酸西布曲明。该方法简便,快速,准确度高,为保健品中非法添加化学药物的成分鉴定提供了科学依据。甘勇强等[36] 使用适当溶剂对保健品中非法添加的酚酞进行提取,采用提取液进行拉曼光谱分析测试,建立了酚酞-甲醇溶液的标准曲线;且对添加不同浓度酚酞的减肥保健品进行拉曼光谱检测,所得结果与酚酞实际添加量一致,并达到1%的检出限。该方法简单快速、成本较低,同时为拉曼光谱可靠的定性分析与可能进行定量分析测定提供了新的研究思路。
3.3 分子生物学研究
 
拉曼光谱是研究生物大分子的有力手段。由于水的拉曼光谱很弱,谱图又很简单,故拉曼光谱可在接近自然状态、活性状态下来研究生物大分子的结构及其变化。拉曼光谱在蛋白质二级结构的研究、DNA和致癌物分子间的作用等研究[37,38,39,40,41,42,43,44] 中的应用均有报道。有研究采用拉曼光谱技术和多变量分析技术对肺组织中的生育酚及其氧化产物进行了准确测定和定位,实现了活体组织的无损测试[45] 。
 
大多数的生物系统都吸收紫外辐射,故紫外共振拉曼(URRS)在研究蛋白质、DNA等生物大分子领域应用较为普遍。赵晓杰等[46] 通过紫外共振拉曼光谱研究了阿霉素与小牛胸腺DNA相互作用的原理和位置,揭示药物作用的一般规律。
 
近年来,激光拉曼光谱在研究生物大分子结构、功能、动力学方面进展迅速。王敏等[47] 通过归纳总结近年来拉曼光谱技术在蛋白质分子中的应用现状,包括实时监控蛋白质中的单晶结构、应用于药物分子筛选、蛋白质装配等方面,发现拉曼光谱可以提供丰富的蛋白质信息,并在该领域有良好的应用前景。李云涛等[48] 通过激光拉曼光谱分析经不同剂量X射线和60COγ射线照射的食道癌细胞(CE9706),分析细胞内的蛋白质、核酸、脂肪及其他生物大分子的构象、拉曼光谱图中的内容变化,从物理能级的角度,为进一步研究EC9706细胞由X射线和60COγ射线造成的辐射损伤机理提供了实验室依据。
4 展望
 
拉曼光谱分析具有无损、速度快、精度高、操作简便等特点,在各领域中不断发展,尤其在食品药品分析领域应用广泛。伴随着光谱检测技术的不断进步及材料分析行业的不断发展,拉曼光谱在痕量成分的检测方面不断完善并提高。在食品药品的生产工艺领域,拉曼光谱用作生产过程的质量控制技术正逐步完善。在食品药品质量检测的研究中,如何利用拉曼光谱建立方法模型,从而更灵敏、有效地检出食品药品中非法添加物的技术逐渐成为实验室研究的热点。此外,利用拉曼光谱与其他分析技术联用,更全面地建立分析模型,也将成为研究的新趋势。
 
分享到:QQ空间新浪微博腾讯微博人人网微信

友情链接:体育投注  永利皇宫注册  永利注册官网  体育投注现金网  新澳门游戏官网  皇冠体育  美高梅注册官网  彩票娱乐开户  电子游戏官网  澳门永利皇宫娱乐平台