利用光纤光谱技术检测牛奶中黄曲霉素等致癌物质

杨启栋　周尹黔　王佳炜

【摘要】牛奶成分的监测是牛奶生产过程中至关重要的步骤，然而目前市场上的检测牛奶水分的仪器测量范围在0%-80%，分辨率在0.1%-0.01%，难以满足消费者的要求。此系统利用吸收光谱和拉曼效应的原理进行光谱分析，可以精确测出牛奶中水分和其他一些有害成分（如黄曲霉素）的含量。我们将以上的方法做成一套完整的系统，当检测到牛奶中的某种物质偏多后，系统自动将其处理掉，从而省掉了人工检测所浪费的时间。所制成的检测系统安全环保操作简单经济效益高。

一、物理背景

2011年12月26日爆发了蒙牛纯牛奶事件。据报道称被检测出黄曲霉毒素M1实测值为1.2μg/g，国家规定的最高值为0.5μg/kg，蒙牛该批次产品超标140%。随后全国陆陆续续的爆发其他黄曲霉素超标的事件。继黄曲霉素事件后人们又一次陷入恐慌。目前市场检测黄曲霉素M1主要有薄层分析法（TLC），液相色谱法（HPLC），液相色谱法（HPLc），荧光光度法（IAc/sFB）等方法。但是由于薄层分析法（TLC）检测限为5.0μg/kg，液相色谱法（HPLC）的检测限为1.0μg/kg，荧光光度法（IAc/SFB）的检测限也为1.0μg/kg。所以这三种方法不能很精确的测出牛奶中的黄曲霉素是否超标。酶联免疫法（ELISA）监测饮用牛奶中黄曲霉素M1的检测限为0.01μg/kg，基本符合检测要求，而且检测速度快捷，对人体危害性小。但酶联免疫法（ELISA）的缺点同样有较多缺点，酶联免疫法（ELISA）重复性差，实际寿命短，需低温保存，假阳率概率较高，需要配置专门的酶标仪，对某些含盐量高，脂肪含量高的样品需要进行额外的适当的处理。

在学习了光谱分析，我们想到可以利用吸收光谱和拉曼光谱的原理测量牛奶中的各种添加剂。在物质检测中拉曼光谱技术具有很好的优越性：提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，此外，由于水的拉曼散射很微弱，拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化合物的理想工具。

二、工作原理

在光的散射现象中有一特殊效应，和x射线散射的康普顿效应类似，光的频率在散射后会发生变化，频率的变化决定于散射物质的特性，这就是拉曼效应。当激光照射到样品时，除了会发生反射，透射，折射现象外，样品物质还会产生散射，在散射光中除了与入射光有相同频率的瑞利光（其波数基本不变或变化小于10～5cm^-1）以外，在瑞利光的两侧，有一系列其他频率的光，其强度通常只为瑞利光的10^-6～10^-9，这种散射光被称为喇曼光（其波数变化大于1cm^-1的散射）。其中波长比瑞利光长的喇曼光叫斯托克斯线，而波长比瑞利光短的喇曼光叫反斯托克斯线。在以波数为变量的拉曼光谱图上如图1，斯托克斯线和反斯托克斯线对称地分布在瑞利散射线两侧。在一般的情况下，斯托克斯线总是比反斯托克斯线的强度大很多，这是因为在常温状态下，处于基态的分子占了绝大多数。利用上述原理可以测量牛奶中不易测量的成分。

根据有关测量黄曲霉素浓度的文献的报道，发现其近红外光谱有特殊性质。将一份新鲜的纯牛奶分成若干份，再根据国家标准中牛奶应该满足的蛋白含量确定加入黄曲霉素的剂量，使每一份牛奶中都含有不同浓度的黄曲霉素，然后使用美国ASD公司的Handheld Field spec光谱仪和光谱仪配套的1415V卤素灯进行实验，得到黄曲霉素的近红外光谱反射特性图。

样本的可见/近红外光谱原始反射谱。在900nm～1000nm之间，其余所有曲线基本叠加在一起。而在450hm～850nto之间曲线却存在一定梯度。反射率随浓度增加而增大，在光谱中最上端的那条谱线所表示的黄曲霉素的浓度为17.5%，而最下端的谱线所代表的黄曲霉素的浓度为2.5%。由于最下端的曲线对实验数据来说已经产生了误差，在那个浓度范围我们不予考虑。通过我们反复对光谱进行研究，发现可以使用450nm一850nto之间的曲线变化作为判断黄曲霉素浓度的依据，但是牛奶中还有一些其他的物质会干扰黄曲霉素浓度的监测，所以我们考虑使用900nm～1000nm之间的曲线变化作为判断溶液中是否存在黄曲霉素的依据。根据以上对光谱的分析，我们尝试选取两个特征波长的光：500nm处的光强和1000nm处的光强作为判断牛奶中黄曲霉素含量的依据，搭建实验装置，进行尝试性实验。

三、技术分析

（一）使用拉曼光谱仪测量水中黄曲霉素的浓度

在测量黄曲霉素的浓度时我们首先想到的是利用黄曲霉素的拉曼光谱来检测，具体是利用激光激发黄曲霉素，使黄曲霉素在产生强烈清晰的拉曼信号，这个拉曼响应来自于黄曲霉素分子的对称骨架伸缩震动且相对稳定存在，可作为黄曲霉素的鉴定峰。利用这种方法可以精确测量出牛奶中黄曲霉素的含量。但是制作工艺比较复杂而且制作成本相当高，现实情况无法为我们提供这样的大型的昂贵的设备来做拉曼光谱检测，不符合我们开展制作黄曲霉素浓度检测仪的初衷。最终我们放弃了使用这种原理来研制我们的系统。

（二）利用近红外光谱测量牛奶中黄曲霉素的浓度

我们在不断地改进自己的实验仪器，通过查找文献我们发现了黄曲霉素在近红外反射谱下的光学特性。将一份新鲜的纯牛奶分成若干份，再根据国家标准中牛奶应该满足的蛋白含量确定加入黄曲霉素的剂量，使每一份牛奶中都含有不同浓度的黄曲霉素，然后使用美国ASD公司的Handheld Field Spec光谱仪和光谱仪配套的1415V卤素灯进行实验。

样本的可见/近红外光谱原始反射谱。在900nm～1000nm之间，其余所有曲线基本叠加在一起。而在450nm～850nm之间曲线却存在一定梯度。反射率随浓度增加而增大，在光谱中最上端的那条谱线所表示的黄曲霉素的浓度为17.5%，而最下端的谱线所代表的黄曲霉素的浓度为2.5%。由于最下端的曲线对实验数据来说已经产生了误差，在那个浓度范围我们不予考虑。通过我们反复对光谱进行研究，发现可以使用450nm一850nm之间的曲线变化作为判断黄曲霉素浓度的依据，但是牛奶中还有一些其他的物质会干扰黄曲霉素浓度的监测，所以我们考虑使用900nm一1000nm之间的曲线变化作为判断溶液中是否存在黄曲霉素的依据。根据以上对光谱的分析，我们尝试选取两个特征波长的光：500nm处的光强和1000nm处的光强作为判断牛奶中黄曲霉素含量的依据，搭建实验装置，进行尝试性实验。

由于牛奶中含有丰富的盐类和各种蛋白质，而这些物质对反射光谱会产生很大的影响，所以我们利用黄曲霉素近红外光谱的特性，确定了取反射光中500nm和1000nm两个波长的光进行研究。当反射光波长在500nm附近时反射光光强随黄曲霉素的浓度增加而增加，这样可以确定黄曲霉素的浓度，但做不到对其他物质的排除。当反射光波长在1000nm附近时反射光光强随黄曲霉素的浓度增加而变化不大，用于排除其他物质的干扰。根据这一光谱特性我们使用宽谱光源照射不同浓度的黄曲霉素，取其中的反射光，将反射光导入光纤中，分成两组，一组光通过500nm的滤光片，另一组通过1000nm的滤光片，然后再将两束光分别通过工作波长为500nm和1000nm的PIN管，将光信号转化为电信号，之后通过放大电路的处理，经差值运算电路，通过电压的改变而得出500nm和1000nm两波段波长的之间的差值，再将信号输入计算机中，进行处理、显示，从而看到黄曲霉素的标准浓度，将此时得到的浓度进行记录作为标准量进行定标，然后编制程序，将系统放入现场，通过确定电压的方法确定黄曲霉素的浓度，通过查表法得出实际浓度。实验装置示意图如下图2。

利用以上的方法不但测量方便，而且制作工艺也相当简单，产品投产后生产成本也较为低廉，适合批量生产。

（三）使用紫外光谱测量牛奶中黄曲霉素的浓度

科技在不断地创新中前进，我们也紧跟时代步伐，对自己的产品再进行实验，争取拿出最好的科技成果。在查阅文献时，我们发现了黄曲霉素在紫外光源照射下产生的透射谱也很有研究价值。我们设想使用紫外灯照射含有不同浓度黄曲霉素的牛奶样品。实验目前正在进行当中，具体的实验数据和实验结果还没有得到。

（四）实验结论

（1）研究结果的必要性

通过对实验结果的分析，说明了以上我们提出的利用近红外光谱检测黄曲霉素浓度的方法是可行的，同时也解决了目前市场上对黄曲霉素浓度检测的时间较长的问题。这个项目的研究是值得的。

（2）研究中存在的问题以及解决方法

在课题研究中我们发现主要的问题是现有的设备无法满足我们开展大型实验的需求，以至于很多实验项目我们都无法进行，只能依靠其他的方案来代替现在的实验。我们也在克服这些问题，有自己的解决方法。大型实验无法进行就将大型试验分成几个小块，分块进行，或者是使用其他的可以替代这个大型设备的中小型设备做实验。