食品安全问题一直是社会和广大群众关注的焦点问题, 食品安全现状较为严峻, 因此实现食品中有害物质的快速检测具有重要的实际意义。 合成色素是一种常见的食品添加剂, 然而合成色素的超标添加和非法添加依旧是食品安全中的重要问题之一, 极大地危害人民群众的身体健康和食品工业的健康发展。 常见的合成色素检测方法, 均存在耗时长、 费用高等缺点, 不适应于合成色素的实时监测和快速筛查。 为克服传统方法的缺点, 提出利用表面增强拉曼光谱检测技术对合成色素进行检测, 该方法具有检测速度快、 检测灵敏度高等优点, 能够达到现场实时检测的目的。 此外, 由于拉曼检测方法往往依赖于复杂的样品前处理操作, 而常见的固相萃取技术一般依赖于人工操作, 过程复杂且耗时较长, 严重影响食品快速检测效率。 因此, 开发了一种全自动固相萃取装置, 通过设计嵌入式硬件电路系统及其软件, 精确控制蠕动泵流速和多路阀门开关实现了活化、 上样、 淋洗、 洗脱四个步骤的全自动操作和参数控制, 从而达到食品样品的全自动快速固相萃取。 在实验部分, 配制不同专利蓝V浓度的果汁饮料, 然后利用该装置对果汁中的专利蓝V进行前处理, 对萃取柱填料和萃取中各个步骤的时间和试剂进行了合理的选择, 利用表面增强拉曼光谱检测技术成功地检测了合成色素中的专利蓝V。 实验结果表明, 所研制的自动固相萃取装置对比传统手工萃取, 每个样品节省了近一半的萃取时间(10 min降为5 min)且能够同时处理5个样品, 萃取时间稳定不易受人为因素影响, 从而极大地提高了萃取效率和稳定性。 此外, 通过自动萃取获得的样品, 对比手工萃取操作, 因其受外界干扰相对较小, 能够得到更强的拉曼光谱信号(约增强50%), 获得了满意的萃取效果。 对不同浓度的专利蓝V样品的结果显示, 该方法能够实现检出质量浓度在0.5 mg·L-1水平, 可有效满足现场监测需求。 具有快速、 方便、 灵敏度高等特点。

用于食品安全、 环境污染、 毒品、 化学战剂检测等的现场快速检测要求检测设备便携、 快速和准确。 目前的常规实验室检测方法虽然能够实现准确检测, 但是其实时性较差, 无法满足现场快速检测的要求。 因此, 设计开发了基于等离激元增强拉曼光谱的便携式快速检测仪, 能够实现对滥用添加剂、 违禁食品添加剂、 农药残余、 毒品、 化学战剂和环境水污染等大量有害物质的现场快速定性检测。 该检测仪基于ARM嵌入式系统开发, 编写了其操作交互界面和底层驱动程序, 实现了拉曼光谱数据自动标定和特征谱图快速识别等算法。 在仪器中搭建了检测物质拉曼光谱的标谱数据库, 数据库根据检测科目进行分类, 每种科目包含该类别的多种物质, 每种物质均包含其高中低多种浓度的标准品和样本谱图。 设计实现了大类科目的辨识比对算法和GPU硬件加速算法, 实现了对某一类科目的所有物质的快速比对, 与传统的纯CPU算法实现相比较, 在辨识速度上提高了20倍以上。 通过市场购买的功能饮料、 违规葡萄酒与果汁等实际样品对所制备的样机仪器进行测试, 测试结果符合预期, 具有良好的灵敏度与重现性, 满足了现场快速检测的要求。

荧光干扰是拉曼光谱检测过程中常见的干扰因素之一, 而移频激发法是一种有效的克服荧光干扰的检测手段。 移频激发法利用两个波长相近的激光分别激发被测物质, 并将获得的拉曼光谱进行差谱。 由于两次激发的荧光背景相同, 而拉曼特征峰会产生平移, 因此可有效地消除荧光背景的干扰, 进而利用一定的算法还原拉曼特征峰。 移频激发法的关键在于两个激发光波长的稳定性, 不稳定的波长差将严重影响对拉曼特征峰的还原效果。 本文研制了一种拉曼光谱测试系统, 该系统的双波长LD模块能够产生两个波长稳定的激发光(分别为784.7和785.8 nm), 满足移频激发法的测试要求。 影响激发光波长稳定性的因素主要是光功率和温度, 本系统中对这两个因素均进行了实时的监控, 以保证激发光波长的稳定。 系统的硬件部分主要包括ARM主控板、 双波长LD模块及其驱动电路、 温度控制板、 数字光开关、 光谱检测光路和光纤探头(两个高功率的蝶形封装激光器); 软件部分可自动获取被测物质的拉曼光谱图, 并对其进行后续的处理。 在稳定性测试实验中, 对系统驱动电源电流和激光器温度的稳定性均进行了测试。 测试结果显示, 电流波动范围小于0.01 mA、 温度变化范围小于0.004 ℃, 能够有效地保证激发光波长的稳定性。 最后, 对某品牌花生油进行了拉曼光谱检测, 并对检测结果进行了处理, 获得了良好的效果。

便携式拉曼光谱仪在现场快速分析中往往由于现场样品比较复杂,需要处理后才能采用光谱仪进行测定,因此一定程度上限制它的使用.常规实验室前处理虽然行之有效,但是过程繁琐费时,不适合现场使用.本课题组开发了一种便携式快速PERS前处理仪器,具有便携、功耗低、操作简便,提取时间短以及重复性好等特点,能满足现场快速检测的前处理需求.该仪器由超声波提取单元、加热抽气挥发单元、尾气净化与吸收单元以及控制系统四个功能模块组成,并且设有LED控制面板和报警装置.整个工作流程主要包括超声提取、液液萃取和溶剂加热抽气挥发三个环节.以三种实际样品(辣椒粉、辣椒油、豆瓣酱)中的违禁添加剂罗丹明B检测为例,结果表明:与常规实验室前处理方法相比,两种前处理方法对于PERS谱图影响不大,但是检测时间缩短一半.另外,重复性实验检测结果的相对标准偏差(relative standard deviation,RSD)小于±5%。

表面增强拉曼光谱(SERS)是一种重要的高灵敏度分析技术。 基于SERS的技术特点, 建立了真实体系下孔雀石绿定性检测方法。 提出了一种光谱自动识别算法, 有机整合了稳健的傅里叶变换基线校正, 基于主成分分析的特征提取与人工神经网络分类器。 该方法结合基线的低频特征, 通过迭代傅里叶变换实现基线校正; 通过样本空间中类间与类内的欧氏距离判别自动获取拉曼光谱信号主成分的最优组合, 实现光谱数据的降维与特征提取; 最后构建三层反向传播神经网络分类器进行样本分类。 实验结果表明, 基线去除可排除基线变化对检测结果的影响; 光谱主成分的优化组合可减小基线校正残余及复杂体系中被测物以外的物质拉曼峰对检测结果的干扰, 同时实现了分类器最小化。 该方法用于养殖用海水中孔雀石绿的现场检测, 最低检出浓度0.1 μg·L-1。 该方法具有可拓展性, 可以直接应用于其他溶胶/凝胶体系中SERS光谱的定性分析。