CN104568908A - 基于表面增强拉曼散射的高效测定谷物中微量呕吐毒素的新方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面增强拉曼散射的高效测定谷物中微量呕吐毒素的新方法，以银纳米粒子作为表面增强拉曼散射的基底，通过测定谷物中的DON的表面增强拉曼散射(SERS)光谱，检测谷物中是否有超出限量的DON。发明在玉米和芸豆表面DON检测限是10^-6M，在燕麦表面DON检测限是10^-4M，均远低于目前规定的限量标准。发明第一次利用SERS技术来分析谷物中的DON，并且达到了快速、灵敏、准确和便携的效果，不仅做到了测试低成，还做到了可以进行现场检测。相比较于其它传统的方法，发明提供的SERS技术可以很好地被应用于多种真菌毒素的检测，是一种具有潜在应用价值和开发应用前景的新型测试方法。

Description

基于表面增强拉曼散射的高效测定谷物中微量呕吐毒素的新方法

技术领域

本发明属于仪器分析化学领域，具体涉及一种基于表面增强拉曼散射的新型、高效测定谷物中呕吐毒素(DON)的方法。更具体地涉及一种以银纳米粒子作为表面增强拉曼散射的基底，采用便携式拉曼系统，通过测定玉米、芸豆、燕麦等几种谷物中的DON的表面增强拉曼散射(SERS)光谱，检测谷物中存有的微量DON的新型、高效测定谷物中呕吐毒素的方法。

背景技术

真菌毒素是谷物中真菌的次级代谢产物，产生于田间、运输、加工或储存的过程。每年世界范围内有25％的农作物受到真菌毒素的污染，从而导致了严重的经济损失和安全风险。呕吐毒素的学名为脱氧雪肤镰刀菌烯醇(deoxynivalenol，简写为DON)，是一种B型单端孢霉烯族真菌毒素，由禾谷镰刀菌与黄色镰刀菌产生，主要发生于动物饲料和人类粮食中，如燕麦、玉米、小麦、大麦。

DON对于多种动物和细胞培养过程都有免疫刺激和免疫抑制功能。在细胞水平，主要通过绑定在核糖体上来抑制蛋白质的合成。DON不仅引起谷物的减产，而且对人类和家畜有严重的毒害作用，摄入已被DON污染谷物后，人类和动物会产生的神经性厌食、呕吐、腹泻、消化失调等症状以及随之而来的体重减轻和病理性出血。

为此，许多国家和食品安全组织建立了DON在食品和饲料中的限量标准和指导意见。例如，中国规定DON在粮食和粮食制品中的最大限量为1000μg/kg。日本2002年出台临时限量标准规定DON在小麦中的最大限量为1100μg/kg；加拿大规定DON最大限量在小麦中为2000μg/kg，在小麦粉中为1200μg/kg，在婴儿食品小麦粉中为600μg/kg；2004年，德国对于DON的限量标准着更为严格的规定，为婴儿食品中的100μg/kg至其它谷物产品中的500μg/kg；除此之外，美国规定在已完成的食品中DON限量标准为1000μg/kg；欧盟规定在已加工完成和幼儿食品中DON最大限量为200μg/kg，未加工的硬质小麦、燕麦、玉米种的最大限量为1750μg/kg。

目前很多的分析方法已经被用于DON的检测，例如生物传感序列、荧光偏振免疫分析、气相色谱分析、质谱分析法、液相色谱串联质谱法。然而共同的缺点是成本高、费时、对设备要求高、灵敏度不高，操作繁琐，一般需要粉碎，对环境照成严重污染等，特别是难于现场检测和环境不友好。因此，急需开发一种新型、高效、快速、准确、方便的测定谷物中DON的检测方法，以保证食品安全和人民健康。

拉曼光谱技术对非极性基团中共价键的对称振动十分敏感，它对水不敏感和少有光谱重叠带的特性，为谷物中DON的检测提供更为有效的信息，然而普通拉曼光谱的吸收强度不高，造成检测灵敏度达不到要求。表面增强拉曼散射光谱(SERS)通过将所检测分子绑定在粗糙的银纳米粒子等金属表面，能够巨大增强普通拉曼光谱的强度，SERS基底的最高增强因子可以达到10⁸。

本专利以银纳米粒子作为表面增强拉曼散射的基底，采用便携式拉曼系统，通过检测玉米、芸豆、燕麦等几种谷物中的DON的SERS光谱，达到检测谷物中存有的微量DON的目的。本技术第一次利用SERS技术来分析谷物中的DON,并且达到了快速、灵敏、准确和便携的效果。相比较于其它传统方法，本发明提供的SERS技术不仅可以很好地被应用于多种真菌毒素的检测，还做到了测试低成本，并做到了可以进行现场检测，是一种具有潜在应用价值和开发应用前景的新型测试方法。

发明内容

本发明提供一种基于表面增强拉曼散射的新型、高效测定谷物中呕吐毒素(呕吐毒素)的方法。更具体地是提供一种以银纳米粒子作为表面增强拉曼散射的基底，采用便携式拉曼系统，通过检测玉米、芸豆、燕麦等几种谷物中的DON的表面增强拉曼散射(SERS)光谱，检测谷物中存有的微量DON的新型、高效测定谷物中呕吐毒素的方法。

本发明的方案是：

一种基于表面增强拉曼散射的高效测定谷物中微量呕吐毒素的新方法，具体步骤如下：

(1)确定DON在待测谷物表面的检测限，如检测限低于规定限量，则可将本方法用于检测；

(2)取银纳米粒子基底溶液滴加于待测谷物样品上，测量该样品的SERS光谱，检查所得样品的SERS光谱是具有DON的特征吸收峰，以确定样品中呕吐毒素超限。

拉曼光谱带范围设置为500至2200cm^-1。

纳米粒子基底溶液的制备步骤为：将硝酸银溶液用超纯水稀释，在100℃下搅拌5～10min，搅拌下加入柠檬酸三钠溶液，持续加热25～30min后得到银纳米粒子溶液，加入体积为其1％的10^-2M氯化钠并继续搅拌，室温下保存两个小时。

确定DON特征吸收峰及其在待测谷物表面的检测限的步骤为：

(1)测量银纳米粒子基底的SERS光谱；

(2)测量以银纳米粒子基底的不同梯度浓度的纯DON的SERS光谱；

(3)比较银纳米粒子基底的不同梯度浓度的纯DON的SERS光谱和银纳米粒子基底的SERS光谱，确定纯DON的特征吸收峰；

(4)测量以银纳米粒子为基底的，被不同梯度浓度DON污染的待测谷物样品的SERS光谱，比较干净且干燥的待测谷物样品的SERS光谱，确定DON在待测谷物表面的检测限。

为了鉴定不同的拉曼振动模式，密度泛函理论(DFT)被应用于计算DON的拉曼光谱。DFT的可靠性取决于交换相关能量的近似法则，提供了有效且合理的方法来计算现实模型下的基台能量。本计算使用的是Gaussian03W，并且在B3LYP水平下执行。为了去计算DON的振动频率和峰带，6-311++G(d,p)被应用。计算结果在一定范围内很好地验证了实验检测的可靠性。

本技术第一次利用SERS技术来分析谷物中的DON,并且达到了快速、灵敏、准确和便携的效果，不仅做到了测试低成本，还做到了可以进行现场检测。相比较于其它传统的方法，本发明提供的SERS技术可以很好地被应用于多种真菌毒素的检测，是一种具有潜在应用价值和开发应用前景的新型测试方法。

附图说明

图1：银纳米粒子的紫外光谱图。

图2：在去离子水中，以银纳米粒子为基底的不同浓度纯品DON溶液的SERS光谱图。

图3：DON特征峰1449cm^-1在1×10^-4M至1×10^-3M浓度范围内的线性关系图。

图4：(a)1×10^-2M至1×10^-6M浓度的DON位于玉米表面的SERS光谱；(b)基于银纳米粒子的1×10^-3M浓度DON溶液位于铝箔纸上的SERS光谱；(c)空白玉米的拉曼光谱。

图5：(a)基于银纳米粒子的芸豆表面DON的SERS图；(b)空白芸豆拉曼光谱。

图6：(a)基于银纳米粒子的燕麦表面DON的SERS图；(b)空白燕麦拉曼光谱。

具体实施方式

下面结合具体实施例进一步阐述本发明，这些实施例并不构成对本发明保护范围的限制。

本发明提供一种新型、高效、快速、准确、方便的测定谷物中DON的检测方法。具体来说是采用便携式拉曼系统，通过测定银纳米粒子为基底的玉米、芸豆和燕麦等谷物的SERS光谱，来检测谷物中是否存有的微量DON的新型检测方法。

本发明优选的实施例为：

实施例1：玉米样品中DON的检测

实施例2：芸豆样品中DON的检测

实施例3：燕麦样品中DON的检测

实施例4：密度泛函理论(DFT)计算及其计算结果

实施例1：玉米样品中DON的检测

步骤1：银纳米粒子基底的合成与UV和SERS表征

0.0255g硝酸银被加入到含有150mL超纯水的烧杯中，在100℃下搅拌。溶液沸腾5～10min，加入3mL 1％的柠檬酸三钠溶液,快速搅拌。持续加热25～30min后得到银纳米粒子。抽取10mL银纳米粒子放入烧杯中，加入10^-2M氯化钠0.1mL并搅拌，室温下保存两个小时待用，测定紫外光谱，采用便携式拉曼系统测量空白银纳米基底(AgNPs)的SERS光谱。

银纳米粒子的紫外光谱图见附图1，λ_max 425nm处的银纳米粒子的等离子振体峰可以被观察到，从而证明了银纳米粒子的存在。

空白银纳米基底的SERS光谱图见附图2(图2中位于1027cm^-1和1385cm^-1的吸收峰是来自于柠檬酸盐)。

步骤2：纯净DON的SERS检测

1.纯净DON的SERS检测：将DON纯品溶解于去离子水中，配制成10^-2M、10^-3M、10^-4M、10^-5M、10^-6M、10^-7M不同梯度浓度。等量的银纳米粒子和DON溶液相继滴加到铝箔纸上并混合均匀。10^-2～10^-7M浓度的DON分别用此方法的滴加，在室温下干燥后，采用便携式拉曼系统，测量不同梯度浓度的纯DON的SERS光谱。拉曼光谱带范围设置为500至2200cm^-1。

2.SERS表征：以银纳米粒子为基底的，纯品DON在去离子水中10^-2M、10^-3M、10^-4M、10^-5M、10^-6M、10^-7M不同梯度浓度溶液的SERS光谱图见附图2。

3.SERS图谱解析：在图2中：对比空白银纳米基底，555cm^-1,675cm^-1,780cm^-1,855cm^-1,924cm^-1,996cm^-1,1139cm^-1,1234cm^-1,1409cm^-1,1449cm^-1,1488cm^-1,1565cm^-1和1676cm^-1等处的峰来自纯净DON，是纯净DON的特征SERS吸收峰。特征峰为1449cm^-1。

4.结论：由图2说明，纯品DON溶液在银纳米粒子上的检出限可以达到1×10^-7M。

5.特征峰为1449cm^-1。

由图3：R²值为0.9864，说明1449cm^-1特征峰的强度在DON浓度为1×10^-3M至1×10^-4M范围内呈良好的线性关系。

步骤3：被DON污染的玉米样品的SERS检测

1.被DON污染的玉米样品的SERS检测：步骤2中已配制的10^-2M、10^-3M、10^-4M、10^-5M、10^-6M、10^-7M浓度的DON溶液分别与步骤1中得到的银纳米粒子以1:0.9～1.3的比例(体积)在离心管里混匀。放置一定时间后，各取10μL上述不同浓度的混合物，分别滴加于待观察的玉米上。采用785nm便携式拉曼系统，测量不同梯度浓度的被DON污染的玉米样品的SERS光谱。同时测量事先用去离子水清洗干净并室温干燥好的玉米的SERS光谱。拉曼光谱带范围设置为500至2200cm^-1。

2.SERS表征：以银纳米粒子为基底的，被DON污染的玉米样品在去离子水中10^-2M、10^-3M、10^-4M、10^-5M、10^-6M、10^-7M不同梯度浓度溶液的SERS光谱图，见附图4。

3.SERS图谱解析：

在附图4(a)中,位于1449cm^-1和855cm^-1两处的特征峰仍然可见。这两个峰在空白玉米上是没有出现的，可以推断这两处峰可能来自于DON分子。

4.结论：在玉米表面DON检测限是10^-6M，低于目前规定的限量标准。

实施例2：芸豆样品中DON的检测

步骤1和步骤2同实施例1。

步骤3：被DON污染的芸豆样品中的SERS检测与SERS表征

1.被DON污染的芸豆样品中的SERS检测：步骤2中已配制的10^-2M、10^-3M、10^-4M、10^-5M、10^-6M、10^-7M浓度的DON溶液分别与步骤1中得到的银纳米粒子以1:0.9～1.3的比例(体积)在离心管里混匀。放置一定时间后，各取10μL上述不同浓度的混合物，分别滴加于待观察的芸豆样品上。采用785nm便携式拉曼系统，测量不同梯度浓度的被DON污染的芸豆样品的SERS光谱。同时测量事先用去离子水清洗干净并室温干燥好的芸豆样品的SERS光谱。拉曼光谱带范围设置为500至2200cm^-1。

2.SERS表征：以银纳米粒子为基底的，被DON污染的芸豆样品在去离子水中10^-2M、10^-3M、10^-4M、10^-5M、10^-6M、10^-7M不同梯度浓度溶液的SERS光谱图，见附图5。

3.SERS图谱解析：

在附图5中,被DON污染的芸豆样品出现了DON的特征峰：1449cm^-1，同时在638cm^-1,718cm^-1,948cm^-1,995cm^-1等处有吸收峰。而对照的未滴加DON混合液的芸豆样品中未出现这些吸收峰。可以推断这两处峰可能来自于DON分子。

4.结论：在芸豆表面DON检测限是10^-6M，低于目前规定的限量标准。

实施例3：燕麦样品中DON的检测

步骤1和步骤2同实施例1。

步骤3：被DON污染的燕麦样品中的SERS检测与SERS表征

1.被DON污染的燕麦样品中的SERS检测：步骤2中已配制的10^-2M、10^-3M、10^-4M、10^-5M、10^-6M、10^-7M浓度的DON溶液分别与步骤1中得到的银纳米粒子以1:0.9～1.3的比例(体积)在离心管里混匀。放置一定时间后，各取10μL上述不同浓度的混合物，分别滴加于待观察的燕麦样品上。采用785nm便携式拉曼系统，测量不同梯度浓度的被DON污染的燕麦样品的SERS光谱。同时测量事先用去离子水清洗干净并室温干燥好的燕麦样品的SERS光谱。拉曼光谱带范围设置为500至2200cm^-1。

2.SERS表征：以银纳米粒子为基底的，被DON污染的燕麦样品在去离子水中10^-2M、10^-3M、10^-4M、10^-5M、10^-6M、10^-7M不同梯度浓度溶液的SERS光谱图，见附图6。

3.SERS图谱解析：

在附图6中,被DON污染的燕麦样品出现了DON的特征峰：634cm^-1,976cm^-1,1005cm^-1,1204cm^-1,，1447cm^-1,1667cm^-1,1680cm^-1的新的峰。而未滴加DON混合液的对照燕麦样品中未出现这些吸收峰。可以推断这两处峰可能来自于DON分子。

4.结论：在燕麦表面DON检测限是10^-4M，低于目前规定的限量标准。

实施例4：密度泛函理论(DFT)计算及其计算结果

1.密度泛函理论计算：

为了鉴定不同的拉曼振动模式，密度泛函理论(DFT)被应用于计算DON的拉曼光谱。DFT的可靠性取决于交换相关能量的近似法则，提供了有效且合理的方法来计算现实模型下的基台能量。本计算使用的是Gaussian03W，并且在B3LYP水平下执行。为了去计算DON的振动频率和峰带，6-311++G(d,p)被应用。

2.计算结果

计算结果如附表1所示，1449cm^-1处的强峰可以被归属于甲基。尽管有一些偏差，密度泛函理论的结果能够在一定范围内很好的验证实验检测的可靠性。

表1 DFT计算得到的DON振动模式和SERS峰的相关信息表

Claims (4)

1.一种基于表面增强拉曼散射的高效测定谷物中微量呕吐毒素的新方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)确定DON在待测谷物表面的检测限，如检测限低于规定限量，则可将本方法用于检测；

(2)取银纳米粒子基底溶液滴加于待测谷物样品上，测量该样品的SERS光谱，检查所得样品的SERS光谱是具有DON的特征吸收峰，以确定样品中呕吐毒素超限。

2.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼散射的高效测定谷物中微量呕吐毒素的新方法，其特征在于，拉曼光谱带范围设置为500至2200cm^-1。

3.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼散射的高效测定谷物中微量呕吐毒素的新方法，其特征在于，纳米粒子基底溶液的制备步骤为：将硝酸银溶液用超纯水稀释，在100℃下搅拌5～10min，搅拌下加入柠檬酸三钠溶液，持续加热25～30min后得到银纳米粒子溶液，加入体积为其1％的10^-2M氯化钠并继续搅拌，室温下保存两个小时。

4.根据权利要求1所述的基于表面增强拉曼散射的高效测定谷物中微量呕吐毒素的新方法，其特征在于，确定DON特征吸收峰及其在待测谷物表面的检测限的步骤为：

(1)测量银纳米粒子基底的SERS光谱；

(2)测量以银纳米粒子基底的不同梯度浓度的纯DON的SERS光谱；

(3)比较银纳米粒子基底的不同梯度浓度的纯DON的SERS光谱和银纳米粒子基底的SERS光谱，确定纯DON的特征吸收峰；

(4)测量以银纳米粒子为基底的，被不同梯度浓度DON污染的待测谷物样品的SERS光谱，比较干净且干燥的待测谷物样品的SERS光谱，确定DON在待测谷物表面的检测限。2 -->