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基于荧光光谱检测的食品安全探讨


摘要:随着社会经济的发展,人们对生活水平的要求也越来越高,人们的目光逐渐从住所房屋问题聚焦到食品上来。食品工业化程度的高速发展和日愈扩大,近年来所发生的一系列食品安全问题,新的工艺技术及添加剂的广泛使用,滥用各种食品添加剂引发的食品安全事件的报道层出不穷。食品安全不仅仅关系到国民的身体健康和生命安全,还影响着社会的稳定和长远发展,因此食品安全上升成为全社会所关注的重点问题,如何检测成为全民探讨的焦点。荧光检测具有灵敏度高、选择性强、定量精准等优点,适用于复杂基质中痕量化合物的检测和分析,在食品安全检验标准中获得了广泛的应用。

关键词:食品安全 荧光 光谱 检测

荧光检测是一种自然的发光反应,通过荧光素酶与 ATP进行结合反应,能够检测人体细胞、细菌、霉菌、食物残渣,也可以检测食品中所含的成分,能够在15秒钟内得到反应结果。所得到的荧光经过专用设备来测量,再用数字形式予以表示,最终绘成光谱图,可以得出所测物质中的元素含量。

1 荧光光谱检测的原理方法及分类

我们现在经常说的荧光检测方法,是一种总称,其中包含了荧光分光光度法、薄层色谱-荧光法、高效液相色谱-荧光法、原子荧光法等,而荧光光谱检测法则是指的原子荧光光谱分析法。

荧光光谱检测法的原理是非常科学严谨的。若我们要用荧光检测法检测一种物质,使其受某种相对应的波长的入射光照射后,其相应的原子会吸收光能由基态变为激发态,并且会马上激发发出比入射光波的波长还要长的出射光(其波长一般会在可见光波波段内)。若是停止向其照射入射光,那么这个物体原子的发光现象也会立刻消失,而具备这样性质的出射光我们就可以称之为荧光。

而物质产生荧光的更深的原因,是因为在入射光照射到某些特殊、与入射光光波相对应的某些原子时,入射光的能量让该物质的原子核四周环绕的某些电子从原本的能量轨道跃迁到高能量轨道,也就是电子从基态跃迁至第一激发单线态或第二激发单线态等。然而,不管是第一激发单线态还是第二激发单线态,这些激发态都是极其不稳定的,所以这些电子会恢复到基态,当电子从第一激发单线态恢复至基态的时候,电子的能量会用光的形式放出来,故原子即物体会产生荧光。

物理、化学家们认为荧光光谱的信息可以包括三个方面,即荧光强度(fluorescence intensity),激发波长(excitation wavelength,Ex)的荧光发射波长(emission wavelength,Em)。荧光光谱包含的信息内容特别多,而且其具有非常好的选择性和特别高的反应灵敏度。荧光光谱集中表现了物质的荧光的强度随着激发的波长和发射的波长的改变而改变,因此可以更加完整地表现出所测物质的荧光信息。发生荧光现象的必须的两个要求,一是这种物质的分子必须具有可以吸收激发光波的结构,一般是刚性、共轭双键较强的平面和多环结构;二是该物质分子必须要具有一定程度的荧光效率,也就是一般所说的荧光物质在吸光后所发射的荧光量子数与吸收的激发光的量子数的比值。在让激发光波的波长和强度维持不变的条件下,是所检测荧光物质发出的荧光经过发射单色器投到于荧光检测器上马上进行扫描,让荧光波长为坐标轴的横坐标,让荧光强度为坐标轴纵坐标,这样画出的图就是荧光光谱图。我们让不同波长的发射光波激发检测的物质其发生荧光,再让荧光以一定的发射波长照射到检测器上,最后以激发光波 长为坐标轴横坐标,让荧光强度为坐标轴纵坐标所得出的图,就是荧光激发光谱图。

荧光光谱检测技术中的分析方法大致可以分为定性分析、半定量分析和定量分析这三大种类。定性和半定量分析能够检测出元素周期表中百分之九十的元素,能够检测的浓度范围也非常大(0.0001%~100%),而且对所检测的物质是非破坏性的,能够快速检测出未知样品的组成成分和大致的含量。其定量分析的结果的精准度已经接近或达到化学分析的水平。

荧光光谱图可以得到激发波长和发射波长以及其它变量改变时的所对应的荧光强度状态信息,可以比较完备地描述出被测物质的荧光信息。所得出的荧光强度的数值线可以生成一个“指纹图”,我们可以以其指纹谱的特征为依据,完成多组分混合物体系中比较复杂的定量和定性分析任务。例如我们以荧光光谱检测法检测食用油中是否含地沟油成分,因为食用油和地沟油中都有各种相同或不同的荧光成分,我们能够从所测得的荧光光谱的等高线图得到它们的荧光信息,从荧光峰的位置、高度等的比较分析能够很快地检测出食用油中是否掺杂了地沟油。

因此我们可以使用荧光光谱图谱的不同进行食品中有关成分和组成的鉴定与区分,为食品的鉴别提供了一种高效有用的方法。食用油和地沟油中均含有各种荧光成分,通过三维荧光光谱对食用油和地沟油的检测,可以从三维荧光光谱的等角三维投影图和等高线图获得它们的荧光信息,从荧光峰的位置、高度等进行对比分析就可以快速检测出食用油中是否掺杂了地沟油。

2 荧光光谱法的优点好处

因此我们可以使用荧光光谱分析法分析检测各种状态类型的食物。

(3)非破坏分析。在测定中不会引起化学状态的改变,也不会出现试样飞散现象。同一试样可反复多次测量,结果重现性好。

故此使用荧光光谱检测法检测食品时不会破坏食品的内部分子结构,也不会使食物流失营养成分,因此用荧光光谱分析法检测食品安全是一种非常健康安全的方法。

(4)荧光光谱分析法是一种物理分析方法,所以对在化学性质上属同一族的元素也能进行分析。在紫外线照射下能直接发射荧光的化学元素并不很多,所以对一些元素进行荧光分析时大部分采用间接测定法,这就是用有机试剂与被测定的元素组成络合物。这些络合物在紫外线照射下能发射出不同波长的荧光素,然后由荧光强度测定出该元素的含量。由于有机荧光试剂的品种繁多,用荧光分析可测定的元素有六十多种。正因为这个原因,荧光光谱分析法可以检测出食品中的绝大多数元素,对物质中的元素都可以做出准确判断分析。

3 荧光光谱法在我国的食品安全方面应用

我国食品安全的主要问题是商家在粮油、果蔬、禽蛋等诸多种类的食品的加工技术是否健康无害,食品中是否含有农药残留、化学污染物、对人体有毒有害元素、致病菌类、生物毒素等。为了保障我国人民的食品安全,国家发行并实施了很多关于食品安全保障体系的重要措施:发行和实施了有关食品安全的法律和法规,发布了一系列有关食品安全的国家标准和行业标准,使我国食品安全保障体系初步成立,而这个体系的技术支撑就是食品安全检测技术和仪器。

而荧光光谱检测法凭借其检测快速无污染,选择性超强,灵敏度高,适用于现场操作,可以避免费时而又繁琐的分离程序,能够快速、精确、完整地描述出被测物质的荧光信息的优点成为我国食品安全保障目前所着重依靠的食品安全多组分物质分析检测手段之一。

现在我国食品安全检测标准的体系中,使用荧光光谱检测法来检验的的物质有噻菌灵、伏马毒素、金属硒、腹泻型贝类毒素、黄曲霉毒素、赭曲霉毒素、抗坏血酸等,这些物质所涉及的食品种类包含乳制品、茶叶、水质、粮油、饲料、果蔬等。利用荧光光谱分析法,我国有关食品检测机构已经可以准确检测出婴幼儿奶粉中的成分中是否有蛋白粉的添加、市场上的瓜果蔬菜是否还有农药残留、食用油里是不是掺杂了有害人体健康的地沟油,而不久前我国有关食品卫生安全部门使用荧光光谱检测法检测出某品牌牛奶中含有严重超标的大肠杆菌就是一个使用荧光光谱检测法的一个非常成功的例子。

4 荧光光谱法的缺点及在我国发展的局限性

虽然荧光光谱检测法比其他食品检测方法有许多优点,但作为一种刚出现不久的检测手段,其仍有一些等待完善、改正的缺点和不足。而在荧光光谱法的仪器问题方面尤其体现这种缺点和不足。

(1)关于非金属和界于金属和非金属之间的元素很难做到精确检测。在用基本参数法测试时,如果测试样品里含有C、H、O等元素,会出现误差。因为制造农药的物质成分的元素多处于金属与非金属分界线之间,而荧光光谱检测法在金属与非金属之间的元素难以做出精确测量,这直接导致了使用荧光光谱检测法检测蔬菜瓜果的农药残留量的精准度。

(2)不能作为仲裁分析方法,检测结果不能作为国家认证根据,不能区分元素价态。

因为荧光光谱检测法检测中所改变的只是电子的状态,由基态到激发态再到基态,并不能体现出其元素的价态,故也不能十分精准地测出食品中所含物质。

(3)标准曲线模型需求不时更新,在仪器发生变化或标准样品发生变化时,标准曲线模型也要变化。由于使用仪器的不同,我们在检测过后所得出的数据也不同,因此我们所做的标准曲线模型也不同。如此以来,如果对某一确定的物质多次使用不同的仪器进行分析测量后,所得的标准曲线模型不同,这对检测结果的误差分析带来了大大的不便。

(4)我们从技术层面来看,不可否认的是我国的荧光光谱检测技术和国际的荧光光谱检测技术仍然有着不小的差距。比如说我国自己研发的X 射线荧光光谱仪器,虽然其使用年限和精准度都可以达到国际水平,然而却因为我国自主研发能力比较薄弱,荧光光谱仪的重要部件,例如使用年限长的X 射线管,分辨率高的检测器,其所用的均为海外进口部件,所以我国应该在核心部件和重要技术的研发上加强科技创新,增强自主研发能力,研发出有着高效用、低成本的自主经济产权的新型设备。

(5)从荧光光谱检测法的使用层面上来看, 我国无论是在食品质量检测、食品成分分析还是在转基因食品的鉴定的过程中,荧光光谱检测法的使用都将会越来越普遍,其发挥的作用也将会是越来越大的。然而国外的荧光光谱分析检测设备大多都是几十万甚至上百万,这样使得我国国内许多机构根本没办法承受如此昂贵的仪器购买费用,这在特别大的程度上限制了荧光光谱检测技术在我国国内应用与发展。

我们应该在荧光光谱检测分析技术的发展中采纳使用自主创新与向国外借鉴相结合的方法,在制造的工艺上和硬件开发方面加大科学研究的投入力度,着眼于系统的集成创新与自我创新。充分有效地学习国际上的先进科学技术,努力得到伟大研究成果;在成果转化上,把已经检测的模型在实际生产检测中推广应用,逐渐制定与完备高效实用的荧光光谱检测法在不同食品领域的检测与使用标准, 推动我国荧光光谱检测法与国际上的检测法逐步接轨。

5 荧光光法在未来于食品检测方面的发展方向

人类社会经济不断发展,相应地,人们肯定会对食品检测提出越来越高的要求,而这也会促使荧光光谱检测法的改革和创新。

未来荧光光谱检测法在食品检测方面的发展会是:科学家们加速研究绘制出各种菌类的图谱,研发出在线检测食品安全的荧光光谱检测软件,提高光谱检测的检测效率,定量分析测定菌类的细胞特征与性能,改正荧光光谱检测法在分子生物学领域方法的缺点,使光谱检测的检测程序更加简化,让食品安全检测的方法向着快速化、自动化、特异性强、灵敏度高和简单好操作的方向发展。

6 结语

当今时代是个科技飞速发展的时代,各种新生技术如雨后春笋蓬勃生长,我们有理由相信,荧光光谱检测法会不断地改革、完善,中国在食品检测方面将会不断进步。在不久的将来,我们一定可以看到荧光光谱检测法在食品检测方面更好的应用。同时随着各学科研究的不断进步,也会出现更加简单快速的病原微生物检测方法和检测体系,相信会有更多快速、简便、特异的检测技术得到应用,以满足人们对食品的更高需求,为人类公共卫生、营养健康与疾病预防事业做出巨大贡献。


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