拉曼光谱分析技术在食品安全保障中的应用及发展

姚子升
光在散射现象中有着这样一种特别的效应,类似于X射线的康普顿效应。光的频率会在散射发生的过程中产生变化。以激光为例,一定频率的激光在照射到某物体表面时,此物体表面的分子会吸收激光的部分能量,这些分子还会进行多种方式的振动,并且还会散射发出相对频率较低的光。散射物质的特性决定了散射光的频率,不同原子团在振动时的方式一致的,这就导致了散射光的特定频率,这种光谱通常被称之为“指纹光谱”,利用这一原理能够对构成物质的基本分子进行鉴别。拉曼光谱产生的原因主要是由于入射光子与分子相碰的时候,分子中的震动能量以及震动能量、光子能量之间会叠加累计,拉曼光谱能够转移红外区之外的分子能谱到可见光区内,再加以观测,所以拉曼光谱是研究分子结构的有力支持。
拉曼光谱技术原理
利用拉曼光谱效应的发现者是印度的一名物理学家拉曼,他发现了光的拉曼散射效应,并提出了分子振动光谱(基于拉曼散射效应)。单色的光照射在物质上时,入射光的光子能够与分子之间发生相互作用,并能够产生非弹性的散射与弹性散射。光子会因为弹性散射而改变其传播方向,但光子的能量并不因此产生变化,总体的频率也不会发声改变,这种弹性散射便是瑞利散射;那么非弹性散射的能量会出现变化,光的波长位移也同时会改变,频率也不会发生不变化,仅仅会有部分出现便宜,这一散射便是拉曼散射。光的能量降低时,波数的唯一也会变小,会出现斯托克斯线;能量的升高会伴随着波数位移增大,出现反斯托克斯线。
它们会对称的分布于瑞利散射线的两旁,并且分别对应得到或流失一个振动量子的能量。所以拉曼散射又被称为斯托克斯散射,拉曼散射的谱线和入射光波长之间并无关系,样品的振动转动能级与其有关,所以可以通过拉曼光谱的研究得出相关分子的振动转动信息。
拉曼光谱分析技术现状
拉曼分析技术已经发展出了很多分支,“傅立叶变换拉曼光谱分析技术”、“显微拉曼光谱分析技术”、“共振增强拉曼光谱分析技术”以及“表面增强拉曼光谱分析技术”等均是当前主要的拉曼光谱分析技术。这类技术主要都是对光散射时的频率进行检测,入射光子与分子相碰的时候,分子中的震动能量以及震动能量、光子能量之间会叠加累计,拉曼光谱能够转移红外区之外的分子能谱到可见光区内,加以观测便能够得知被测物质的分子情况。
拉曼光谱分析技术在食品成分检测中的应用
我们日常食用的食品通常是以水、蛋白质、脂质、碳水化合物以及各种微量元素为主要构成成分的。通常来说,对蛋白质的分析采用X射线衍射法、分光光度法、高效液相色谱法等方式方法进行。这类分析方法都具有操作步骤复杂、繁琐的特性,并且对样品的保护不足。利用拉曼光谱技术能够克服这类问题,还能够对被测物质化学结构、化学键等变化进行定性分析,同时还能够对食品中的某成分含量定量检测。后面分别以蛋白质与脂质举例分析拉曼光谱分析技术的应用。
蛋白质的检测
大部分的食品中均含有蛋白质这种常见物质,蛋白石是食品的质量、营养重要的衡量标准之一。人体对蛋白质的需求在于能量与氨基酸的需求,不同食品中蛋白质具有多种结构,蛋白质的结构和功能对人们的人體吸收都有着不同作用,对蛋白质的深度检测能够促进食品安全、食品品质的升级。
蛋白质的拉曼谱图其特征峰位置以及谱峰强度、面积都能够反映出蛋白质分子的振动信息、化学键的变化以及化学组成结构等,蛋白质分子的侧链微环境所显现的化学信息以及理化条件(pH、温度等)也能够通过拉曼谱图检测出来。
脂质的检测
油脂是人体摄入需求的重要物质,传统的气相色谱法以及常规化学方法,一般是通过顺反异构体和饱和程度对脂肪酸进行量化。随着科技的发展,出现了很多现代检测分析油脂类的方式方法,比如X-射线和差示扫描量热法等能够得出甘油三酯、甘油二酯的相关信息。利用激光拉曼测定食品中食用油的顺式、反式异构体早在1972年就已经能够做到,顺式和反式异构体的波数分别为1656cm-1与1670cm-1。C=C的伸缩键对C-H的键之间散射强度比,能够对甘油三脂以及游离植物油的碘值之间的正相关提供证明。
总结与展望
至今为止,拉曼光谱分析技术已经发展了80余年,表面增强拉曼光谱以及激光拉曼光谱技术面世之后,拉曼光谱在分析分子结构这一方面的应用也日趋成熟。这一技术不仅能够为科研及食品卫生检测提供更可靠的数据,对结构的分析,食品加工条件的优化也做出了很大贡献。随着技术发展、仪器设备的升级,食品中所存在的微量有害于人体的物质均能够被检测出来。比如果蔬等农作物中的农药残留、肉类产品的质量问题、产品变质情况等进行鉴定,除此以外,这一技术还能够在食品的加工线中,对食品加工的各环节进行实时动态监控。对拉曼光谱分析技术的进一步研究能够发挥更大的效能,拉曼光谱技术将会对国民经济的发展做出更多的贡献。
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