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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(xué)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(jìn)行更加嚴(yán)格的監(jiān)管措施。乳制品的進(jìn)口量呈現(xiàn)出快速增長的趨勢。2010年~2019年間，乳制品年均復(fù)合增長率達(dá)16.5%，其中2020年散裝奶粉進(jìn)口量達(dá)131.0萬噸，同比增長10.2%。而進(jìn)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(jìn)口奶粉中檢出雙氰胺污染。面對乳制品質(zhì)量安全的嚴(yán)格管控以及大批次散裝奶粉的進(jìn)口通關(guān)，口岸現(xiàn)場監(jiān)管只能采用隨機(jī)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(jìn)行檢測，結(jié)合如海預(yù)處理算法，對硫脲進(jìn)行在線實時的定性、定量和污染物分布分析，并進(jìn)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(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，如海光電Uspectral-PLUS軟件進(jìn)行光譜預(yù)處理。
分別以固態(tài)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(biāo)準(zhǔn)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(dāng)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(jìn)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(zhǔn)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(fù)制樣6次，采集拉曼高光譜信息并進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)偏差(RSD)小于7%，說明該方法具有較高的準(zhǔn)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(dá)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(jī)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(dá)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。
