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等离子共振光散射技术在食品安全检测中的应用

发布时间:2019-05-27 09:00

  摘要:共振光散射(RLS)技术因其灵敏度好、实验仪器简单、检测方便等优点而倍受化学研究者青睐,因而得到飞速的发展,目前,共振光散射技术已成为分析化学领域中强有力的分析技术,本文将RLS进一步深化,用等离子共振光散射(PRLS)技术对环境重金属离子Ag+、食品中致癌物质苏丹红进行定性和定量表征,从实验中获取有用的信息,为RLS技术在临床诊断、环境监测、食品卫生监测等领域的应用提供理论和实验依据。


  关键词:苏丹红,安全检测,共振光散射


  0引言


  食品安全问题涉及到每个人的生活,身体健康和生命安全。目前食品质量安全问题已成为全社会关注的热点,尤其是近年来诸多关于食品添加剂的违规使用问题的出现,使得食品添加剂带来的安全隐患再次引起了人们的高度关注。虽然现有的食品添加剂检测方法不少,但是在检测周期、检测质量方面还存在很多的局限,因而尽快建立一种实用、快捷、准确可靠的食品质量评估无损检测技术至关重要。


  1等离子共振光散射的基本原理和应用


  1.1等离子共振光散射的基本原理电磁波照射到一个金属纳米粒子上时,金属中的电子(等离子体子)就以与入射光相同的频率振动(等离子共振)。随后,振动电子以相同的频率发射电磁波。这个辐射的光通常就是指等离子共振光散射[1,2]。


  当一小颗粒置于电磁波中时,那么颗粒中的所有电子就会处于入射波的相同相位,实际上,整个颗粒就相当于一个大的共振偶极。对于更大的颗粒,其中的电子就会处于电磁波的不同相位,必然会导致颗粒中不同位置的电子所散射的光发生干涉,随之产生共振四极(quadrupoles),甚至多极(multipoles)。


  小的球形金属纳米粒子被光照射时,电磁波就会使金属中的电子密度分布不均匀。当电子密度低于平均密度,便形成局部正电荷过高,这样,就会把邻近的电子吸引过来;而逐渐地,该区域就会有过多的负电荷,由于电子间的排斥作用又会使之再度离开[3]。也就是说,当电子云回到原来位置;而核位置电子云过剩时,库仑排斥又会使电子云偏离中心核位置。如此往复,便产生了等离子共振。


  1.2等离子共振光散射的应用


  在我们的周围存在着种类繁多、数量庞大的微生物,包括各种细菌,而很多病菌的存在威胁着人类健康。因此,快速、灵敏测定和识别致病菌,对于食品及饮水安全、医疗诊断和治疗、水质污染等是非常重要的。


  目前,检测病菌的方法很多,而利用金属纳米粒子的等离子吸收和等离子共振散射检测的方法,以其快速灵敏而见长。


  2实验试剂与仪器


  2.1试剂标样苏丹红I、II购于化学试剂公司(中国,上海),苏丹红III、IV购于KaseiKogyo有限公司(日本,东京)。1.0×10-3mol/L苏丹红I―IV的储备液是分别将其标样溶解于DMF中得到的,1.0×10-5mol/L的工作液也是用DMF稀释而得。


  将一定量的硝酸银溶解于二次水中得到0.1mol/LAgNO3储备液,工作液是用二次水稀释到1.0mol/L;实验中还用到的试剂有:0.1mol/LNaOH、0.4%NH3?H2O和0.2%曲通X-100工作液,所用水均为二次水。


  2.2仪器PRLS光谱强度用F―4500荧光光度仪(日本,东京,日立公司)测得,等离子吸收U―3010光谱仪(日本,东京,日立公司)测得,TecNai―10电子显微镜(FEA)测得银纳米粒子的TEM成像图,搅拌溶液用QL―901(中国,海门)旋涡混合器。还用到了高效液相系统(日本,东京,日立公司),包括L―2450二极管检测器、L―2300柱温箱和L―2130泵。用到低速离心机处理样品,IR光谱由Spectrumgx型红外光度仪(Perkin-Elmer)测得。用一枝激光笔(653nm,2.0mW)和一个光发射二极管(LED,458nm,0.5Mw)来观察散射光的强弱,其输出功率用WL―4功率测定仪(中国,重庆,西南大学,物理激光研究所)测得。


  3实验


  3.1实验方法在10mL试管中依次加入2.25mL1.0×10-3mol/LAgNO3,0.4mL0.1mol/LNaOH和0.25mL0.4%NH3?H2O工作液,充分混匀,然后再加入一定体积的苏丹红和0.3mL曲通X-100工作液,最后,用水定容到5mL,充分搅拌。20min后,在扣除空白的基础上测定PRLS强度,空白是用同样的方法加样,只是不加苏丹红。


  PRLS光谱是用F―4500荧光仪在320―700nm范围内同时扫描激发和发射单色器而得,也就是△λ=0nm。PRLS强度均指最大PRLS峰强度。


  3.2样品的预处理实际样品,包括辣椒油、辣椒酱和番茄酱是从一大型超市中购买的。取各样品的液体部分1.0g分别置于10mL试管中,用DMF稀释到10mL,充分搅拌后,进行离心分离(转速3600rpm,时间2min),静置10min后,取上层清夜进行实验。为对比测定结果,我们同时用欧盟公布的高效液相色谱法做对照。其实际样品的处理如下,分别取20.0g溶于100mL乙腈中,充分搅拌1h后过滤,滤液直接用于样品进样。


  3.3结果与讨论我们测定了三种实际样品,包括辣椒油、辣椒酱和番茄酱,辣椒油和辣椒酱的检测结果列于表1,番茄酱中不含有苏丹红。从表1可以看出所有的检测都可以达到回收率90.8%―103.3%,且相对标准偏差RSD在4.0%―4.9%之间。


  表1实际样品中苏丹红总量测定


  为进一步确认上述检测结果,我们用欧盟公布的高效液相色谱法对同批次的实际样品做了对照检测。辣椒油中含有苏丹红,且是苏丹IV,其含量为1.78×10-5mol/L,也就是3.38×10-2mg/g,跟用PRLS散射法测得的1.64×10-2mg/g非常接近,相似的结果也证明PRLS方法真实可信。


  同时检测结果表明,苏丹红I、II、III、IV由于结构中含有氮氮双键和酚羟基而具有还原性,可以与硝酸银发生氧化还原反应,生成银纳米粒子。颜色由苏丹红的红色变为银纳米粒子的棕色,并且导致等离子共振光散射(PRLS)增强,特征散射峰在452nm,散射信号用普通荧光仪检测。PRLS信号与苏丹红浓度成正比,苏丹红I、II、III、IV浓度范围分别为0.2―2.4μmol/L,0.1―2.4μmol/L,0.1―2.4μmol/L和0.2―3.0μmol/L,检出限分别为3.2nmol/L,3.0nmol/L,3.2nmol/L和2.9nmol/L.对实际样品辣椒油的检测,回收率为90.8%一103.3%,RSD为4.0―4.9%,且这个结果和HPLC检测的结果一致。机理研究表明,苏丹红的反应基团是酚羟基,而非氮氮双键。


  4总结


  用等离子共振光散射技术对金属纳米粒子进行表征,是将共振光散射与纳米技术相结合的有效手段。在传统的共振光散射技术的基础上,我们利用利用等离子共振光散射技术以实现了对苏丹红的快速检测,避免了烦琐的前处理。对实际样品辣椒油和辣椒酱的检测表明,我们的方法灵敏、有效、简单、可信,并可用于实际检测。我们希望能够拓展该方法的应用领域,也希望使检测更加简单灵敏。另外,在适宜条件下,利用托仑试剂和苏丹红I的氧化还原反应,在常温下成功制得了粒径小而均匀、在水中有良好的分散性、稳定性好的银纳米粒子。该方法在合成稳定银胶和检测其他食品色素方面提供了一个新的思路。本文来自《光散射学报》杂志

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