利用光纖光譜技術檢測牛奶中黃曲霉素等致癌物質

楊啟棟　周尹黔　王佳煒

【摘要】牛奶成分的監測是牛奶生產過程中至關重要的步驟，然而目前市場上的檢測牛奶水分的儀器測量范圍在0%-80%，分辨率在0.1%-0.01%，難以滿足消費者的要求。此系統利用吸收光譜和拉曼效應的原理進行光譜分析，可以精確測出牛奶中水分和其他一些有害成分（如黃曲霉素）的含量。我們將以上的方法做成一套完整的系統，當檢測到牛奶中的某種物質偏多后，系統自動將其處理掉，從而省掉了人工檢測所浪費的時間。所制成的檢測系統安全環保操作簡單經濟效益高。

一、物理背景

2011年12月26日爆發了蒙牛純牛奶事件。據報道稱被檢測出黃曲霉毒素M1實測值為1.2μg/g，國家規定的最高值為0.5μg/kg，蒙牛該批次產品超標140%。隨后全國陸陸續續的爆發其他黃曲霉素超標的事件。繼黃曲霉素事件后人們又一次陷入恐慌。目前市場檢測黃曲霉素M1主要有薄層分析法（TLC），液相色譜法（HPLC），液相色譜法（HPLc），熒光光度法（IAc/sFB）等方法。但是由于薄層分析法（TLC）檢測限為5.0μg/kg，液相色譜法（HPLC）的檢測限為1.0μg/kg，熒光光度法（IAc/SFB）的檢測限也為1.0μg/kg。所以這三種方法不能很精確的測出牛奶中的黃曲霉素是否超標。酶聯免疫法（ELISA）監測飲用牛奶中黃曲霉素M1的檢測限為0.01μg/kg，基本符合檢測要求，而且檢測速度快捷，對人體危害性小。但酶聯免疫法（ELISA）的缺點同樣有較多缺點，酶聯免疫法（ELISA）重復性差，實際壽命短，需低溫保存，假陽率概率較高，需要配置專門的酶標儀，對某些含鹽量高，脂肪含量高的樣品需要進行額外的適當的處理。

在學習了光譜分析，我們想到可以利用吸收光譜和拉曼光譜的原理測量牛奶中的各種添加劑。在物質檢測中拉曼光譜技術具有很好的優越性：提供快速、簡單、可重復、且更重要的是無損傷的定性定量分析，此外，由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光譜是研究水溶液中的生物樣品和化學化合物的理想工具。

二、工作原理

在光的散射現象中有一特殊效應，和x射線散射的康普頓效應類似，光的頻率在散射后會發生變化，頻率的變化決定于散射物質的特性，這就是拉曼效應。當激光照射到樣品時，除了會發生反射，透射，折射現象外，樣品物質還會產生散射，在散射光中除了與入射光有相同頻率的瑞利光（其波數基本不變或變化小于10～5cm^-1）以外，在瑞利光的兩側，有一系列其他頻率的光，其強度通常只為瑞利光的10^-6～10^-9，這種散射光被稱為喇曼光（其波數變化大于1cm^-1的散射）。其中波長比瑞利光長的喇曼光叫斯托克斯線，而波長比瑞利光短的喇曼光叫反斯托克斯線。在以波數為變量的拉曼光譜圖上如圖1，斯托克斯線和反斯托克斯線對稱地分布在瑞利散射線兩側。在一般的情況下，斯托克斯線總是比反斯托克斯線的強度大很多，這是因為在常溫狀態下，處于基態的分子占了絕大多數。利用上述原理可以測量牛奶中不易測量的成分。

根據有關測量黃曲霉素濃度的文獻的報道，發現其近紅外光譜有特殊性質。將一份新鮮的純牛奶分成若干份，再根據國家標準中牛奶應該滿足的蛋白含量確定加入黃曲霉素的劑量，使每一份牛奶中都含有不同濃度的黃曲霉素，然后使用美國ASD公司的Handheld Field spec光譜儀和光譜儀配套的1415V鹵素燈進行實驗，得到黃曲霉素的近紅外光譜反射特性圖。

樣本的可見/近紅外光譜原始反射譜。在900nm～1000nm之間，其余所有曲線基本疊加在一起。而在450hm～850nto之間曲線卻存在一定梯度。反射率隨濃度增加而增大，在光譜中最上端的那條譜線所表示的黃曲霉素的濃度為17.5%，而最下端的譜線所代表的黃曲霉素的濃度為2.5%。由于最下端的曲線對實驗數據來說已經產生了誤差，在那個濃度范圍我們不予考慮。通過我們反復對光譜進行研究，發現可以使用450nm一850nto之間的曲線變化作為判斷黃曲霉素濃度的依據，但是牛奶中還有一些其他的物質會干擾黃曲霉素濃度的監測，所以我們考慮使用900nm～1000nm之間的曲線變化作為判斷溶液中是否存在黃曲霉素的依據。根據以上對光譜的分析，我們嘗試選取兩個特征波長的光：500nm處的光強和1000nm處的光強作為判斷牛奶中黃曲霉素含量的依據，搭建實驗裝置，進行嘗試性實驗。

三、技術分析

（一）使用拉曼光譜儀測量水中黃曲霉素的濃度

在測量黃曲霉素的濃度時我們首先想到的是利用黃曲霉素的拉曼光譜來檢測，具體是利用激光激發黃曲霉素，使黃曲霉素在產生強烈清晰的拉曼信號，這個拉曼響應來自于黃曲霉素分子的對稱骨架伸縮震動且相對穩定存在，可作為黃曲霉素的鑒定峰。利用這種方法可以精確測量出牛奶中黃曲霉素的含量。但是制作工藝比較復雜而且制作成本相當高，現實情況無法為我們提供這樣的大型的昂貴的設備來做拉曼光譜檢測，不符合我們開展制作黃曲霉素濃度檢測儀的初衷。最終我們放棄了使用這種原理來研制我們的系統。

（二）利用近紅外光譜測量牛奶中黃曲霉素的濃度

我們在不斷地改進自己的實驗儀器，通過查找文獻我們發現了黃曲霉素在近紅外反射譜下的光學特性。將一份新鮮的純牛奶分成若干份，再根據國家標準中牛奶應該滿足的蛋白含量確定加入黃曲霉素的劑量，使每一份牛奶中都含有不同濃度的黃曲霉素，然后使用美國ASD公司的Handheld Field Spec光譜儀和光譜儀配套的1415V鹵素燈進行實驗。

樣本的可見/近紅外光譜原始反射譜。在900nm～1000nm之間，其余所有曲線基本疊加在一起。而在450nm～850nm之間曲線卻存在一定梯度。反射率隨濃度增加而增大，在光譜中最上端的那條譜線所表示的黃曲霉素的濃度為17.5%，而最下端的譜線所代表的黃曲霉素的濃度為2.5%。由于最下端的曲線對實驗數據來說已經產生了誤差，在那個濃度范圍我們不予考慮。通過我們反復對光譜進行研究，發現可以使用450nm一850nm之間的曲線變化作為判斷黃曲霉素濃度的依據，但是牛奶中還有一些其他的物質會干擾黃曲霉素濃度的監測，所以我們考慮使用900nm一1000nm之間的曲線變化作為判斷溶液中是否存在黃曲霉素的依據。根據以上對光譜的分析，我們嘗試選取兩個特征波長的光：500nm處的光強和1000nm處的光強作為判斷牛奶中黃曲霉素含量的依據，搭建實驗裝置，進行嘗試性實驗。

由于牛奶中含有豐富的鹽類和各種蛋白質，而這些物質對反射光譜會產生很大的影響，所以我們利用黃曲霉素近紅外光譜的特性，確定了取反射光中500nm和1000nm兩個波長的光進行研究。當反射光波長在500nm附近時反射光光強隨黃曲霉素的濃度增加而增加，這樣可以確定黃曲霉素的濃度，但做不到對其他物質的排除。當反射光波長在1000nm附近時反射光光強隨黃曲霉素的濃度增加而變化不大，用于排除其他物質的干擾。根據這一光譜特性我們使用寬譜光源照射不同濃度的黃曲霉素，取其中的反射光，將反射光導入光纖中，分成兩組，一組光通過500nm的濾光片，另一組通過1000nm的濾光片，然后再將兩束光分別通過工作波長為500nm和1000nm的PIN管，將光信號轉化為電信號，之后通過放大電路的處理，經差值運算電路，通過電壓的改變而得出500nm和1000nm兩波段波長的之間的差值，再將信號輸入計算機中，進行處理、顯示，從而看到黃曲霉素的標準濃度，將此時得到的濃度進行記錄作為標準量進行定標，然后編制程序，將系統放入現場，通過確定電壓的方法確定黃曲霉素的濃度，通過查表法得出實際濃度。實驗裝置示意圖如下圖2。

利用以上的方法不但測量方便，而且制作工藝也相當簡單，產品投產后生產成本也較為低廉，適合批量生產。

（三）使用紫外光譜測量牛奶中黃曲霉素的濃度

科技在不斷地創新中前進，我們也緊跟時代步伐，對自己的產品再進行實驗，爭取拿出最好的科技成果。在查閱文獻時，我們發現了黃曲霉素在紫外光源照射下產生的透射譜也很有研究價值。我們設想使用紫外燈照射含有不同濃度黃曲霉素的牛奶樣品。實驗目前正在進行當中，具體的實驗數據和實驗結果還沒有得到。

（四）實驗結論

（1）研究結果的必要性

通過對實驗結果的分析，說明了以上我們提出的利用近紅外光譜檢測黃曲霉素濃度的方法是可行的，同時也解決了目前市場上對黃曲霉素濃度檢測的時間較長的問題。這個項目的研究是值得的。

（2）研究中存在的問題以及解決方法

在課題研究中我們發現主要的問題是現有的設備無法滿足我們開展大型實驗的需求，以至于很多實驗項目我們都無法進行，只能依靠其他的方案來代替現在的實驗。我們也在克服這些問題，有自己的解決方法。大型實驗無法進行就將大型試驗分成幾個小塊，分塊進行，或者是使用其他的可以替代這個大型設備的中小型設備做實驗。