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文献分享-基于便携式拉曼高光谱成像技术的散装奶粉中硫脲可视化现场快速检测方法研究

来源：上海如海光电科技有限公司分类：前瞻 2023-12-20 16:00:06 16阅读次数

研究背景

近十年来，“三聚氰胺毒奶粉”事件使乳制品的质量安全成为消费者和科学研究关注的焦点，并促使相关部门建立对乳制品质量进行更加严格的监管措施。乳制品的进口量呈现出快速增长的趋势。2010年~2019年间，乳制品年均复合增长率达16.5%，其中2020年散装奶粉进口量达131.0万吨，同比增长10.2%。而进口奶粉中的蛋白掺假事件近期也屡有发生，如2013年新西兰进口奶粉中检出双氰胺污染。面对乳制品质量安全的严格管控以及大批次散装奶粉的进口通关，口岸现场监管只能采用随机抽样后送实验室检验的方式，监管流程长效率低，缺乏现场快速实时评价的技术手段。

图1：来自网络

近年来，由于拉曼光谱成像技术可同时获得样品的光谱特征和图像信息，具备无损、快速、可视化等优点，被广泛应用于食品质量安全领域如非法添加物的检测、营养成分的鉴定、掺伪物质的筛查等领域。本工作采用上海科技有限公司开发的便携式点扫描二维拉曼高光谱成像仪器对不同浓度梯度(0.005%～2.000%)的硫脲奶粉混合物进行检测，结合如海预处理算法，对硫脲进行在线实时的定性、定量和污染物分布分析，并进一步预测奶粉中硫脲的浓度。

二、实验方法

本文采用上海科技有限公司开发的便携式点扫描二维拉曼高光谱成像仪器（spider2000+）进行光谱数据采集，Uspectral-PLUS软件进行光谱预处理。

三、研究内容

3.1 点扫描拉曼高光谱成像仪器的采集参数确定

分别以固态标准品硫脲和奶粉为样品，研究激光功率和积分时间对测试结果的影响，结果图2所示。由图可知，随着激光功率和积分时间的增加，硫脲标准品和奶粉的拉曼特征峰不断增强，但功率在400和500 mW时，硫脲部分特征峰强度会趋于饱和。因此，综合考虑后，选择300 mW、积分时间1 000 ms条件进行测试。

图2 不同积分时间、激光功率下硫脲和奶粉的拉曼光谱图

3.2 奶粉中硫脲的定性分析

以硫脲标准品为添加剂，分别制备添加浓度(W/W)为0.005%，0.010%，0.050%，0.250%，0.500%，0.750%，1.000%，1.250%，1.500%，1.750%和2.000%的硫脲奶粉混合样本，采集混合样本24 mm×24 mm区域内100个像素点的拉曼高光谱信息，经过阈值处理后的二值热图如图3所示。由图可知，在感兴趣区域内，随着添加物浓度的增加，硫脲检测点数目增多。当添加浓度为0.050%时，感兴趣区域内可检测到1个硫脲检测点，说明基于该实验参数，硫脲在奶粉中的最低检出浓度为0.050%，比已有研究中的检出限(0.1%)更低，采集时间(20 min)更短。

3.3 奶粉中硫脲的定量分析

研究将感兴趣区域内硫脲像素点数目与添加浓度进行线性拟合，结果如图4所示。由图可知，线性拟合的决定系数(R²)为0.991 3，具有很好的线性关系。实验中的样本厚度为1 mm，系统能完全采集到底部样本信息，不存在样本信息遗漏，且平行多次混合后采样能让表层和亚表层样本信息全部采集到，减少样本信息覆盖的误差，因此随着添加浓度的增加，样本中硫脲检测点的数目呈线性增长，可以根据感兴趣区域内硫脲检测点数目预测奶粉中硫脲的添加浓度。

图5 硫脲浓度与像素点数目的线性拟合图

3.4 方法的验证

为了验证该方法的准确性，以三种不同品牌奶粉为基质，制备4个不同浓度的硫脲奶粉混合样本，分别为0.25%，0.60%，1.20%和1.50%，重复制样6次，采集拉曼高光谱信息并进行二值化处理，记录硫脲检测点的数目并利用图7的线性关系预测硫脲的浓度，结果如表1所示。由表1可知，在0.25%，0.60%，1.20%和1.50%的添加水平下，预测浓度的相对误差范围为-9.41%～4.01%，相对标准偏差(RSD)小于7%，说明该方法具有较高的准确性和稳定性，可以用于检测奶粉中添加物的浓度。

四、文献来源

五、Spider2000+便携式显微拉曼成像光谱仪

Spider2000+便携式显微拉曼成像光谱仪采用自主研发的科研级微型共焦拉曼光谱仪RMS2000作为拉曼内芯，使其具有高灵敏度、高分辨率、强穿透能力以及较好的抑制荧光干扰能力。优化的光路设计可使得拉曼激光光束在通过长焦显微物镜后最小光斑可达到微米级别，可精确采集微米级样品的拉曼光谱。此外，仪器采用高精度二维自动化移动平台，可实现自动扫描mapping成像功能。

Spider2000+便携式二维显微拉曼成像光谱仪配备长焦显微物镜，增加了光源反射式照明成像，可通过CCD相机获得样品清晰的显微明场成像。激光经过物镜后光斑接近衍射极限，克服了普通拉曼系统中收集拉曼信号的焦面稍高于或稍低于实际最佳焦面的问题，并且独特的共焦式设计使得样品荧光信号被有效抑制，从而提高拉曼光谱质量。