高靈敏度食品著色劑檢測方法與流程
2023-05-23 03:22:30
本發明涉及食品著色劑的檢測方法，尤其涉及痕量食品著色劑的檢測方法，屬於食品安全檢測技術領域。
背景技術：
食品安全緊密關聯著人們生產生活以及經濟和社會的發展，自從三聚氰胺事件及地溝油事件爆發後，食品安全問題越來越受到國家和人民的關注，而其中食品著色劑的濫用是導致食品安全問題的重要因素，食品著色劑的應用範圍很廣，因此要完全杜絕食品著色劑的危害是不可能的，完善監督措施和採用科學檢測方法可以在最大程度上減少食品著色劑對人類健康的危害。目前國內外針對食品著色劑的檢測方法主要包括有紫外分光光度法、高效液相色譜法、近紅外光譜分析技術等檢測方法，紫外分光光度發是根據物質分子對波長為200-400nm這一範圍的電磁波的吸收特性所建立起來的一種定性、定量和結構分析方法，通過紫外光透過試液後的出現一處或幾處暗帶的吸收光譜進行分析；高效液相色譜是色譜法的一個重要分支，以液體為流動相，採用高壓輸液系統，將具有不同極性的單一溶劑或不同比例的混合溶劑、緩衝液等流動相泵入裝有固定相的色譜柱，在柱內各成分被分離後，進入檢測器進行檢測，從而實現對試樣的分析；近紅外光譜分析技術是利用含有氫基團(X-H，X為：C，O，N，S等)化學鍵(X-H)伸縮振動倍頻和合頻，在近紅外區的吸收光譜，通過選擇適當的化學計量學多元校正方法，把校正樣品的近紅外吸收光譜與其成分濃度或性質數據進行關聯，建立校正樣品吸收光譜與其成分濃度或性質之間的關係-校正模型。近紅外光譜分析技術靈敏度低，已經難以滿足低檢測限的需要；而其他儀器分析方法雖然靈敏度高、重現性好，但同時存在著耗時、操作複雜等缺點，不能滿足對食品著色劑現場快速精準檢測的需求。
技術實現要素：
為了解決上述現有技術的不足，本發明的目的在於提供高靈敏度食品著色劑檢測方法，該方法基於SERS效應，能實現食品中痕量著色劑的檢測，且該方法操作簡單，並具有較好的穩定性和可靠性。
本發明所採用的技術方案為：首先將10-8mol/L～10-3mol/L的食品著色劑標準液滴在花狀納米銀顆粒SERS襯底上，通過拉曼光譜儀採集食品著色劑標準液的拉曼光譜譜圖和數據；進一步選取特徵峰波數、對應強度採用主成分分析法對食品著色劑標準液的拉曼光譜數據進行處理獲得食品著色劑標準液的拉曼光譜強度-食品著色劑濃度關係式；將待測食品進行處理成溶液，並將溶液滴在花狀納米銀顆粒SERS襯底上，通過拉曼光譜儀採集待測食品溶液的SERS光譜圖譜和數據，待測食品溶液的拉曼光譜譜圖與食品著色劑標準液的SERS光譜圖譜進行對比即可獲得待測食品中著色劑屬性，待測食品溶液的特徵峰波數、對應強度帶入食品著色劑標準液的SERS光譜強度-食品著色劑濃度關係式即可獲得待測食品中著色劑含量。
所述的花狀納米銀顆粒SERS襯底製備方法為：取1mol/L的硝酸銀溶液0.5ml，濃度1％的聚乙烯吡咯烷酮溶液2mL與去離子水15mL混合併進行磁力攪拌；攪拌均勻後迅速加入0.2mol/L的抗壞血酸溶液1mL，繼續攪拌10min後倒入離心管中，在離心速率5000-8000r/min條件下離心15min，倒掉上清液，加去離子水洗滌溶解獲得納米銀溶膠；最後將納米銀溶膠滴在潔淨的矽片上，真空乾燥獲得花狀納米銀顆粒SERS襯底。
所述的主成分分析方法為：選取食品著色劑標準液的特徵峰峰值強度以及其對應波數，濃度和特徵峰峰值構建矩陣，帶入PCA算法中得到食品著色劑標準液的主成分的特徵值與方差貢獻率和累計方差貢獻率；將方差貢獻率按從大到小排序，取累計方差貢獻率大於95％的前n個主成分的特徵向量作為主成分公式裡的係數，公式如下：
F1＝a1σ1+a2σ2+a3σ3+a4σ4+a5σ5+......+anσn
F2＝a1σ1+a2σ2+a3σ3+a4σ4+a5σ5+......+anσn
公式中，F1代表第一主成分，F2代表第二主成分；進一步計算主成分得分公式為：
Z1＝(F1*λ1+F2*λ2)/(λ1+λ2)
公式中，λ1代表第一主成分的特徵值，λ2代表第二主成分的特徵值。
以主成分得分作為橫坐標，將主成分得分與取對數後的濃度數據進行最小二乘擬合，將-logC(C為食品著色劑的濃度)作為縱坐標，進行最小二乘擬合，即可擬合出食品著色劑標準液的拉曼光譜強度-食品著色劑濃度關係式。
本發明的有益效果：
1.本發明主要採用花狀納米銀顆粒SERS襯底，該襯底具有良好的拉曼增強效應，能實現食品著色劑的痕量檢測，檢測限可以達到ppb量級，且檢測速度快，檢測過程簡單。
2.採用主成分分析的方法對食品著色劑標準液的拉曼光譜數據進行處理，可以減少指標選擇的工作量和可消除評價指標之間的相關影響。
附圖說明
下面結合附圖及具體方式對本發明作進一步說明。
圖1是本發明中花狀納米銀顆粒SERS襯底花狀納米銀顆粒SEM圖；
圖2是本發明實施例胭脂紅的檢測SERS光譜圖譜；
圖3是本發明實施例胭脂紅的拉曼光譜強度-胭脂紅濃度關係圖及擬合方程。
具體實施方式
高靈敏度食品著色劑檢測方法：首先將10-8mol/L～10-3mol/L的食品著色劑標準液滴在花狀納米銀顆粒SERS襯底上，通過拉曼光譜儀採集食品著色劑標準液的拉曼光譜譜圖和數據；進一步選取特徵峰波數、對應強度採用主成分分析法對食品著色劑標準液的拉曼光譜數據進行處理獲得食品著色劑標準液的拉曼光譜強度-食品著色劑濃度關係式；將待測食品進行處理成溶液，並將溶液滴在花狀納米銀顆粒SERS襯底上，通過拉曼光譜儀採集待測食品溶液的拉曼光譜譜圖和數據，待測食品溶液的拉曼光譜譜圖與食品著色劑標準液的拉曼光譜譜圖進行對比即可獲得待測食品中著色劑屬性，待測食品溶液的特徵峰波數、對應強度帶入食品著色劑標準液的拉曼光譜強度-食品著色劑濃度關係式即可獲得待測食品中著色劑含量。
圖1中花狀納米銀顆粒獲得過程：取1mol/L的硝酸銀溶液0.5ml，濃度1％的聚乙烯吡咯烷酮溶液2mL與去離子水15mL混合併進行磁力攪拌；攪拌均勻後迅速加入0.2mol/L的抗壞血酸溶液1mL，繼續攪拌10min後倒入離心管中，在離心速率5000-8000r/min條件下離心15min，倒掉上清液，加去離子水洗滌溶解獲得納米銀溶膠；最後將納米銀溶膠滴在潔淨的矽片上，真空乾燥獲得花狀納米銀顆粒SERS襯底。
所述的主成分分析方法為：選取食品著色劑標準液的特徵峰峰值強度以及其對應波數，濃度和特徵峰峰值構建矩陣，帶入PCA算法中得到食品著色劑標準液的主成分的特徵值與方差貢獻率和累計方差貢獻率；將方差貢獻率按從大到小排序，取累計方差貢獻率大於95％的前n個主成分的特徵向量作為主成分公式裡的係數，公式如下：
F1＝a1σ1+a2σ2+a3σ3+a4σ4+a5σ5+......+anσn
F2＝a1σ1+a2σ2+a3σ3+a4σ4+a5σ5+......+anσn
公式中，F1代表第一主成分，F2代表第二主成分；進一步計算主成分得分公式為：
Z1＝(F1*λ1+F2*λ2)/(λ1+λ2)
公式中，λ1代表第一主成分的特徵值，λ2代表第二主成分的特徵值。
以主成分得分作為橫坐標，將主成分得分與取對數後的濃度數據進行最小二乘擬合，將-logC(C為食品著色劑的濃度)作為縱坐標，進行最小二乘擬合，即可擬合出食品著色劑標準液的SERS光譜強度-食品著色劑濃度關係式。
實施例：食品著色劑胭脂紅的檢測
第一步：花狀納米銀顆粒SERS襯底製備：取1mol/L的硝酸銀溶液0.5ml，濃度1％的聚乙烯吡咯烷酮溶液2mL與去離子水15mL混合併進行磁力攪拌；攪拌均勻後迅速加入0.2mol/L的抗壞血酸溶液1mL，繼續攪拌10min後倒入離心管中，在離心速率5000-8000r/min條件下離心15min，倒掉上清液，加去離子水洗滌溶解獲得納米銀溶膠；最後將納米銀溶膠滴在潔淨的矽片上，真空乾燥獲得花狀納米銀顆粒SERS襯底。
第二步：胭脂紅標準液的配製：稱取0.06g的胭脂紅粉末溶於100mL的去離子水中，獲得10-3mol/L的胭脂紅標準液，而後分別進行稀釋，獲得濃度為10-4mol/L、10-5mol/L、10-6mol/L、10-7mol/L、10-8mol/L的胭脂紅標準液。
第三步：將第二步所配製的不同濃度胭脂紅標準液滴在第一步所製備的花狀納米銀顆粒SERS襯底上，通過拉曼光譜儀採集不同濃度胭脂紅標準液的SERS光譜圖譜及數據。所採集的不同濃度胭脂紅標準液的SERS光譜圖譜如圖2所示。
第四步：通過尋峰程序指認出胭脂紅SERS光譜的特徵峰強度以及其對應波數，濃度和特徵峰峰值構建矩陣，帶入PCA算法中，通過MATLAB運算得到其主成份的特徵值與方差貢獻率和累計方差貢獻率；累計計方差貢獻率大於95％的有2個主成分，且這個2個主成分相加方差貢獻率達到了94％，因此提取這幾個主成分的特徵向量作為主成分公式裡的係數，公式如下：
F1＝0.339542σ1019+0.372453σ1197+0.129179σ1237+0.380268σ1310+0.375872σ1360+0.384008σ1445+0.379825σ1513+0.389474σ1573
F2＝-0.24462σ1019+0.218938σ1197-0.87058σ1237+0.245397σ1310+0.141229σ1360+0.00907σ1445-0.20571σ1513+0.108417σ1573
F1代表第一主成分，F2代表第二主成分
繼續得到主成分得分
Z1＝(F1*λ1+F2*λ2)/(λ1+λ2)
λ1代表第一主成分的特徵值，λ2代表第二主成分的特徵值，λ1＝2.9247，λ2＝2.3987。
以主成分得分作為橫坐標，將主成分得分與取對數後的濃度數據進行最小二乘擬合，將-logC(C為色素胭脂紅的濃度)作為縱坐標，進行最小二乘擬合，即可擬合出胭脂紅標準液的SERS光譜強度-胭脂紅濃度關係圖及擬合方程如圖3所示。
第五步，將待測食品溶液滴入製備的SERS襯底上進行拉曼光譜檢測，將得到的SERS光譜圖與第三步所得的拉曼光譜圖對照，看峰的位置是否相同，若相同，即說明待測食品溶液中含有胭脂紅。
第六步，將得到的食品溶液的SERS光譜數據按照第四步進行處理，帶入胭脂紅標準液的SERS光譜強度-胭脂紅濃度關係擬合方程，即可得到食品溶液中的胭脂紅濃度。