基于反应体系的表面增强拉曼光谱快速检测乙基麦芽酚

吴昊 肖东方 应叶 郭小玉 文颖 杨海峰

摘要：以铁离子（Fe3+）为媒介，鞣酸还原氯金酸制备的金纳米粒子（Au NPs）作为表面增强拉曼散射（SERS）基底，实现比色一散射光谱双响应，快速鉴别食品中的乙基麦芽酚.其中比色法中，对乙基麦芽酚的检测限为0.50 mg·mL-1.SERS检测中，利用Fe3+和乙基麦芽酚的络合作用，乙基麦芽酚的最低检测限降低到0.01 mg ·mL-1，线性范围为0.05～1.00 mg·mL-1，该方法使用的仪器简单，操作方便，可对样品中的乙基麦芽酚进行现场直接测定，

关键词：表面增强拉曼散射（SERS）;比色法;铁离子（Fe3+）;乙基麦芽酚

中图分类号：0 657.37 文献标志码：A

文章编号：1000-5137（2020）02-0167-08

0引 言

在食品中添加某些物质起到掩盖其不良品质的事件层出不穷，例如花生油掺假事件，这不仅意味着消费者权益受到损害，还往往伴随着食品质量不过关，严重危害消费者的健康.乙基麦芽酚是我国规定允许使用的食用香料，可作为烟草、饮料、糕点、香精、果酒、日用化妆品等物质的增香剂以及香味改良剂[l-2]，但大量摄入会导致头痛、呕吐，并可能影响肝功能和肾功能[3].因此，联合国粮食与农业组织和世界卫生组织食品添加剂专业委员会规定：乙基麦芽酚人均每天的摄入量以体重计不能超过2 mg·kg-1，而食品加工中的指导用量为100—200 ug ·kg-1.

目前，对于乙基麦芽酚的检测方法有气相色谱法[4]、高效液相色谱法[5]、荧光分析法[6]等，其中气相色谱方法相比于其他方法具有较高的准确性及灵敏度，但是针对复杂样品时，仍面临着前处理过程复杂、耗时长、需要大型检测仪器等缺点，而且乙基麦芽酚易挥发，限制了气相色谱检测方法在现场分析检测中的应用.

近年来，随着便携式拉曼光谱仪器的飞速发展，使本就具有痕量分析检测[7-9]能力且样品前处理相对简单[10-11]的表面增强拉曼散射（ SERS）技术能实现现场快速无损检测，并被广泛应用于化学危害品、微生物污染物和生物毒素等的检测，

本文作者设计了一种基于比色和表面增强拉曼光谱双响应的探针分子，用于食品中乙基麦芽酚的检测，图l为实验设计示意图.首先将铁离子（Fe3+）加入到待测溶液中，当待测体系中含有乙基麦芽酚这种物质时，会形成紫红色络合物，肉眼可直接辨别，此时Fe3+起到“固定”乙基麦芽酚分子的作用，再通过拉曼光谱进行检测，乙基麦芽酚特征峰出现，实现比色一散射光谱两种方式鉴别食品中的乙基麦酚.而当体系中不存在乙基麦芽酚或者乙基麦芽酚含量不足，导致Fe3+剩余时，剩余的Fe3+又与基底表面的鞣酸分子作用，使金纳米粒子（Au NPs）相互靠近，电磁场增强，引起“热点”增多，从而鞣酸信号增强，通过乙基麦芽酚特征峰强度的降低以及鞣酸特征峰信号的增强，可实现对乙基麦芽酚实现定量检测.

1实验部分

1.1试剂

乙基麦芽酚购买于阿拉丁试剂公司，分析纯（AR）;罗丹明6G、氯金酸、氯化铁以及鞣酸均购置于国药试剂公司，均为AR;食用油从沃尔玛超市购买;实验中所用纯水均为自制的二次去离子水，

所有的试剂和化学品均直接使用.实验玻璃仪器均用王水（浓盐酸和浓硝酸体积比为3：1混合）浸泡洗涤，再以二次去离子水冲洗.

1.2仪器

扫描电子显微镜（ SEM），S-4800型（Hitachi Co.，Ltd.）;7504紫外一可见分光光度仪，上海新茂仪器有限公司;ENWAVE（ Optronics） Prott-EZ-Raman-A2型便携式拉曼光谱仪，二极管激光器激发光波长为785 nm，其激发光源最大可调激光功率为300 mW，扫描时间为5s，累积时间为3次.

1.3

Au NPs的制备

Au NPs的制备受SLOT等[12]工作的启发，以鞣酸为还原剂制备Au NPs.将3 mL质量分数为1%的氯金酸加入到100 mL三角烧瓶中，加入97 mL去离子水，煮沸15 min后，在剧烈搅拌条件下逐滴加入1.20 mL物质的量浓度为5xl0-3mol·L-1的鞣酸溶液，待溶液完全变成紫红色，停止加热并搅拌冷却至室温即可得到Au NPs.

取8 mL上述Au纳米溶胶在8 000 r·min-I条件离心5 min，去掉上层清液，用去离子水洗涤2次后使用.1.4乙基麦芽酚纯品的测试

称取0.10 g的乙基麦芽酚固体粉末加入10 mL容量瓶中，配置成质量浓度为10 mg· mL-1的母液，然后用去离子水逐步稀释成梯度浓度（7.500，5.000，2.500，1.000，0.750，0.500，0.250，0.100，0.075，0.050，0.010 mg·mL-1）溶液待用.

将一定量Fe3+分别加入到不同质量浓度的乙基麦芽酚溶液中，使之反应形成络合物，然后取3 mL混合后的溶液与制备的Au NPs以1：1的体积比均匀混合，再取10 uL混合溶液滴在干净的铝箔上，待样品室温干燥后进行SERS测试.

1.5实际样品中乙基麦芽酚的檢测

在进行实际检测时，由于乙基麦芽酚易溶于水，因此直接将Fe3+加入到5 mL食用油样品中，超声萃取5 min，然后取3 mL水层溶液与3 mL离心后的Au NPs充分混匀后，取10 uL混合后的溶液滴在干净的铝箔上，待样品室温干燥后进行SERS测试.

作为实验对照，进行加标测试.向5 mL食用油样品中加入乙基麦芽酚，充分混匀后，按照上述步骤进行SERS测试.

2结果与讨论

2.1

Au NPs的表征

首先对制备的Au NPs进行了表征.图2（a）为Au NPs的SEM图，可以看出，Au NPs尺寸均一且分散均匀.图2（b）为Au NPs在521nm波长处产生吸收峰，根据公式可以计算出粒径在16 nm左右（Au NPs粒径公式：Y=0.401 7X+514.56，其中y为波长，X为粒子直径），可以看出这与图2（a）中的粒径大小相符.

2.2 比色法检测乙基麦芽酚

受LIU等[13]工作的启发，应用竞争反应原理，设计实行两步法快速、准确可视化地检测乙基麦芽酚，在本实验中，鞣酸以及乙基麦芽酚均可与Fe3+反应，但是鞣酸以及乙基麦芽酚对Fe3+的竞争能力相当，因此，当Fe3+与乙基麦芽酚发生反应时，鞣酸的引入不会破坏乙基麦芽酚与Fe3+生成的络合物.图3为比色法检测乙基麦芽酚（0，0.01，0.05.0.10.0.50，1.00，5.00 mg.mL-l），当乙基麦芽酚的质量浓度为0.50mg·mL-1时，可以观察到明显的颜色变化（溶液颜色从黄色变为紫红色）.溶液颜色随着溶液中乙基麦芽酚的浓度增加而加深，而当质量浓度低于0.50 mg·mL-l时，溶液的颜色就呈现出黄色.

2.3

Au NPs的SERS性能的考察

由于SERS基底增强效果的好坏直接影响着测试结果的灵敏度，因此对制备的纳米粒子增强性能也作了考察，图4是以罗丹明6C为探针分子的鞣酸还原的Au NPs增强性能的SERS图谱，可以明显观测到罗丹明6G的特征峰，这是由于Au NPs的局域表面等离子体共振（LSPR），从而产生大量“热点”.该基底对罗丹明6G的检测限能达到5xl0-7 mol.L-l，灵敏度较好.

2.4 乙基麦芽酚的SERS研究

图5为乙基麦芽酚的SERS图谱与固体Raman图谱对比，可以观察到乙基麦芽酚的SERS图谱与固体拉曼图谱几乎完全一致，无明显特征峰被选择性增强，因此猜测乙基麦芽酚在基底表面无特异性吸附作用.并利用高斯软件对乙基麦芽酚的SERS谱峰进行了归属，693 cm-1对应为乙基麦芽酚的Vs（C-O）以及Vs（C-C-C）振动模式，1034 cm-1对应为乙基麦芽酚的Vas（ C-O-C）以及Vas（C—C）振动模式，1 643 cm-1对应为Vs（C=C）以及8（C-O-H）振动模式.

然而在不引入Fe3+的情况下进行乙基麦芽酚SERS直接测试时发现，由于乙基麦芽酚作为增香类食品添加剂，是一种挥发性小分子，在上述实验中也表明与基底无特异性作用，并且由于SERS测试时受环境温度及湿度影响较大，随着时间的延长，乙基麦芽酚的SERS信号也会随之发生变化.图6为在20℃，60%相对湿度条件下，2.50 mg.mL-1的乙基麦芽酚SERS强度随时间变化的图谱.从图6中可以看出，当不引入Fe3+时，孵育时间为38 min时会获得最佳信号，这不仅耗时长，还难以实现乙基麦芽酚的准确定量测定.同时，在不引入Fe3+的情况下，由于乙基麦芽酚与基底的非特异性吸附，乙基麦芽酚的最低可检测质量浓度为0.75 mg·mL-1，此方法的灵敏度不高，结果如图7所示.

因此考虑使用Fe3+，将乙基麦芽酚“固定”下来进行检测，并首先对所用Fe3+浓度进行了實验.图8为Fe3+浓度测试结果.从图8中可以看出，当Fe3+物质的量浓度为0.16 mg·mL-l时，SERS信号最强.因此选择0.16 mg·mL-l的Fe3+为最佳浓度进行后续实验.

当引入Fe“时，发现在l 339 cm-1以及l 479 cm-l处出现鞣酸的特征峰，当溶液中乙基麦芽酚浓度较低时，过量的Fe3+会与鞣酸结合，拉近Au NPs之间的距离，增强鞣酸的信号，SERS测试结果如图9所示，同时以1 034 cm-l处为乙基麦芽酚特征峰进行线性分析，结果如图lO（a）所示，此时线性范围为0.10～1.00 mg·mL-1.而当引入1339 cm-1鞣酸特征峰作为竞争因子时，以1 034 cm-l与1339 cm-1的比值进行线性分析时发现，最低可检测浓度为0.01 mg·mL-1，线性范围为0.05～1.00 mg/mL，线性范围更宽，结果如图lO（b）所示.

2.5乙基麦芽酚实际样品的检测

在模拟实际样品测试时，进行加标测试，分别向花生油中添加0.400 0 mg·mL-l和0.800 0 mg·mL-l的乙基麦芽酚，加标测试结果如表l所示.从表1中可以看出，回收率在89.90/0～103.5%之间，回收率良好.

3结语

引入Fe3+为媒介，Fe3+与乙基麦芽酚会形成紫红色络合物，实现颜色的初步判别，再以拉曼仪器进行测试乙基麦芽酚特征散射峰，实现比色一散射光谱两种方式鉴别食品中的乙基麦芽酚.而过量的Fe3+又会与基底表面的鞣酸作用，拉近Au NPs之间的距离，引起鞣酸特征峰的增强，通过乙基麦芽酚特征峰与鞣酸特征峰峰强的比值实现定量测试，不仅克服了挥发性小分子难以准确测定的难题，也降低乙基麦芽酚的最低检测浓度.在进行实际样品加标测试时，回收率在89.9%～103.5%之间，回收率良好.

参考文献：

[1] 杨小珊.气相色谱法测定食用植物油中乙基麦芽酚的含量[J].食品与发酵科技，2019，55（1）：119 - 121.

YANG X S.Detenuination of ethyl maltol in edible vegetable oils by gas chromatography [J].Food and FermentationSciences&Technology， 2019，55（1）：119 - 121.

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[3] 林灵超，吴方圆，高效液相色谱法同时测定牛奶中的香兰素与乙基香兰素[J].化学分析计量，2013，22（2）：60 - 62.