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English| 發(fā)布日期：2023-12-22 |
近十年來，“三聚氰胺毒奶粉”事件使乳制品的質(zhì)量安全成為消費者和科學研究關(guān)注的焦點，并促使相關(guān)部門建立對乳制品質(zhì)量進行更加嚴格的監(jiān)管措施。乳制品的進口量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。2010年~2019年間，乳制品年均復合增長率達16.5%，其中2020年散裝奶粉進口量達131.0萬噸，同比增長10.2%。而進口奶粉中的蛋白摻假事件近期也屢有發(fā)生，如2013年新西蘭進口奶粉中檢出雙氰胺污染。面對乳制品質(zhì)量安全的嚴格管控以及大批次散裝奶粉的進口通關(guān)，口岸現(xiàn)場監(jiān)管只能采用隨機抽樣后送實驗室檢驗的方式，監(jiān)管流程長效率低，缺乏現(xiàn)場快速實時評價的技術(shù)手段。
圖1 （來自網(wǎng)絡(luò)）
近年來，由于拉曼光譜成像技術(shù)可同時獲得樣品的光譜特征和圖像信息，具備無損、 快速、 可視化等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于食品質(zhì)量安全領(lǐng)域如非法添加物的檢測、 營養(yǎng)成分的鑒定、 摻偽物質(zhì)的篩查等領(lǐng)域。本工作采用上海如海光電科技有限公司開發(fā)的便攜式點掃描二維拉曼高光譜成像儀器對不同濃度梯度(0.005%～2.000%)的硫脲奶粉混合物進行檢測，結(jié)合如海預(yù)處理算法，對硫脲進行在線實時的定性、定量和污染物分布分析，并進一步預(yù)測奶粉中硫脲的濃度。
本文采用上海如海光電科技有限公司開發(fā)的便攜式點掃描二維拉曼高光譜成像儀器（spider2000+）進行光譜數(shù)據(jù)采集，如海光電Uspectral-PLUS軟件進行光譜預(yù)處理。
分別以固態(tài)標準品硫脲和奶粉為樣品，研究激光功率和積分時間對測試結(jié)果的影響，結(jié)果圖2所示。由圖可知，隨著激光功率和積分時間的增加，硫脲標準品和奶粉的拉曼特征峰不斷增強，但功率在400和500 mW時，硫脲部分特征峰強度會趨于飽和。因此，綜合考慮后，選擇300 mW、積分時間1 000 ms條件進行測試。
圖2 不同積分時間、 激光功率下硫脲和奶粉的拉曼光譜圖
以硫脲標準品為添加劑，分別制備添加濃度(W/W)為0.005%，0.010%，0.050%，0.250%，0.500%，0.750%，1.000%，1.250%，1.500%，1.750%和2.000%的硫脲奶粉混合樣本，采集混合樣本24 mm×24 mm區(qū)域內(nèi)100個像素點的拉曼高光譜信息，經(jīng)過閾值處理后的二值熱圖如圖3所示。由圖可知，在感興趣區(qū)域內(nèi)，隨著添加物濃度的增加，硫脲檢測點數(shù)目增多。當添加濃度為0.050%時，感興趣區(qū)域內(nèi)可檢測到1個硫脲檢測點，說明基于該實驗參數(shù)，硫脲在奶粉中的最低檢出濃度為0.050%，比已有研究中的檢出限(0.1%)更低，采集時間(20 min)更短。
圖3 硫脲奶粉混合樣本的二值熱圖(n=6)
研究將感興趣區(qū)域內(nèi)硫脲像素點數(shù)目與添加濃度進行線性擬合，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，線性擬合的決定系數(shù)(R2)為0.991 3，具有很好的線性關(guān)系。實驗中的樣本厚度為1 mm，系統(tǒng)能完全采集到底部樣本信息，不存在樣本信息遺漏，且平行多次混合后采樣能讓表層和亞表層樣本信息全部采集到，減少樣本信息覆蓋的誤差，因此隨著添加濃度的增加，樣本中硫脲檢測點的數(shù)目呈線性增長，可以根據(jù)感興趣區(qū)域內(nèi)硫脲檢測點數(shù)目預(yù)測奶粉中硫脲的添加濃度。
圖5 硫脲濃度與像素點數(shù)目的線性擬合圖
為了驗證該方法的準確性，以三種不同品牌奶粉為基質(zhì)，制備4個不同濃度的硫脲奶粉混合樣本，分別為0.25%，0.60%，1.20%和1.50%，重復制樣6次，采集拉曼高光譜信息并進行二值化處理，記錄硫脲檢測點的數(shù)目并利用圖7的線性關(guān)系預(yù)測硫脲的濃度，結(jié)果如表1所示。 由表1可知，在0.25%，0.60%，1.20%和1.50%的添加水平下，預(yù)測濃度的相對誤差范圍為-9.41%～4.01%，相對標準偏差(RSD)小于7%，說明該方法具有較高的準確性和穩(wěn)定性，可以用于檢測奶粉中添加物的濃度。
四、Spider2000+便攜式顯微拉曼成像光譜儀
Spider2000+便攜式顯微拉曼成像光譜儀采用如海光電自主研發(fā)的科研級微型共焦拉曼光譜儀RMS2000作為拉曼內(nèi)芯，使其具有高靈敏度、高分辨率、強穿透能力以及較好的抑制熒光干擾能力。優(yōu)化的光路設(shè)計可使得拉曼激光光束在通過長焦顯微物鏡后最小光斑可達到微米級別，可精確采集微米級樣品的拉曼光譜。此外，儀器采用高精度二維自動化移動平臺，可實現(xiàn)自動掃描mapping成像功能。
Spider2000+便攜式二維顯微拉曼成像光譜儀配備長焦顯微物鏡，增加了光源反射式照明成像，可通過CCD相機獲得樣品清晰的顯微明場成像。激光經(jīng)過物鏡后光斑接近衍射極限，克服了普通拉曼系統(tǒng)中收集拉曼信號的焦面稍高于或稍低于實際最佳焦面的問題，并且獨特的共焦式設(shè)計使得樣品熒光信號被有效抑制，從而提高拉曼光譜質(zhì)量。
? 高靈敏度：最低可檢測到0.3%濃度無水乙醇特征峰；
? 高分辨率：6 cm-1 @ 25 μm狹縫；
? 高品質(zhì)物鏡，光斑可達微米級；
? 高精度二維自動化平臺；
? 強大軟件功能：支持mapping自動掃描、數(shù)據(jù)庫識別等功能。
