CN104165878B - 一种检测葡萄酒中二氧化硫的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种检测葡萄酒中二氧化硫含量的方法。本发明首先制备了一种宏观平面氧化锌(ZnO)纳米材料作为顶空固相萃取的吸附材料，对葡萄酒中二氧化硫进行富集后，结合表面增强拉曼光谱技术对其进行检测。本发明充分利用顶空固相萃取技术的抗干扰能力强、适用于复杂基质中目标物的选择性萃取等特性，结合表面增强拉曼光谱技术灵敏度高、检测过程方便快捷等优点，提供一种经济适用、操作简单、灵敏度高、重现性好、选择性高、检测快速、易于推广使用的葡萄酒样品中二氧化硫的测定方法。

Description

一种检测葡萄酒中二氧化硫的方法

技术领域

本发明涉及一种顶空固相萃取结合表面增强拉曼光谱技术检测葡萄酒中二氧化硫的新型联用技术方法，属于新方法研究领域。

背景技术

表面增强拉曼光谱(SERS)是基于吸附在粗糙贵金属表面化合物的拉曼散射会产生极大增强的现象而发展起来的一类光谱技术。由于其具有灵敏度高、检测实时快速、适用于水体系等优点，近年来被人们广泛应用于生物分析、环境检测、食品安全等领域。但是由于分析物的拉曼信号强烈依赖于增强基底(如AuNPs，AgNPs)的稳定性，这使得表面增强拉曼光谱(SERS)技术在对复杂基质样品的分析应用中受到一定限制。

顶空固相萃取作为一种样品前处理技术，可以有效将易挥发性物质从复杂的液体基质中分离开来。由于顶空萃取技术在气相中进行，因而可以大大避免液固萃取技术中静态水层对萃取效果的影响，并且由于不侵入样品而能够实现对复杂基质样本的分析检测，更适于复杂基质中挥发性成分的分析。

将顶空固相萃取技术与表面增强拉曼光谱联用，既可以避免复杂基质对拉曼信号的影响，又可以对样品中目标物进行快速灵敏的分析，从而实现对目标化合物的选择性及高灵敏度分析。

二氧化硫是葡萄酒中最为常见的一类食品添加剂，由于它不仅可以保持葡萄酒的风味，还具有防腐与抗氧化作用，因而被作为葡萄酒生产工艺中最通用的添加剂。但是，过量的二氧化硫会对人的身体危害，并且对体质敏感的人具有潜在致敏性。我国在《食品添加剂使用卫生标准》GB/T2760-2007[1]中对葡萄酒中二氧化硫限量做了明确规定。传统的葡萄酒中二氧化硫的测定方法采用GB/T15038-2006中蒸馏-碱滴定法、蒸馏-碘量法，但是这两种方法蒸馏过程较为复杂，需要专门的玻璃仪器，灵敏度不高并且由于易受到样品复杂基质的干扰使得测定结果不准确。因此，有必要发展一类快速有效、选择性高、可灵敏测定葡萄酒中二氧化硫的新型技术方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种顶空固相萃取技术结合表面增强拉曼光谱技术的新型联用技术方法，用于葡萄酒中二氧化硫的检测。

本发明的技术方案如下：

一种顶空固相萃取技术结合表面增强拉曼光谱技术的新型联用技术方法，包括如下步骤

1)制备纳米氧化锌(ZnO)材料作为固相萃取材料：

2)以顶空固相萃取(HS-SPE)技术富集葡萄酒样品中目标物二氧化硫；

3)以表面增强拉曼光谱技术(SERS)检测葡萄酒样品中的目标物二氧化硫。

其中，步骤1)纳米氧化锌(ZnO)材料是一类对有机化合物及含硫化合物具有高效富集能力的萃取材料，具有热稳定性好，比表面积高，合成方法简便并易于形貌控制等优点，将其作为固相萃取材料，不仅方便制取，更可以达到二氧化硫的良好富集效果。

其中，步骤1)纳米氧化锌(ZnO)材料为自制宏观平面纳米氧化锌材料。使用自制宏观平面纳米氧化锌材料可以提供更大的比表面积，更高的萃取效率，更短的富集时间；并且宏观平面材料便于滴加或喷洒表面增强拉曼光谱增强基底(如AuNPs，AgNPs)操作，还有利于增强基底纳米贵金属的分散，并且可提供更大的拉曼激光光斑的照射面积，从而适用于表面增强拉曼光谱分析。

其中，所述的宏观平面纳米氧化锌材料为，纳米氧化锌(ZnO)材料沉积在约0.5-1.0cm×0.5-1.0cm尺寸的玻璃片上；附着在玻璃片基底的纳米氧化锌(ZnO)材料形成萃取基板，整个萃取基板呈宏观平面结构；附着在玻璃片基底的纳米氧化锌(ZnO)材料微观结构呈海星状，其直径大小约为1-5μm。

其中，该纳米氧化锌(ZnO)萃取基板的制备方法，包括如下步骤：

(1)10-20mL5.0-7.5mMZn(NO₃)₂·6H₂O水溶液在搅拌下滴加到10-20mL40-60mMKOH水溶液中，将0.5-1.0cm×0.5-1.0cm尺寸的玻璃片放置于混合溶液底部，常温下放置6-24h。

(2)反应完成后，合成的ZnO萃取基板用超纯水洗涤至少三遍，烘干，密封干燥保存。

顶空固相萃取(HS-SPE)过程在自制的顶空萃取装置中进行，包括如下步骤：

(1)将待测样品1-10mL移入自制的10-30mL顶空萃取装置瓶中。

(2)在样品中加入足量酸对样品进行酸化，立即将ZnO萃取基板置于顶空萃取装置中并将装置密封。所述的酸种类包括硫酸、磷酸(V_酸:V_水＝1:3)，体积为100μL-1000μL。

(3)萃取过程中溶液处于静止或搅拌状态，萃取时间为10-15min,萃取温度为55-65℃，加热方式为水浴或金属浴。萃取过程完成后，将ZnO萃取基板从顶空萃取装置中取下。

自制的顶空萃取装置瓶，包括萃取支架(a)、血清瓶身(b)，萃取支架(a)包括一血清瓶盖(1)，血清瓶盖(1)的底面设有一密封垫(2)，一支撑架固定于密封垫，该支撑架包括支撑架主体(3)、支撑架上端(4)以及支撑架下端(5)；其中，支撑架上端(4)和密封垫圈(2)固定，支撑架主体(3)从密封垫圈(2)的底面向下延伸，支撑架下端(5)为用于安放萃取片的一U形平台。

自制的顶空萃取装置瓶，具有如下优点：1)制备简便，无需大型专门加工设备，易大批量生产。2)制备成本低廉，装置所用的材料均容易获得且价格低廉。3)操作方便，便于携带，有利于顶空固相萃取与表面增强拉曼光谱联用技术的推广应用。4)支撑架穿过密封垫圈固定，并用粘合剂加固，使得支架更稳定，不容易脱落。5)内置型顶空萃取形式，“U”型设计有效防止萃取材料在移动过程中掉落，适用于宏观平面萃取材料的放置和使用。

顶空萃取过程完成后，直接用表面增强拉曼光谱技术对萃取后的分析物进行检测。

其中，表面增强拉曼光谱技术对萃取后的分析物进行检测过程，包括如下步骤：取5-10μLAuNPs,滴加于ZnO萃取基板表面，之后进行表面增强拉曼光谱测定。

其中，使用的AuNPs为商业化金胶溶液经过浓缩获得。

本发明将顶空固相萃取技术与表面增强拉曼光谱技术结合，以顶空固相萃取(HS-SPE)技术作为样品中目标物二氧化硫的富集方式；以表面增强拉曼光谱技术(SERS)作为检测方法。该方法经济适用、操作简单、灵敏度高、重现性好、选择性高、检测快速、易于推广，适用于葡萄酒样品中二氧化硫的测定。

附图说明

图1(a)氧化锌(ZnO)萃取基板的照片；(b)氧化锌(ZnO)的XRD图；(c)氧化锌(ZnO)萃取材料的SEM图；(d)氧化锌(ZnO)萃取材料的SEM放大图；

图2同一萃取基板不同取样点SERS光谱重现性；

图3不同萃取基板萃取能力的重现性；

图4葡萄酒中常见易挥发物质SERS图；

图5HS-SPE-SERS测定不同浓度亚硫酸盐溶液拉曼光谱图及其线性范围。

图6为本发明的顶空固相萃取装置处于萃取材料放置和回收状态时的结构示意图。在图6中，a部分为萃取支架部分，b部分为瓶身部分。

图7为本发明的顶空固相微萃取装置处于萃取状态时的结构示意图。在图7中，a部分为萃取支架部分，b部分为瓶身部分。

图8为本发明的顶空固相萃取装置的a部分(萃取支架部分)具体结构示意图。在图8中，1为血清瓶盖、2为密封垫圈、3为支撑架主体、4为支撑架上端、5为支撑架下端。

具体实施方式

实施例1

参见图6-8，顶空固相萃取装置包含a部分为萃取支架部分，b部分为瓶身部分。其中，a部分即萃取支架部分分别由血清瓶盖1、密封垫圈2、支撑架主体3、支撑架上端4、支撑架下端5组成，其中支撑架上端4穿过密封垫圈，并将超出部分弯折贴合于密封垫圈2的上表面上，并用粘合剂与密封垫圈2固定，增强整个顶空萃取支撑架的稳定性。支撑架下端5“U”型平台用于承载萃取片，“U”型设计有效防止萃取片在移动过程中掉落。整个支撑架通过密封垫圈2固定在血清瓶盖1底面，可有效进行顶空萃取。

根据不同分析物含量及萃取材料性质，血清瓶体积可为10～30mL。支撑架材质为铝片，铝片长度最好为3.5-4.5cm,宽度最好为0.6-0.8cm。取出瓶盖内部的密封垫圈，支撑架一端穿过密封垫圈，超出长度约0.5cm，将超出的铝片部分平行于密封垫圈平面方向折叠，并通过粘合剂与密封垫圈紧密结合，再将其放回瓶盖中。另一端取1cm垂直于铝片平面折叠,其末端取2～3mm再垂直折起，使整个支撑架的另一端形成呈“U”型平台，用于承载附有萃取物质的萃取片。当萃取装置处于使用状态时，支撑架承载着萃取片处在血清瓶上方。

萃取前取下a部分(萃取支架部分)，将萃取片安放在支撑架下端(5)的“U”型平台上，b部分(瓶身部分)用于盛装待萃取基质(固体或液体)。萃取时，将a部分(萃取支架部分)通过血清瓶盖(1)的螺口与b部分(瓶身部分)的螺纹紧密结合，密封垫圈(2)可以保证整个顶空萃取装置的气密性。萃取完成，取下a部分(萃取支架部分)，将萃取片从支撑架下端(5)的“U”型平台上取出，即可进行下一步表面增强拉曼光谱分析。

实施例2

纳米氧化锌(ZnO)萃取基板的制备方法，包括如下步骤：10mL5.0mMZn(NO₃)₂·6H₂O水溶液在搅拌下滴加到10mL40mMKOH水溶液中，溶液呈澄清态。将0.8cm×0.8cm尺寸的玻璃片平铺放置于混合溶液底部，一小段时间后溶液变为白色浑浊液，ZnO纳米材料开始沉积，为使沉积反应彻底，将此溶液常温下放置12h。

(2)反应完成后，合成的ZnO萃取基板用超纯水洗涤三遍，烘干，密封干燥保存。

实施例3

为了观察纳米氧化锌(ZnO)萃取基板的宏观及微观形貌，实验对合成的纳米氧化锌(ZnO)萃取基板进行了表征。图1a为氧化锌(ZnO)萃取基板的照片，从图中可以看出，氧化锌(ZnO)在玻璃片上沉积形成一层较厚的白色薄膜，整个氧化锌(ZnO)萃取基板呈宏观平面状态，这有利于接下来的表面增强拉曼光谱分析。图1b为合成的氧化锌(ZnO)萃取基板的XRD图，其各个衍射峰和标准六方晶系ZnO衍射峰一一对应(PDF,fileNo.36-1451)，没有其它杂质峰的出现。这说明合成的氧化锌(ZnO)萃取材料具有较高的纯度。图1c和1d分别为氧化锌(ZnO)微观形貌的扫描电镜图及其放大模式，图中可以看出合成的氧化锌(ZnO)呈海星状，是由放射针状结构形成，其粒径约为3μm。该海星状氧化锌(ZnO)材料层层堆积而形成的萃取膜，导致其内部疏松，具有较大的比表面积；这使得该材料对易于吸附较大容量的二氧化硫。

实施例4

为了检验该方法的重现性，实验从同一萃取基板的不同取样点SERS信号的重现性及不同萃取基板对同一分析物信号的重现性等方面进行了考察。首先，取一萃取基板对200μg/L的标准亚硫酸盐溶液进行顶空萃取实验，在进行SERS测定时，随机选取滴加金胶范围内15个点进行测量，所得SERS光谱图重现性如图2所示。可以看出随机取点所得的SERS光谱图图形一致，600cm^-1处SO₂特征峰高度基本不变，显示出其良好的重现性。

其次，实验还分别选取三个同批次的萃取基板对同样浓度的标准亚硫酸盐溶液进行顶空萃取实验，每个萃取基板信号取3-4次。实验结果如图3所示，可以看出不同萃取基板对0.5μg/L-100μg/L范围内的不同浓度标准溶液的萃取性能均具有较好的重现性，其相对标准偏差为3.2-15.8％，这说明该方法重现性良好。

进行顶空萃取实验时，分别将0.5μg/L-100μg/L标准品2mL移入自制的15mL顶空萃取装置瓶中。在样品中加入200μL硫酸(V_酸:V_水＝1:3)对样品进行酸化，立即按照实施例1中所述方式将ZnO萃取基板置于顶空萃取装置中并将装置密封。将整个萃取装置放入干式恒温仪中，设置萃取温度为55℃。萃取10min后，萃取过程完成。按照实施例1中所述方式将ZnO萃取基板从顶空萃取装置中取下。取10μL商业化金胶溶液浓缩后的AuNPs,滴加于ZnO萃取基板表面，之后用激光照射获得表面增强拉曼光谱信息。

实施例5

为了考察该方法的选择性，实际样品分析前还进行了干扰试验。实验分别选取葡萄酒中最为常见的挥发性物质乙醇、异丙醇、乙酸乙酯、橙花叔醇、乙醛等进行干扰实验。进行干扰实验时，分别将2mL1000μg/L待测上述干扰物质移入自制的15mL顶空萃取装置瓶中，立即按照实施例1中所述方式将ZnO萃取基板置于顶空萃取装置中并将装置密封。将整个萃取装置放入干式恒温仪中，设置萃取温度为55℃。萃取10min后，萃取过程完成。按照实施例1中所述方式将ZnO萃取基板从顶空萃取装置中取下。取10μL商业化金胶溶液浓缩后的AuNPs,滴加于ZnO萃取基板表面，之后用激光照射获得表面增强拉曼光谱信息。

干扰试验所得的SERS光谱图如图4所示。虽然ZnO对醛类或醇类有一定的吸收能力，但从SERS光谱图中可以看出，在600cm^-1处SO₂特征峰处，这些物质并没有明显的干扰。因此，本方法针对葡萄酒中二氧化硫的测定具于较高的选择性。

实施例6

为了考察该方法的灵敏度及线性范围，实验分别用该方法对0.1μg/L-200μg/L的标准亚硫酸盐溶液进行了测定。测定时，分别将2mL0.1μg/L-200μg/L的标准亚硫酸盐溶液移入自制的15mL顶空萃取装置瓶中，立即按照实施例1中所述方式将ZnO萃取基板置于顶空萃取装置中并将装置密封。将整个萃取装置放入干式恒温仪中，设置萃取温度为55℃。萃取10min后，萃取过程完成。按照实施例1中所述方式将ZnO萃取基板从顶空萃取装置中取下。取10μL商业化金胶溶液浓缩后的AuNPs,滴加于ZnO萃取基板表面，之后用激光照射获得表面增强拉曼光谱信息。所有测定样品均一式三份，表面增强拉曼数据均采集3次，所得数据为测定结果的平均值。

所得SERS光谱图及线性关系如图5a及5b所示。由图5a可以看出随着浓度的降低，600cm^-1处SO₂特征峰的形状保持不变，当浓度降低至0.1μg/L时，相比于空白依然可以看到明显地拉曼信号，这说明该方法具有较高的灵敏度。图5b显示出该方法对二氧化硫进行测量时，在1μg/L-200μg/L内具有良好的线性响应，R²达到0.992，这说明该方法完全可以应用于实际样品中SO₂的测定。

实施例7

为了考察该方法可靠性，实验采用GB/T15038-2006[2]中蒸馏-碱滴定法最为对照方法，分别进行了对10种不同市售葡萄酒中二氧化硫含量的测定，其结果如表1所示。从结果数据可以看出，该方法与国标测定方法结果基本一致，具有较高的可靠性。而相对于传统国标方法一次只能测定一个样品的缺点，该方法的测定可以实现多个样品同时萃取分析，从而大大缩短分析时间，达到快速简便分析葡萄酒中二氧化硫的目的。

表1HS-SPE-SERS与国标方法测定葡萄酒样品中二氧化硫结果对比

Claims (8)

1.一种检测葡萄酒中二氧化硫的方法，包括如下步骤

1)制备纳米氧化锌(ZnO)材料作为固相萃取材料：

2)以顶空固相萃取(HS-SPE)技术富集葡萄酒样品中目标物二氧化硫；

3)以表面增强拉曼光谱技术(SERS)检测葡萄酒样品中的目标物二氧化硫；

步骤1)中，纳米氧化锌材料为宏观平面纳米氧化锌材料。

2.如权利要求1所述的检测葡萄酒中二氧化硫的方法，其特征在于：所述的宏观平面纳米氧化锌材料为，纳米氧化锌(ZnO)材料沉积在0.5-1.0cm×0.5-1.0cm尺寸的玻璃片上；附着在玻璃片基底的纳米氧化锌(ZnO)材料形成萃取基板，整个萃取基板呈宏观平面结构；附着在玻璃片基底的纳米氧化锌(ZnO)材料微观结构呈海星状，其直径大小为1-5μm。

3.如权利要求1所述的检测葡萄酒中二氧化硫的方法，其特征在于：所述的纳米氧化锌(ZnO)材料的制备方法，包括如下步骤：

(1)10-20mL5-7.5mMZn(NO₃)₂·6H₂O水溶液在搅拌下滴加到10-20mL40-60mMKOH水溶液中，将0.5-1.0cm×0.5-1.0cm尺寸的玻璃片放置于混合溶液底部，常温下放置6-24h；

(2)反应完成后，合成的ZnO萃取基板用超纯水洗涤至少三遍，烘干，密封干燥保存。

4.如权利要求1所述的检测葡萄酒中二氧化硫的方法，其特征在于：步骤2)顶空萃取过程在自制的顶空萃取装置中进行。

5.如权利要求1所述的检测葡萄酒中二氧化硫的方法，其特征在于，步骤2)包括如下步骤：

(1)将待测样品移入自制的顶空萃取装置瓶中；

(2)在样品中加入足量酸对样品进行酸化，立即将ZnO萃取基板置于顶空萃取装置中并将装置密封；

(3)萃取过程完成后，将ZnO萃取基板从顶空萃取装置中取下。

6.如权利要求4或5所述的检测葡萄酒中二氧化硫的方法，其特征在于，自制的顶空萃取装置瓶，包括萃取支架(a)、血清瓶身(b)，萃取支架(a)包括一血清瓶盖(1)，血清瓶盖(1)的底面设有一密封垫圈(2)，一支撑架固定于密封垫圈，该支撑架包括支撑架主体(3)、支撑架上端(4)以及支撑架下端(5)；其中，支撑架上端(4)和密封垫圈(2)固定，支撑架主体(3)从密封垫圈(2)的底面向下延伸，支撑架下端(5)为用于安放萃取基板的一U形平台。

7.如权利要求6所述的检测葡萄酒中二氧化硫的方法，其特征在于，步骤3)包括如下步骤：取5-10μLAuNPs,滴加于ZnO萃取基板表面，之后用激光照射获得表面增强拉曼光谱信息。

8.如权利要求7所述的检测葡萄酒中二氧化硫的方法，其特征在于，表面增强拉曼光谱技术对萃取后的分析物进行检测过程中，使用的AuNPs为商业化金胶溶液经过浓缩获得。