利用表面增強拉曼光譜快速鑒別卷煙生產(chǎn)中煙用香精香料

利用表面增強拉曼光譜快速鑒別卷煙生產(chǎn)中煙用香精香料高陽;林嘉盛;徐清泉;張麗娜;王輝;溫寶英;李劍鋒期刊名稱】《《光散射學報》》年(卷),期】2019(031)003【總頁數(shù)】7頁(P228-234)【關鍵詞】表面增強拉曼光譜;煙用香精香料;金納米粒子;增強芯片;主成分分析【作者】高陽;林嘉盛;徐清泉;張麗娜;王輝;溫寶英;李劍鋒【作者單位】浙江中煙工業(yè)有限公司浙江杭州310024;廈門大學化學化工學院福建廈門361005【正文語種】中文【中圖分類】O657.371引言為了提高卷煙質(zhì)量,實際卷煙生產(chǎn)中往往還會加入了煙用香精香料,以協(xié)調(diào)卷煙香味,消除或者掩蓋煙草雜氣。同時,煙用香精香料還可以改善香煙的口感、余味,突出不同的卷煙風格,使得香煙品質(zhì)得到進一步提升［1-2］。隨著卷煙產(chǎn)品質(zhì)量及安全越來越受到重視,人們對卷煙品牌和質(zhì)量也提出了更高的要求。因此,對于煙用香精香料的質(zhì)量評價也顯得尤為重要［3-6］。目前,煙用香精香料的質(zhì)量評價主要是通過人工嗅香和測定某些特定的物性指標,如折光指數(shù)、相對密度、酸值、揮發(fā)份總量等。前者受主觀意識、環(huán)境和個體差異等影響較大,而后者反映的只是香精香料的某些特定的物理性質(zhì),無法對香精香料的化學成分進行分析。因此,依靠上述指標無法有效地對香精香料的質(zhì)量波動情況進行精確監(jiān)控。近年來,研究者也提出利用色譜-質(zhì)譜聯(lián)用技術來進行香精香料的質(zhì)量控制［7,8］。但是由于質(zhì)譜儀器昂貴、前處理復雜等缺點,使得該項技術無法廣泛應用于實際香煙生產(chǎn)中。作為日常研究中常用的技術之一，表面增強拉曼光譜(SERS)不僅能夠提供豐富的分子化學結(jié)構(gòu)信息,并且還具有極高的檢測靈敏度,甚至可以達到單分子的檢測水平［9,10］。此外結(jié)合便攜式拉曼光譜儀,SERS還可以實現(xiàn)實時、原位探測操作簡便，檢測速度快，準確率高。由于能夠提供高靈敏的檢測以及分子的指紋信號,SERS技術已經(jīng)展成為一種強大的分析檢測手段,在表界面科學、材料科學、醫(yī)學、食品安全、環(huán)境監(jiān)測和國家安全等領域得到了廣泛應用［11-17］。然而，目前利用SERS對實際生產(chǎn)煙用香精香料進行質(zhì)量控制仍鮮有報道。基于此，本文構(gòu)建了一種利用SERS技術來快速檢測不同種類的煙用香精香料的方法。該方法具有前處理簡單,檢測速度快等優(yōu)點,適用于實際調(diào)配過程中對于不同種類的香精香料進行快速檢測。2實驗部分儀器與試劑3個不同種類以及3個同種類不同批次和不同摻兌樣的煙用香精香料由浙江中煙提供。氯金酸(99.99%)及檸檬酸鈉(99%)購于阿法埃莎(中國)化學有限公司。實驗中所用的水均為超純水(18.2MQcm-3,3ppb)。超純水儀(Heal-force,smart-N系列),共聚焦拉曼光譜儀(Jobin-YvonHoriba,XploRA,785nm,50倍鏡頭擻值孔徑為0.5),高速離心機(上海安亭科學儀器廠)，氣相色譜儀(上海凡偉儀器公司,GC-9860F)。實驗方法金納米粒子的合成首先將200mL的濃度為0.01wt%的氯金酸溶液煮沸，然后一次性快速地加入1.5mL的濃度為1wt%的檸檬酸鈉溶液。溶液由淡黃色逐漸變?yōu)闊o色撚后變?yōu)楹谏?，最終成為紅棕色，整個變色過程約3min左右。之后溶液保持煮沸30min,冷卻待用［18］。增強芯片的制備我們采用了水/油兩相法來制備增強芯片。具體步驟如下:首先取上述金溶膠10mL置于小燒杯中，再加入2~3mL的環(huán)己烷,超聲混勻。最后加入適量乙醇，使得金納米粒子在水油界面處自組裝形成單層的金膜。然后將金膜上層的大量環(huán)己烷除去,再用金片將單層金膜撈起,即可得到增強芯片［19,20］。所得的單層金膜與金片之間會產(chǎn)生極強的耦合作用,從而可得到更強的拉曼信號。將獲得的芯片自然干燥,備用煙用香精香料的組裝將制備好的增強芯片直接置于事先準備好的煙用香精料液中，靜置1-2h,使待測香精分子充分吸附于金片和金納米粒子表面。再將芯片置于超純水中浸泡3-5分鐘,重復3-4次,以除去表面多余的香精料液。最后,將清洗干凈的芯片用真空水泵抽干備用。拉曼光譜的測試將吸附了煙用香精香料的增強芯片置于拉曼光譜儀的電動平臺上,在激光功率1.6mW、曝光時間10s、樣品與鏡頭距離8mm條件下采集樣品拉曼光譜。每個樣品重復采集10-20次,作為該樣品的原始拉曼光譜曲線。對所有光譜取平均值,然后得到樣品的最終拉曼光譜圖。煙用香精香料的色譜前處理方法在干凈試管中，用分析天平準確稱取2g香精香料。準確稱量0.025g內(nèi)標（十七烷酸甲酯）于50mL容量瓶中，用二氯甲烷定容至刻度線，搖勻。將氯化鈉加入到含蒸餾水的燒杯中至飽和，待用。分別移取1.8mL二氯甲烷溶液(含內(nèi)標)和0.2mL無水乙醇至含樣品的試管中，搖勻。再移取2mL飽和氯化鈉溶液至含樣品和萃取劑的試管中，搖勻。超聲萃取15min,離心10min。用巴氏滴管吸取二氯甲烷層溶液(底層)至自動進樣瓶中保存,待測。色譜檢測條件色譜柱:DB-17毛細管柱((50%-苯基)-甲基聚硅氧烷,中等極性,30mx0.25mmx0.25m);程序升溫條件初溫50°C,以5°C/min升至270°C,保持10min;進樣口溫度:270°C;檢測器(FID)溫度:270°C。煙用香精香料的相似度計算將所得的拉曼光譜的積分時間歸一化，采用Savitzky-Golay算法濾除光譜數(shù)據(jù)集中的背景雜波,再用差分法扣除基線，最后采用MATLAB(R2017a)軟件中PCA工具包對光譜進行主分成分析,求得得分矩陣。令矩陣第一列即主成分1為X軸,矩陣第二列即主成分2為Y軸,繪制散點圖。以標準樣(4#)散點為基礎,基于正態(tài)分布計算并繪制其置信區(qū)域,其中顯著性水平為0.05。若樣品散點落于橢圓區(qū)域內(nèi)則視為合格產(chǎn)品,若樣品散點落于橢圓區(qū)域外,通過以下方法計算其與標準樣的相似度。首先計算任意組樣品重心點到橢圓的最短距離:Di,E=min((Xi-XE)2+(Yi-YE)2)-1/2(1)再將距離歸一化,定義為相似度:(2)其中,Di,E代表第i組散點重心與標準樣橢圓間的最短距離,Xi代表X軸第i組的平均值,XE代表橢圓上任意一點的X值Yi代表Y軸第i組的平均值,YE代表橢圓上任意一點的Y值S代表歸一化后的相似度。3結(jié)果與討論Au納米溶膠的表征為了實現(xiàn)SERS對煙用香精香料進行檢測，我們首先合成了金納米溶膠來制備增強基底。圖1分別為用檸檬酸鈉法制備的金溶膠的掃描電鏡圖⑻和紫外-可見吸收光譜圖(b)。由圖1a可知,金納米粒子呈球形,且尺寸、形貌較均勻，直徑約55nm。同時，由圖1b可得,該金溶膠在約540nm處有一特征吸收峰，進一步證明我們成功合成了Au納米溶膠［21］。圖155nm金納米粒子的掃描電鏡圖⑻和紫外可見吸收光譜圖(b)Fig.1SEM(a)andUV-V(b)spectrumoftheas-preparedAunanoparticles煙用香精香料的常規(guī)拉曼光譜分析首先利用常規(guī)拉曼光譜技術直接對煙用香精香料進行了檢測,結(jié)果如圖2所示。由圖可知，當使用常規(guī)拉曼光譜來研究1#香精標樣時，不管是綠光532nm、紅光638nm還是近紅外785nm激光作為激發(fā)光源,都無法獲得拉曼信號，只能得到一個巨大的熒光背景。這是因為,卷煙工業(yè)中常用的香精香料,作為人工調(diào)配的添加劑,通常包含2種及以上的成分,包括人工合成香料或天然香料。這些香料都是具有復雜結(jié)構(gòu)的芳香混合物,且通常還存在著部分熒光物質(zhì)。所以,通過常規(guī)拉曼來直接鑒別不同種類的煙用香精香料仍存在較大困難。為了解決這一問題,本研究選擇了檢測靈敏度高，同時還能猝滅熒光的SERS進行煙用香精香料的檢測與質(zhì)量控制。圖2煙用香精香料在不同激光波長下的拉曼光譜圖Fig.2NormalRamanspectraoftheflavorsusingdifferentexcitationlaser圖3SERS快速檢測不同種類的煙用香精香料示意圖Fig.3SchematicdiagramoftheRapiddetectionofflavorsusingSERS圖4巰基吡啶在芯片上隨機采點的拉曼結(jié)果圖Fig.4SERSspectraofMPyacquiredatdifferentplacesofthefilm煙用香精香料的表面增強拉曼光譜分析為了獲得煙用香精香料的拉曼信號,首先我們對煙用香精香料進行簡單的前處理。如圖3所示為SERS技術快速檢測煙用香精香料的流程示意圖。首先用電子束蒸鍍的方法在硅片上蒸鍍一層厚約200nm的金膜，得到金片基底。然后通過在金溶膠中加入環(huán)己烷和乙醇的兩相法來制備增強芯片。得到的增強芯片中金納米粒子組裝成了均勻的二維單層結(jié)構(gòu),將獲得的二維單層芯片用巰基吡啶分子進行拉曼表征,得到如圖4所示的拉曼圖。由該圖可知，該芯片均勻性較好相對標準偏差(RSD)小于15%,這就為后續(xù)SERS測試結(jié)果的重現(xiàn)性提供了保證。圖5為不同種類及同一種類不同生產(chǎn)批次煙用香精香料的SERS譜圖。可以發(fā)現(xiàn)，不同種類的香精香料的所獲得的增強拉曼光譜圖相差甚大,在主成分分析中分散在不同區(qū)域,直接區(qū)分度高。同一種類不同生產(chǎn)批次的香精香料譜圖類似,在散點圖中較為集中,說明不同生產(chǎn)批次的樣品可以與其他種類的香精香料進行有效區(qū)分。主成分分析是對光譜高維變量的降維處理,同時能保留其主要的信息,有利于直觀判斷在實驗中還發(fā)現(xiàn)每種香料均有各自的特征譜峰,并且不同種類的香料之間的特征峰都差別很大。同時有趣地是，所有的香精香料在1000cm-1左右都存在著很明顯的特征拉曼峰，不同種類的香精香料在1000cm-1左右的拉曼特征峰并不完全相同,這一特征峰可歸屬為苯環(huán)中的C-C伸縮振動,這表明所有的香精香料都含有芳香類物質(zhì)，并且不同的香精香料含有的芳香類物質(zhì)種類不一樣。由于在卷煙工業(yè)中的香精香料中含有的成分比較復雜,因此暫時難以對煙用香精香料其中的成分進行一一解析。但是在實際工業(yè)生產(chǎn)中,配制某一種香精香料加入的物質(zhì)都是特定的。因此,可以利用大量不同種類的香精香料來進行譜圖庫的建立,然后利用主成分分析將不同種類的香精香料進行區(qū)分,對從而實現(xiàn)對實際生產(chǎn)中煙用香精香料的快速質(zhì)量控制。圖5(a)1#、2#、3#分別為三種不同的香精香料的增強拉曼光譜圖(已歸一化、扣除背景),1#-1、1#-2、1#-3分別為1#類香精香料不同生產(chǎn)批次的增強拉曼光譜圖。(b)1#-1、1#-2、1#-3、2#、3#五種樣品的第一、二主成分散點圖Fig.5(a)TheSERSspectraof3differentkindsofflavors1#,2#,3#(thespectrahavebeennormalizedandbaselined),andthe1#-1,1#-2,1#-3wasthedifferentproductionbatchesof1#.(b)Thescatteredplotsof5samplesbyprincipalcomponentanalysis煙用香精香料的氣相色譜分析按照色譜前處理方法,將不同種類及同一種類不同生產(chǎn)批次煙用香精香料也用色譜來進行分析。得到如表1所示的結(jié)果。根據(jù)色譜結(jié)果可知,同種類不同批次的煙用香精香料1#-1、1#-2、1#-3的主成分數(shù)量一致,保留時間相似,同時積分面積也相差不大,說明1#系列的3個混合物是同種混合物。但是不同種類的煙用香精香料(1#、2#、3#)之間差異較大。首先組分數(shù)量相差較大,保留時間也各異。說明1#、2#、3#是不同的混合物,該色譜分析結(jié)果和表面增強拉曼光譜分析的結(jié)果一致,說明表面增強拉曼光譜的方法適用于該體系。表1不同種類、同種類三個不同批次香精香料的色譜分析結(jié)果Table.1TheGCresultsof3differentkindsofflavors1#,2#,3#andthe1#-1,1#-2,1#-3wasthedifferentproductionbatchesof1#1#-1組分1234567891011(內(nèi)標)1213保留時間6.199.5812.9821.6022.4023.4224.3524.5528.0733.0933.2136.4640.14積分面積18.7411.559.67423.7115.8144.5215.6112.4617.9253.1548.7776.2434.741#-2組分1234567891011（內(nèi)標）1213保留時間6.189.5712.9821.6522.4223.4424.3724.5728.0933.1133.2336.4940.17積分面積23.9314.9426.92499.8019.2055.2930.8112.9317.9157.4752.2681.0535.131#-3組分1234567891011（內(nèi)標）1213保留時間6.199.5812.9821.6522.4223.4424.3824.5828.0933.1233.2336.4940.17積分面積24.3714.9313.05490.5518.9154.9930.0012.4917.7055.8350.7378.3634.592#組分1234567（內(nèi)標）8續(xù)表11#-1組分1234567891011（內(nèi)標）1213保留時間4.3611.6219.7222.3328.0628.4133.2235.73積分面積30.7128.2322.6433.5718.8724.1379.8821.423#組分1234（內(nèi)標）5保留時間3.9017.5324.3633.2337.95積分面積461.64261.5545.8158.9533.58煙用香精香料的實際摻兌樣的表面增強拉曼光譜分析根據(jù)上述表面增強拉曼光譜方法對人為配制、不同摻兌比例的香精香料4#標樣,4#-1（原料A錯加）,4#-2（原料B錯加）,4#-3（錯配）進行前處理和檢測分析，得到如圖6所示的拉曼結(jié)果圖。圖6（a）為不同摻兌樣的表面增強拉曼光譜圖。由于不同摻兌樣的樣品其含量不同，所獲得的拉曼信號部分存在較大差異,但是仍然有些肉眼直接觀察差異性不大。并且在該圖中也都在1000cm-1都出現(xiàn)了芳香物質(zhì)的拉曼特征峰。因此，直接用肉眼來進行觀察,無法準確細致地對不同摻兌量的同一種類的煙用香精香料進行有效的區(qū)分。所以,我們通過結(jié)合主成分分析技術,將拉曼譜圖轉(zhuǎn)換成另外一種更加直觀的形式，再將其進行數(shù)字化，從而將其進行明顯得區(qū)分得到圖6(b)的主成分分析結(jié)果圖。通過主成分分析法,將光譜提取主要特征量后計算其得分矩陣,繪制為散點,通過公式(1)計算摻兌樣品與標準樣置信區(qū)域之間的距離,再通過公式(2)進行歸一化,可以將光譜之間的差異進行量化。我們通過將圖6(a)的表面增強拉曼光譜圖進行主成分分析后,得到圖6(b)所示的主成分分析圖，并且量化后得到表格中的數(shù)值。由表格中的數(shù)據(jù)我們可知,不同摻兌量的摻兌樣品和標準品的相似度分別為81.14%(4#-1),82.09%(4#-2),57.67%(4#-3)。因此,我們可以通過該數(shù)值直觀地將標準品和摻兌樣進行區(qū)分,并且不同的摻兌量的樣品之間也可以進行明顯的區(qū)分。因此,在實際生產(chǎn)中,可以通過表面增強拉曼光譜技術對樣品進行采集譜圖,然后再進行主成分分析方法后將譜圖之間的差異進行量化,從而可以直觀地對香精香料進行實時地在線控制。圖6(a)4#、4#-1、4#-2、4#-3分別為標準樣品及三份不同摻兌量的樣品的增強拉曼光譜圖。(b)為上述四份樣品所對應的主成分分析散點圖Fig.6(a)TheSERSof4#,4#-1,4#-2and4#-3;(b)Thescatteredplotsof4samplesbyprincipalcomponentanalysis4結(jié)論本文發(fā)展了一種利用SERS技術結(jié)合主成分分析來進行快速檢測實際生產(chǎn)中的煙用香精香料的方法。在該方法中,首先制備了具有均勻二維結(jié)構(gòu)的金納米粒子增強芯片。通過增強芯片中的金納米粒子產(chǎn)生的極強電磁場,可有效增強待測香精香料的拉曼信號,同時還可猝滅實際體系中的熒光背景,避免傳統(tǒng)拉曼光譜中的強熒光干擾。利用該芯片同時結(jié)合了主成分分析方法,我們實現(xiàn)了不同種類的煙用香精香料的快速鑒別以及不同摻兌量的煙用香精香料的快速鑒別。該方法具有前處理簡單,檢測靈敏度高,檢測速度快等優(yōu)點,非常適用于實際生產(chǎn)中的應用。同時該方法還拓展了表面增強拉曼光譜技術在香煙行業(yè)的應用References【相關文獻】[1]TALHOUTR,NOBELENSVD,KIENHUISAS.Aninventoryofmethodssuitabletoassessadditive-inducedcharacterisingflavoursoftobaccoproducts[J].DrugAlcoholDepe,2016,161,9.[2]STEPANOVI,BIENERL,YERSHOVAK,etal.Monitoringtobacco-specificn-nitrosaminesandnicotineinnovelsmokelesstobaccoproducts:findingsfromroundiiofthenewproductwatch[J].NicotineTobRes,2014,16(8):1070.葉榮飛，趙瑞峰?我國煙草香精香料的研究現(xiàn)狀J].清遠職業(yè)技術學院學報,2011,04(3):34(YERongfei,ZHAORuifeng.Reviewontheadvancesoftobaccoflavouringadditive[J].VocationalTechCollege,2011,04(3):34)戴迎雪侏立軍，黎洪利，等?煙用香精香料質(zhì)量控制標準體系研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學,2010,38(31):17862(DAIYingxue,ZHULijun,LIHongli,etal.Studyonthestandardsystemforthequalitycontrolofcigaretteflavors[J].JAnhuiAgricSci,2010,38(31):17862)⑸吳志英?煙用香精香料的質(zhì)量安全性控制及控制措施研究[J]?科技創(chuàng)新導報,2012(13):12(WUZhiying,Studyonqualitysafetycontrolandcontrolmeasuresoftobaccoflavorsandfragrances[J].SciTechnolInnovHer,2012(13):12)⑹周奕，周蕓，陸冰琳?關于香精香料的檢測的探討J]?輕工科技,2013(11):135(ZHOUYi,ZHOUYun,LUBinling.Discussiononthedetectionofflavorandfragrance[J].GuangxiJLightInd,2013(11):135)李長于，李祖光,周示玉，等?氣相色譜-串聯(lián)質(zhì)譜法測定香精香料中的香豆素和黃樟素[J].質(zhì)譜學報,2011,32(5):265(LIChangyu,LIZuguang,ZHOUShiyu,etal.Determinationofcoumarinandsafroleinflavorbygaschromatographycoupledtoiontraptandemmassspectrometry[J].JChineseMassSpectromSoc,2011,32(5):265)李晶，徐濟倉,李雪梅，等?超高效液相色譜法同時測定香精香料中14種禁限用物質(zhì)[J].色譜,2012,30(8):816(LIJing,XUJichang,LIXuemei,etal.Simultaneousdeterminationof14restrictedsubstancesinflavorandfragrantbyultra-highperformanceliquidchromatography[J].ChineseJChromatogr,2012,30(8):816)OTTOA,TopApplPhys[J],1984,54:289.MOSKOVITSM,RevModPhys[J],1985,3:783.趙蕊池，王培龍，石雷，等?自組裝有序納米銀線表面增強拉曼光譜檢測牛奶中三聚氰胺[J].分析化學,2017(45):82(ZHAORuichi,WANGPeilong,SHILei,etal.DeterminationofmelamineinmilkbysurfaceenhancedRamanscatteringtechniquebasedonself-assemblyorderedsilvernanowires[J].ChineseJAnalChem,2017(45):82)翟福麗，黃軼群,王錫昌，等?應用表面增強拉曼光譜技術快速檢測尿樣中的B-興奮劑[J].分析化學,2012,40(5):718(ZHAIFuli,HUANGYiqun,WANGXichang,etal.SurfaceenhancedRamanspectroscopyforrapiddeterminationofp-agonistsinswineurine[J].ChineseJAnalChem,2012,40(5):718)鐘起玲，張小紅,周海輝，等?鉑電極上異黃樟油和胡椒醛電氧化的SERS研究[J].物理化學學報,2005,21(10):1182(ZHONGQiling,ZHANGXiaohong,ZHOUHaihui,etal.In-situSERSofpiperonalandisosafroleelectrooxidationonPtelectrode[J].ActaPhys-ChimSin,2005,21(10):1182)張錦?含酰胺結(jié)構(gòu)的巰基自組裝膜的設計與結(jié)構(gòu)表征[J].物理化學學報,1997,13(6):515(ZHANGJing.Newapproachonsynthesisoffunctionalizedalkanethiolsandstructuralcharacterizationoftheirself-assembledmonolayers[J].ActaPhys-ChimSin,1997,13(6):515)高思敏，王紅艷,林月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