应用表面增强拉曼技术快速检测食品中虫草素

拉曼光谱能够不受各种溶剂的影响可靠地提供分子的结构信息。自1928年拉曼散射被Raman发现以来，该散射光线的光谱称为拉曼光谱，拉曼光谱技术因简便、快速、无损样品等特点，成为近年来发展最快、最有潜力的光谱分析技术之一。拉曼光谱技术包括共振拉曼光谱、傅里叶变化拉曼光谱、显微拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、激光共聚焦拉曼光谱等。1974年Fleischmann等发现的表面增强拉曼散射使痕量物质检测成为可能，表面增强拉曼光谱技术利用痕量分子吸附于Ag、Au等金属溶胶和电极表面，其拉曼光谱信号可增强104～106，克服了常规拉曼光谱法灵敏度低的缺点。表面增强拉曼光谱技术因其抗荧光干扰、灵敏度更高，获取的信息更多，目前对于表面增强拉曼光谱的研究主要集中在化学、材料分析、艺术品鉴别、医药分析等领域的定性定量分析，同时，拉曼光谱技术在食品、生物、天然产物领域的研究和应用也有广泛的开展，如食品非法添加鉴别、农残兽药的快速检测、有效成分分析等，在食品科学领域得到广泛关注。

虫草素是来源于蛹虫草、洋葱、冬虫夏草等植物的核苷类抗生素，具有多种生物活性，如：抗炎、抗肿瘤、促生长、神经保护作用等。近年来表面增强拉曼光谱技术已开始应用于很多功效成分等的检测，但利用表面增强拉曼光谱技术研究食品中功效成分如虫草素等还未见报告。本研究利用拉曼光谱技术建立食用菌中虫草素这一特色功效成分的快速检测技术，期望能够为食品的品质评价、标准建立、产业升级以及深入开发利用提供技术保障。

河北省食品检验研究院王一玮、张斌、张岩研究员、张兰天博士等利用表面增强拉曼光谱技术快速检测食品中虫草素。该团队建立并验证了一种表面增强拉曼光谱技术可快速检测食品中虫草素，具有高效快速、节约成本、操作简便等优点。

拉曼基底的选择

不同的拉曼基底对于其拉曼信号的强度有一定的影响，为了考察未添加拉曼基底、以金纳米胶体为拉曼基底、以银纳米胶体为拉曼基底对于拉曼光谱信号强度的影响，分别选取400 μL的金纳米胶体、银纳米胶体，将虫草素标准溶液的添加量设定为100 μL，然后采集添加不同拉曼基底下的拉曼光谱图。由图1可知金纳米胶体对虫草素的拉曼信号的增强效果要好于银纳米胶体，相比于银纳米胶体，金纳米粒子能够将自由空间中的光子波长集中起来，并聚集在其表面，使金纳米粒子周围具有较强的电磁场效应，进而增强虫草素的拉曼信号。金纳米胶体相比于不添加拉曼基底或添加银纳米胶体具有更好的增强效果，因此选作为最佳基底。

图1 不同拉曼基底的虫草素拉曼光谱图

A:未添加拉曼基底；B:金纳米胶体；C:银纳米胶体

拉曼基底添加量的优化

拉曼基底的添加量对于其拉曼信号的强度也有一定的影响，为了考察金纳米胶体的添加量对于拉曼光谱信号强度的影响，分别选取100、200、300、400、500 μL的金纳米胶体，将虫草素标准溶液的添加量设定为100 μL，然后采集不同拉曼基底添加量下的拉曼光谱图。由图2可知，随着金纳米胶体的添加量由100 μL增加到500 μL，质量浓度为1 000 mg/L的虫草素的拉曼光谱信号强度有所增强，但增强效果并不明显。因此在检测时不必添加过多的金纳米胶体，金纳米胶体添加量为200 μL即可。

图2 不同拉曼基底添加量对虫草素拉曼光谱图的影响

A:拉曼基底添加量为100 μL；B:拉曼基底添加量为200 μL；C:拉曼基底添加量为300 μL；D:拉曼基底添加量为400 μL；E:拉曼基底添加量为500 μL

被测样品添加量的优化

虫草素标准溶液的添加量对于其拉曼信号的强度也有一定的影响，为了考察浓度为1 000 mg/L的虫草素的添加量对于拉曼光谱信号强度的影响，分别选取0.5、1、5、10、100 μL的虫草素标准溶液，将金纳米胶体基底的添加量设定为200 μL，然后采集不同虫草素溶液添加量下的拉曼光谱图。结果如图3所示，当虫草素标准溶液的添加量从0.5 μL增加到5 μL时，虫草素的拉曼信号强度不断增加，当虫草素标准溶液的添加量超过5 μL时，虫草素的拉曼信号强度降低。产生这一现象的原因可能是由于当虫草素标准溶液的添加量适当增加时，虫草素与金纳米粒子之间的相互作用也会逐渐加强，虫草素晶体在金纳米粒子附近产生了聚集，合适的聚集条件会产生加强的拉曼信号，过多的虫草素标准溶液的添加，可能会将金纳米粒子基底冲散从而影响基底的等离子共振，从而造成拉曼信号的下降。因此虫草素的最佳样品添加量为5 μL。

图3 不同样品添加量对虫草素拉曼光谱图的影响

A: 样品添加量为 0.5 μL ； B: 样品添加量为 1 μL ； C: 样品添加量为 5 μL ； D: 样品添加量为 10 μL ； E: 样品添加量为 100 μL

虫草素检出限的测定

根据优化的最佳条件，最终确定了最佳合成和检测条件。取200 μL拉曼基底金纳米溶胶加入检测小瓶，再向检测小瓶中加入5 μL的待测样品，混匀后上机检测。虫草素的质量浓度分别为1、5、10、100 mg/L，测得拉曼光谱图如图4所示。由此看出，虽然虫草素浓度的降低使拉曼信号强度明显的下降、变弱，但是在1 mg/L低浓度下，仍然可以看出虫草素的主要特征峰。由此，虫草素的检出限为1 mg/L。

图4 不同浓度的虫草素拉曼光谱图

样品预处理方法优化

不同样品预处理方法对于其拉曼信号的强度也有一定的影响，为了考察不同样品预处理方法对于拉曼光谱信号强度的影响，分别用水提取法、乙醇提取法、甲醇提取法、三氯甲烷与甲醇混合提取法处理两种蛹虫草样品，然后按最佳条件采集不同样品预处理方法下的拉曼光谱图。结果如图5、6所示，三氯甲烷提取法得到的样品拉曼光谱图强度和峰型均较好。

图5 不同预处理得到蛹虫草1号样品的拉曼光谱图

A:水提取法；B:乙醇提取法；C:甲醇提取法；D:三氯甲烷与甲醇混合提取法

图6 不同预处理得到蛹虫草2号样品的拉曼光谱图

SERS定性检测虫草素

对质量浓度为100、200、250、500、1 000 mg/L的虫草素标准品待测液采用最佳方法进行检测得到的拉曼光谱图如图7所示，可以看到，不同浓度虫草素标准品均有较好的信号响应且峰形相似，(1 319 ± 3) cm-1、(1 469 ± 3) cm-1处有特征峰。

图7 不同浓度虫草素标准品拉曼光谱图

SERS检测实际样品中的虫草素

以蛹虫草1号、蛹虫草2号为实际样品，按照三氯甲烷提取法进行实际样品的前处理，按最佳条件进行拉曼光谱检测。如图7、8所示，拉曼光谱检测有虫草素的特征峰（1 319、1 469 cm-1），为了验证结果的正确性，进行了高效液相色谱法的验证，如图10、11所示，证实了实际样品中含有虫草素，进一步了验证所建立方法与拉曼基底的实用性，因此此实验方法具有实际应用性。

图8 虫草素标准溶液与蛹虫草1号样品的拉曼光谱图

A：质量浓度为1 000 mg/L的虫草素标准溶液；B：经三氯甲烷提取法得到的蛹虫草1号样品

图9 虫草素标准溶液与蛹虫草2号样品的拉曼光谱图

A：质量浓度为1000 mg/L的虫草素标准溶液；B：经三氯甲烷提取法得到的蛹虫草1号样品

图10 蛹虫草1号样品的高效液相色谱图

图11 蛹虫草2号样品的高效液相色谱图

将三氯甲烷提取技术与表面增强拉曼光谱分析法结合，实现从复杂的样品基质中将目标物提取出来，再利用表面增强拉曼光谱对于目标物灵敏和快速检测分析的特性，检测食品中的虫草素并绘制出拉曼光谱图。实验以虫草素作为目标物，金纳米胶体为拉曼基底，对实验条件的优化得到最佳的实验条件为：金纳米胶体最佳添加量为200 μL；虫草素样品添加量为5 μL，最优条件下的虫草素的最低检出限为1 mg/L。将所建立的SERS检测方法对两种蛹虫草实际样品中的虫草素进行了检测，该SERS检测方法都能检出虫草素，且该法操作简便，检测时间短，因此SERS具有很好的实际应用性和应用前景。