太赫兹光谱技术在食品添加安全领域的研究进展

李天莹,蒋 玲,章 龙,张 岩,马卿效,王 标

(南京林业大学信息科学技术学院,江苏南京 210037)

食品添加剂是添加到食品中的一类化学合成或天然物质,用于改善食品品质、延长食品保质期以及增加食品营养成分。近年来,非食品添加剂的违规使用、食品添加剂的滥用所导致的安全问题屡屡发生,现有的食品添加剂鉴别与定量检测方法存在检测周期长,检测方式繁琐等诸多问题,因此需寻找一种更为便捷的检测方法,而太赫兹无损检测技术具有方便快捷、准确率高等优势。随着太赫兹(THz)光源和太赫兹探测器的不断发展,太赫兹光谱技术在食品质量监控中展现出巨大的潜力[1],同时也广泛应用于食品添加剂的无损检测。太赫兹波与其他波段的电磁波相比具有许多独特的优势,例如:太赫兹波的光子能级为毫电子伏,其仅为X射线光子能量的百万分之几,THz辐射不会对样品造成光损伤及光化电离,因此更适合于对食品添加剂的检测;传统的X射线、超声波等检测方法只能探查被测对象的轮廓和状态,但却无法探测物体的内部化学性质,而太赫兹波具有很高的穿透性,可以有效的鉴别不同物质;与近红外光谱相比,THz波的波长更长,不容易受到散射效应的影响[2]。

太赫兹光谱技术在食品添加安全领域的研究探索具有巨大的发展潜力,已引起国内外研究者的广泛关注。本文从太赫兹光谱仪器、太赫兹领域应用的量子化学软件以及化学计量学方法出发,系统的介绍了太赫兹技术的研究方法,进而聚焦食品添加安全领域,从食品添加剂和非法添加剂的鉴定、定量分析、理论计算方法、温度相关性和背景的影响等方面进行总结,并指出目前研究存在的问题和今后的研究方向,为深入探索太赫兹技术的应用研究提供参考。

1 太赫兹光谱技术研究方法

太赫兹波,是指介于微波与红外之间的电磁波,频段范围为0.1～10 THz。许多物质在THz波段具有独特的吸收特性,例如分子间弱相互作用、晶体中晶格的低频振动等,研究物质在太赫兹频段的波谱,有利于更全面的认识被测物质的成分、内部构造及相关特性。太赫兹光谱技术应用于物质检测主要由三部分组成,首先利用太赫兹光谱仪器,分析被测物质对太赫兹频段光的吸收、透射、反射、散射等特性,再结合量子化学软件进行理论模拟,最后通过化学计量学等方法进行数据处理,深度挖掘物质的特性。

1.1 太赫兹仪器

随着太赫兹技术的不断进步,太赫兹光谱仪器得到了迅速发展。国内外常用于太赫兹光谱检测的两种仪器是太赫兹时域光谱仪(THz-TDS)和傅里叶变换红外光谱仪(FTIR)。

传统的太赫兹时域光谱仪是通过飞秒激光器产生脉冲,由于被测物质在不同频段THz脉冲下的吸收特性不同,在物质表面反射或经物质透射,可以获得样品完整的时域光谱信号,通过THz光学参数模型进一步计算,获取样品的吸收系数、消光系数以及折射率,进而得到样品的内部振动模式等信息。而傅里叶变换红外光谱仪的核心组件是迈克尔逊干涉仪,将被测物质置于检测器前,由于物质对某些特定频率的光产生吸收,使检测器接受到的干涉光强度发生不同程度的变化,进而产生不同的光程差,得到被测物质的干涉图,对干涉图进行傅里叶反变换,可以获得信号的红外光谱图。THz-TDS与FTIR技术各有优势,见表1。除了这两种传统的检测技术,还有很多应用于太赫兹领域的光谱技术,例如太赫兹时间分辨波谱(TRTS)、太赫兹发射波谱(TES)等等。

表1 太赫兹时域光谱仪与傅里叶变换红外光谱仪优势对比Table 1 Advantages comparison of THz-TDS and FTIR techniques

1.2 量子化学软件

量子化学软件是利用量子力学的原理与方法进行理论建模,结合一些实验得到的结构数据,对目标物质进行仿真计算。通过量化计算可以对物质的结构、光谱、能量等多种性质进行预测和解释。量子化学计算软件将复杂的计算过程简单化,便于使用,具有较强的普适性。

近年来应用于太赫兹光谱检测最为广泛的是GAUSSIAN软件,它包含半经验和从头算、密度泛函、分子力学等多种方法。GAUSSIAN比较适用于有限体系,GAUSSIAN软件模拟太赫兹光谱基于单分子或者多聚体模型,无法还原固态样品的实际形态。CRYSTAL是意大利都灵大学理论化学研究所开发的量子化学计算软件,它采用基于原子轨道线性组合从头算方法,主要针对具有周期性结构的体系,例如:晶体、固体表面、链状聚合物等,计算其基态能量、振动频率、红外和拉曼光谱等,近年来,很多国内外的太赫兹理论光谱研究都是基于CRYSTAL构建的固态模型,极大地提升了计算精度。

除此以外,CASTEP、SIESTA等软件也被应用于太赫兹光谱检测[3-4]。CASTEP是以平面波赝势基组为基础,在计算较大体系时可以简化计算,节约时间。而SIESTA使用FORTRAN语言编写,具有良好的可读性,主要特点是采用线性标度的算法进行电子结构模拟。

1.3 化学计量学方法

太赫兹光谱技术作为一种快速且非破坏性的分析技术,已经广泛应用于物质检测。太赫兹光谱检测会产生海量的数据集,因此,快速有效的提取关键信息就至关重要,例如与样品相关的物理、化学、结构特性等。近年来,化学计量学方法已被广泛应用于太赫兹光谱的数据处理,通过对数据进行预处理或多元分析等方式,使太赫兹光谱技术成为一种更加有效的光谱技术。其中,主成分分析(PCA),最小二乘法(PLS)和支持向量机(SVM)是最常用的。除此之外,在这些方法的基础上,还衍生出一些新的方法,例如SLR的改进算法SLMR(多元线性回归)、PLS和GA的联合算法PLS-GA(偏最小二乘-遗传算法)等[5],先进的数据处理方法是验证太赫兹光谱技术高效性、可靠性的关键。表2对近年来应用于太赫兹光谱领域的化学计量学方法进行了总结[6-10]。

表2 应用于太赫兹光谱的化学计量学方法Table 2 Chemometric methods applied in THz terahertz spectrum

2 太赫兹光谱技术在食品添加安全领域中的运用

食品添加剂种类繁多,结构复杂多样,因此国内外的科研人员大多是对广为熟知的非法或超标添加进行研究。例如,熟知的非法添加剂主要有三聚氰胺和苏丹红1号,三聚氰胺由于其含氮量很高而被加入食品中来提高氮含量,但其具有慢性毒性,长期服用会导致膀胱、肾部结石,进一步诱发膀胱癌;奶粉事件的发生,使人们对三聚氰胺的关注度提高;苏丹红1号是一种人造化学制剂,被不法商家加入辣椒中以保持辣椒鲜红的色泽,但其会造成人类肝脏细胞的DNA突变,属于致癌物,所以严禁加入辣椒中。其他诸如抗氧化剂、甜味剂等食品添加剂也需要严格的控制用量,才能更安全的被使用,因此,本文从鉴定、定量分析、理论计算方法、环境差异的影响四个方面对太赫兹光谱技术在食品添加安全领域中的运用进行分析与总结。

2.1 鉴定

研究初期,研究者们主要着眼于不同添加剂的吸收峰位的差异,以此来鉴别不同的添加剂,同时也重点研究了非法添加剂添加到食品中,通过其特定的吸收峰来进行鉴别。

2012年,何明霞等[11]对三聚氰胺(C3H6N6)及其氘化同位素体(C3D6N6)进行探究,得到三聚氰胺在2.0,2.3,2.6 THz和其氘化同位素体在1.9,2.2,2.3 THz处的吸收峰,结果显示同位素体吸收峰的红移与氢元素的H/D替换密切相关,由此证明了氢键的重要性。

2016年,Liu等[12]对三种增塑剂(DBP,DINP,DEHP)进行了测量,在1.0THz处,三种异构体的反射系数分别为1.524,1.535,1.563(DINP,DEHP,DBP),以此来区分不同的增塑剂。随后,不断有学者对抗结剂、抗氧化剂、甜味剂和营养强化剂等食品添加剂进行测量[13-16]。

太赫兹光谱技术在食品添加安全领域有良好的发展前景,以往的研究[13-18]是通过吸收峰位的差异来区分不同的物质,但却忽略了同种物质还可能存在不同的同分异构体以及同位素体,同种原子的同位素替换也会对吸收峰造成一定影响,例如对H原子进行同位素替换所造成的吸收峰位频移可以证明氢键的重要性,这对研究其他种类的分子具有重要的参考价值。

2.2 定量分析

鉴于由食品添加剂含量超标所导致食品安全隐患的存在,太赫兹技术在食品添加安全领域的应用更加侧重于定量分析。

2013年,付秀华等[7]利用THz-TDS技术在室温下分别对滑石粉、小麦粉及其混合物进行了测量,获得了它们在0.2～1.5 THz波段的光谱信息。另外,在1.16 THz特征吸收峰附近,由于滑石粉含量的不同,样本吸收谱的规律性被打破。对滑石粉含量分别为0～100%的10组数据结果建立了含量和吸收系数二者的偏最小二乘(PLS)回归模型,结果表明,小麦粉中掺入的滑石粉含量与太赫兹吸收系数的相关性较高,相关系数为0.9939,均方根误差(RMSE)仅为1.48%。

2014年,Josette等[8]利用THz-TDS技术对柠檬酸、D-果糖、α-乳糖三者的混合物进行了定量分析,首先采用主成分分析法(PCA)将不同种类样品定位在三元图表中,其次采用偏最小二乘(PLS)与人工神经网络(ANN)的联合算法对混合物进行定量分析,结果显示含量预测的均方根误差(RMSE)仅为0.9%,有力的证明了化学计量学方法是混合物定量分析的有效工具。

2018年,李鹏鹏[9]利用THz-TDS系统对山梨酸钾、麦芽糖进行测量,并利用小波变换方法对数据进行去噪,进而采用一元线性回归(SLR)、偏最小二乘(PLS)对以不同比例混合的麦芽糖和聚乙烯进行回归分析,得到PLS的校正集和预测集的相关系数分别为0.998和0.995,表明,采用小波变换结合太赫兹光谱技术对麦芽糖混合物进行定量分析是可行的。

针对不同的添加剂进行定量分析[7-10,17-19],结果显示太赫兹技术结合PLS、PCA等方法,可以较为准确的对含有添加剂的混合物进行定量分析。为了计算简便,大多数回归模型都是采用偏最小二乘法(PLS),而未采取更为精确的数学模型,例如成忠等[20]提出的组合非线性偏最小二乘法(E-S-QPLSR),可以有效的消除噪声和各单项预测间的冗余信息,从而达到更高的预测精度。此外,以往研究往往选取某一吸收峰位附近的数据进行回归分析,并未对所有吸收峰位进行探查。食品添加剂种类繁多,成分复杂多样,因此,对于食品添加剂的定量分析,寻找一种对于大多数添加剂具有通用性的分析模型的问题亟待解决。

2.3 理论计算方法

理论光谱的计算作为实验数据的重要佐证,近年来获得了越来越多研究者的关注,从理论模型的构建和选择,到计算方法的改进,理论光谱计算也陆续取得了一定的成果。

2011年,Kunov-Kruse等[21]采用DFT/B3LYP算法在6-311+G(d,p)基组上进行计算,对不同波段的苏丹红1号分子进行探究,分析了不同波段的分子振动模式,具体到C-C、N-N、C-N、C-O键的伸展等运动,得出了较为精确的振动模式。

2016年,Ge等[22]利用GAUSSIAN 09软件包结合DFT/B3LYP算法在6-311++G(d,p)基组上对醋酸钠等六种防腐剂进行理论佐证,得到的吸收峰与实验结果吻合较好,但部分吸收峰无法再现。结果表明,测量到的吸收峰来源于分子内、分子间和声子模的集体振动模式。

总结可以发现,理论值与实验值的误差主要来源于以下三个方面:单分子构型无法预测分子间作用力,对此可以采用多聚体或晶胞构型来进行计算,前提是找到一种稳定的初始构型;实验通常处于室温下,而理论计算往往采取绝对零度下的构型,温度差异造成吸收峰位存在很大的偏移不可忽略;理论计算的频率往往是谐振频率,忽视非谐振效应,直接基于它计算的结果可能存在较大误差,以往的研究往往只是提及非谐振效应的影响,而并未对此加以校正。

近年来,应用于太赫兹光谱检测最为广泛的是GAUSSIAN软件,但其无法构建具有周期性的晶胞体系,而CRYSTAL软件包主要针对具有周期性结构的体系。近年来,很多国内外的THz理论光谱研究都是基于CRYSTAL构建的固态模型,极大地提升了计算精度[23-25]。例如已有研究者利用CRYSTAL对氨基酸及维生素分子进行理论模拟,实验与理论结果的平均误差相比于以往研究减少了2～5倍[26-27]。此外,CRYSTAL还具有其他许多优势,例如:可以对同位素的位移进行评估;针对固溶体提出了新的算法等[28]。

除此以外,CRYSTAL的输入文件可以很方便的更改谐振校正因子,可以作为以后的研究方向,近年来也有一些学者对校正因子做了一定的总结[29-30]。当然,可以应用于太赫兹光谱计算的量子化学软件绝不限于GUASSION及CRYSTAL,各类软件各有优劣,需要根据具体的研究对象和精度要求进行具体的选择。

2.4 环境差异的影响

在探究食品添加剂和非法添加剂的太赫兹光谱的过程中,实验环境的多样性对实验结果的影响不容小觑,因此,研究者对此也进行了一定的研究。

2012年,Angelina等[31]利用FTIR技术测量了安赛蜜的两种异构体内酰胺和内酰亚胺,并测试了其在不同的气态或溶剂中的稳定性,结合DFT的理论计算方法,得出内酰胺(A1)构型在气态环境下更为稳定和内酰亚胺构型(A2)在DMSO溶剂中相对稳定的结论,并指出DMSO溶剂中的分子间氢键对A2的稳定性有重要作用。

2015年,Yeun等[32]分别在298和84K情况下对三聚氰胺进行了温度相关性方面的测试,结果显示温度升高时吸收峰位红移,温度降低时吸收峰位蓝移。归因于温度高时导致了晶胞结构的膨胀,而温度降低时分子间作用力明显。

研究表明,环境差异对实验结果造成的影响不可小觑,需根据不同添加剂具体的应用情况加以探究。对于温度相关性的研究,应选取更多的温度节点,而不仅仅是两、三个温度下的对比,例如虞江萍等[33]在探究氨基酸的太赫兹光谱的过程中,采取了多个温度节点,从而得出不同族类的氨基酸对温度变化的不同响应等一系列具有规律性的研究成果。

3 结论与展望

近年来,太赫兹技术在安全成像检测、航空航天、爆炸物分子检测等重要领域取得了引人瞩目的成绩。食品添加安全领域与人类的生命安全密切相关,引起了人们的广泛关注,与太赫兹技术的密切结合,有利于更加准确的认识到诸多食品添加剂及非法添加剂的生物特性,从而对添加剂的成分、添加量进行有效的鉴别与定量分析。本文从鉴定、定量分析、理论计算方法和环境影响等方面对目前太赫兹技术在食品添加安全领域的探究进行了总结,虽然有诸多研究者对各类食品添加剂和非法添加剂的太赫兹光谱进行探查,但依然存在许多亟待解决的问题。目前的研究对同种添加剂的同分异构体,以及同位素体的涉猎还比较少,对同分异构体及同位素的探究,有利于更准确的认识分子结构和振动模式;对于PLS等定量分析的数学回归模型,没有总结出具有一定通用性的模型,且并未对所有吸收峰位进行回归分析;理论模型的构建往往采用单分子模型,且并未添加谐振校正因子,可以采用CRYSTAL等量子化学软件对相对稳定的晶胞构型进行计算;温度相关性方面,可以选取更多的温度节点,得出具有规律性的研究成果等等。

国内外研究者对食品添加剂和非法添加剂的太赫兹光谱探究绝不限于以上几个方面。太赫兹光谱技术在食品添加安全领域具有良好的发展前景,对其他分子的探究也有重要的指导意义。