第 25 卷第 3 期 2016 年 6 月激光生物学报 ACTA LASER BIOLOGY SINICA Vol.25No.3 Jun.2016 doi: /j.isn 荧光寿命分析法在地沟油鉴别中的应用研究陈明惠, 范云平, 李昊,

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冈绢禄
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1 第 25 卷第 3 期 2016 年 6 月激光生物学报 ACTA LASER BIOLOGY SINICA Vol.25No.3 Jun.2016 doi: /j.isn 荧光寿命分析法在地沟油鉴别中的应用研究陈明惠, 范云平, 李昊, 郑刚 ( 上海理工大学医疗器械与食品学院, 上海 ) 摘要 : 通过时间相关单光子计数法检测含有杂质的植物油中的荧光光子的寿命, 通过其荧光寿命与纯净植物油的荧光寿命对比, 以此为依据可以鉴别出植物油中是否掺入其他油此方法的优点在于利用荧光寿命检测方法不受光源波动老化以及外界杂散光的影响, 而且只要植物油中掺入了其他有杂质的油就能被检测出来, 与掺入的油的浓度无关因此荧光寿命测量对检测植物油的纯度表现出更好的检测精度及稳定性实验结果也证明了荧光寿命法检测地沟油的方案具有可行性, 且样品处理步骤简单, 用于检测的用量少, 检测结果准确可靠关键词 : 时间相关单光子计数法 ; 荧光寿命 ; 地沟油中图分类号 :O433.4;O657.3 文献标识码 :A 文章编号 : (2016) ApplicationofFluorescenceLifetimeAnalysison IdentificationofWasteOil CHENMinghui,FANYunping,LIHao,ZHENGGang (SchoolofMedicalInstrumentandFoodEngineering,UniversityofShanghaiforScienceand Technology,Shanghai200093) Abstract:Todetectthelifetimeofthephotonsindiferentoilsamplesbytimecorelatedsinglephotoncountingandi dentifyingwhethertheoilisswilcookedoilbythefluorescencelifetimeofdiferentoilsamples.theadvantageofthis methodisusingtimecorelationsinglephotoncountingmethodtomeasurementfluorescencelifetime,whichisnotaf fectedbylightsourcefluctuationandagingtheinfluenceofthestraylights,itshowsthatthemeasureoffluorescenceli fetimeofswilcookedoilshowsbeteraccuracyandstability.theexperimentalresultsshowthatusingthefluorescence lifetimetotestswilcookedoilisfeasible,andthesamplepreparationissimpleandneedslesdosage,andthefluores cencelifeoftheswilcookedoilsampleislongerthanthatofcookingoil. Keywords:timecorelatedsinglephotoncounting;fluorescencelife;swilcookedoil 0 引言地沟油是泛指各种劣质油脂, 是指从餐饮业回收的, 质量和卫生极差, 水分以及过氧化值和酸值等各种有害的物质严重超标的非食用油一般来说地沟油可以分为三类 : 一是狭义的地沟油, 即将下水道收稿日期 : ; 修回日期 : 基金项目 : 国家自然科学基金 ( ); 上海市自然科学基金 (13ZR ) 作者简介 : 陈明惠 (1981-), 女, 福建漳州人, 硕士生导师主要从事生物医学光子学方面的研究通讯作者 : 郑刚 (1962-), 男, 浙江余姚人, 教授, 博士生导师, 主要从事光学仪器及检测方面的研究 ( 电子邮箱 )gangzheng@ust.edu.cn

2 230 激光生物学报第 25 卷中的油腻漂浮物或者将宾馆饭店的剩饭剩菜 ( 通称泔水 ) 经过简单加工处理提炼出的油 ; 二是用于油炸食品的油使用次数超过规定要求的, 再被重复使用或往其中添加一些新油后重新使用的油 ; 三是劣质猪肉猪皮猪内脏还有其他动物的脾脏加工以及提炼后产出的油 [1] 由于地沟油的餐桌回流现状, 急需找到快捷准确无损的地沟油检测方法, 同时, 由于地沟油来源和渠道等的复杂性, 地沟油的组成成分以及其比例不恒定, 这使得地沟油基于特征参数分析争议很大虽然在较为常见的地沟油中含量都比较复杂, 各成分的比例也不同, 但大部分都会有动物油的成分, 因此本课题可以用植物油和动物油混合作为模拟地沟油样品, 拟通过应用荧光寿命法, 研究地沟油的光学参数性质, 通过对比标准食用油脂与地沟油的模拟样品之间的差异, 得到标准食用植物油与动物油的参数特征, 通过实验测量分析比较植物油与动物油样品之间的荧光寿命之间的差异实验测量 [2,3] 方法是利用荧光寿命中时间相关单光子计数法对样品数据进行采集, 它的基本原理是在某一时间 t 检测到发射光的概率与该点的荧光强度成正比, 令每一个激发脉冲最多只得到一个荧光发射光子, 记录该光子出现的时间, 并在坐标轴上记录频次, 经过大量的累计, 即可构建出荧光发射光子在时间轴上的分布概率曲线, 即荧光衰减曲线本课题之前曾用荧光光谱法鉴别掺入杂质油的植物油进行了研究 [4], 荧光光谱分析法虽然快速简便, 检测的结果可靠, 但荧光光谱分析法在掺入杂质油含量低于 10% 的时候, 检测的结果准确度会有所下降 [5], 当掺入更为少量的杂质油后, 用荧光光谱分析法检测的结果可能会出现误判, 而且对样品检测所需的量也较大而荧光寿命在材料测量领域有着得天独厚的优越性, 与荧光光谱分析法相比, 在应用荧光寿命法鉴别地沟油同样有着显著的优势, 而且灵敏度比荧光光谱法高, 不同的物质, 荧光寿命各不相同, 即使植物油中混入了微量的杂质, 荧光寿命就能检测出来用在地沟油的鉴别中时, 被检测的样品油不需要很大的量, 能够对样品油进行微量检测和数据的采集将荧光寿命法应用在地沟油的研究上, 通过比较正常食用油和地沟油的荧光寿命, 为地沟油食品检测提供新的思路与方法, 推动食品安全检测的研究 [68] 1 实验材料与方法荧光的产生主要依靠油中的共轭双键较强的平面或多环结构的分子物质, 比如油中的维生素 E 叶绿素 a 叶绿素 b 和其他不饱和脂肪酸基团, 这些分子都具有一定的荧光效率, 通过激光激发后, 这些物质的分子吸收能量跃迁状态各不相同 [910], 当激发激光停止后, 可以检测出油中各个物质的荧光寿命, 因为油中每种物质的荧光寿命各不相同, 而且在植物油中, 含有大量的维生素 E 和叶绿素 [1113], 可以通过检测这两者的荧光寿命作为依据即可判断植物油是否掺入了其他杂质 1.1 样品备制实验使用瞬态荧光光谱仪进行地沟油荧光光谱检测, 实验将待检测的样品分为三组 :13 克全菜籽油 ;22.1 克菜籽油与 0.9 克动物用混合 ;31.5 克菜籽油与 1.5 克动物用混合分别对各个组的样品进行荧光寿命的测定, 并采集相关数据 1.2 实验仪器 PhotonTechnologyInternational 光子技术国际公司提供的瞬态荧光光谱仪 TimeMaster3 该仪器对荧光寿命测量系统采用了先进的闪频分时测量技术和非线性时标据采集技术, 具有测量速度快精度高灵敏度高实用方便配制灵活等优点, 是目前测量速度最快最先进的荧光寿命测量系统该系统能够探测 7pM 荧光素的寿命, 最短测量寿命可达 100ps 激发光可以采用激光弧光脉冲及 LED 灯里满足不同的应用通过扩张和升级, 可实现电致发光磷光荧光稳态等测量图 1 分别为光子技术国际公司 (PhotonTechno logyinternational) 提供的瞬态荧光光谱仪 TimeMaster3 1.3 实验方案光谱仪的狭缝大小可以依据所检测荧光信号的强弱进行连续调节, 同组实验条件保持一样但尽可能减小样品在测量过程中组织特性变化和荧光光 [4] 漂白从文献中和我们实验组之前做的实验分析, 正常菜籽油的荧光区域在激发波长在 325nm 到 410nm 之间, 发射波长在 390nm 到 405nm 之间从前期研究结果, 该实验选择油类样品的最佳荧光发射峰为 442nm, 激发波长为 386nm, 然后分别测量了三组不同样品在该处的时间分辨荧光光谱 2 数据处理及分析 2.1 第一组

第３期陈明惠等荧光寿命分析法在地沟油鉴别中的应用研究３１图３样品①拟合结果３Ｔｈｆｎｕｆ ① 图１荧光光谱仪１Ｔｎｎｆｕｎｐｍ在３８６ｎｍ激发４４ｎｍ发射的样品①合格菜籽油的时间分辨自体荧光光谱如图所示图４样品②时间分辨光谱４Ｔｍｖｄｐｐｙｆ ② 进行拟合拟合优度Ｒ接近１为０９９１图样品①时间分辨光谱

3 第３期陈明惠等荧光寿命分析法在地沟油鉴别中的应用研究３１图３样品①拟合结果３Ｔｈｆｎｕｆ ① 图１荧光光谱仪１Ｔｎｎｆｕｎｐｍ在３８６ｎｍ激发４４ｎｍ发射的样品①合格菜籽油的时间分辨自体荧光光谱如图所示图４样品②时间分辨光谱４Ｔｍｖｄｐｐｙｆ ② 进行拟合拟合优度Ｒ接近１为０９９１图样品①时间分辨光谱Ｔｍｖｄｐｐｙｆ ① 对该样品拟合得到荧光衰减曲线图如图３所示当采用三指数对所获得的时间分辨荧光光谱数据进行拟合拟合优度Ｒ接近１为０９８所以可根据式１计算出荧光衰减本质的平均荧光寿命 τ Ａ１１ＡＡ３３ τ Ａ１１ＡＡ３３１从拟合方程分别得到Ａ１ＡＡ３和分１３图５样品②拟合结果５Ｔｈｆｎｕｆ ② 别带入公式１中可得 τ １５１ｎ第二组在３８６ｎｍ激发４４ｎｍ发射的样品② 如图４所示从拟合方程分别得到Ａ１ＡＡ３和１３代入公式１得 τ １６７ｎ３第三组对该样品拟合得到荧光衰减曲线图如图５所示当采用三指数对所获得的时间分辨荧光光谱数据在３８６ｎｍ激发４４ｎｍ发射下的样品③纯废弃老油得到的时间分辨自体荧光光谱如图６所示

4 232 激光生物学报第 25 卷图 6 样品 3 时间分辨光谱 Fig.6 Timeresolvedspectroscopyofsample3 对该样品拟合得到荧光衰减曲线图, 如图 7 所示当采用三指数对所获得的时间分辨荧光光谱数据进行拟合, 拟合优度 R 2 接近 1, 为图 7 样品 3 拟合结果 Fig.7 Thefitingresultsofsample3 从拟合方程分别得到 A 1,A 2,A 3 和 t 1,t 2,t 3 代入公式 (1) 得 τ=1.70ns 2.4 实验数据分析将以上三组样品的荧光寿命输出进行处理后, 三组样品经过三次的重复试验, 测得的平均寿命的结果整理成表格如表 1 所示其中 :1 号样品是纯合格菜籽油 ;2 号样品是 2.1 克菜籽油与 0.9 克动物油混合的 ;3 号样品是 1.5 克菜籽油与 1.5 克动物油混合的表 1 平均寿命计算结果 Tab.1 Thecalculationresultsoftheaveragelife 样品 ex386nm /em442nm 拟合优度 R2 1 号 1.51±0.02ns 号 1.67±0.02ns 号 1.70±0.02ns 从上表可以看出 1 号样品与 2 号和 3 号样品的荧光寿命有显著的差别,1 号样品的荧光寿命明显低于 2 号和 3 号样品的荧光寿命, 而 2 号和 3 号样品之间的荧光寿命差别并不是很大正如 2 号和 3 号样品的荧光寿命差距较小, 在随机误差允许的范围内, 正如 2 号和 3 号样品的荧光寿命几乎是一样的, 这两组样品与 1 号样品的荧光寿命相比更长一些, 而荧光寿命只与样品油中的物质有关, 与掺入的物质浓度无关, 即检测掺入了不同浓度地沟油的菜籽油时, 其荧光寿命几乎没有变化荧光寿命在地沟油鉴别中, 样品检测的用量不需要像荧光光谱分 [4] 析法那么多, 而且在荧光寿命检测地沟油实验中, 加入地沟油的浓度多少并不会影响整个样品的荧光寿命, 即样品中只要加入了无论量为多少的地沟油, 检测出来的荧光寿命与纯植物油的荧光寿命都会有明显的差距那么可以知道纯的菜籽油和实验用地沟油的荧光寿命还是有显著的区别, 只要纯的菜籽油中加入了少量的地沟油等杂质, 都会引起其荧光寿命的变化, 以此为依据就可以判断植物油中是否掺入其他杂质油, 而且荧光寿命法的灵敏度和准确度都与荧光光谱法的较高, 所需样品量较少, 为鉴别植物油中是否掺入了地沟油提供了另一种可靠的新方法 3 结论在实验中设计了实验对比组, 通过对标准食用油的测量得出食用油的标准荧光寿命值, 作为参考判断的标准, 然后通过实验测量纯地沟油, 得出地沟油的荧光寿命的参数特征, 最后对掺入地沟油的菜籽油进行荧光寿命相关数据的采集通过对结果进行分析, 得出地沟油的荧光寿命比食用油的荧光寿命长, 而且利用荧光寿命法鉴别地沟油的检测结果准确可靠, 在掺入杂质油含量较小的情况下, 测试结果比荧光光谱法可靠, 在实际测量中步骤也相对比较简单和快速利用荧光寿命法检测地沟油具有样品处理简单, 用量少和与掺入杂质油含量多少无关等特点, 为地沟油的检测提供了又一有效的方式和途径参考文献 [1] 陈媛, 陈智斌, 张立伟, 等. 食用油脂安全性对人体健康的影响 [J]. 西部粮油科技,2001(2):4245. CHENYuan,CHENZhibin,ZHANGLiwei.etal.Thehealth ofedibleoilsandfatsanditsinfluenceonhumanhealth[j].

5 第 3 期陈明惠等 : 荧光寿命分析法在地沟油鉴别中的应用研究 233 ChinaWesternCereals&OilsTechnology,2001(2):4245. [2] LAKOWICAZJR.Principlesoffluorescencespectroscopy[M]. 2ndEd.NewYork:AcademicPlenumPres,1999: [3] O CONNOR D V,PHILIPSD.TimeCorelatedsinglephoto counting.newyork:academicpres,1984. [4] 李昊, 陈明惠. 荧光光谱分析法在地沟油鉴别中的应用研究 [J]. 激光生物学报,2014,23(5):3032. LIHao,CHEN Minghui.Applicationoffluorescencespectrum analysisinidentificationofwasteoil[j].actalaserbiologysin ica,2014,23(5):3032. [5] 陈明惠, 李昊, 陈荣. 三维荧光光谱检测地沟油 [J]. 光学仪器,2014,23(1):610. CHENMinghui,LIHao,CHENRong.Studyonthreedimen sionalfluorescencespectroscopyofhogwashoil[j].opticalin struments,2014,23(1):610. [6] 房喻, 王辉. 荧光寿命测定的现代方法与应用 [J]. 化学通报,2001,64(10): FANGYu,WANGHui.Modernmethodandapplicationoffluo rescencelifetimemeasurement[j].chemicalbuletin,2001,64 (10): [7] 刘立新, 屈军乐, 林子扬, 等. 荧光寿命成像及其在生物医学中的应用 [J]. 深圳大学学报 : 理工版,2005,19(02): LIULixing,QUJunle,LINGZiyang,etal.Fluorescencelife timeimaginganditsapplicationinbiomedicine[j].journalof ShenzhenUniversity(institute),2005,19(02): [8] 李东旭, 许潇, 李娜, 等. 时间分辨荧光技术与荧光寿命测量 [J]. 大学化学,2008,23(4):111. LIDongxu,XUXiao,LINa,etal.Timeresolvedfluorescence technologyandfluorescencelifetimemeasurement[j].university Chemistry,2008,23(4):211. [9] 吴希军, 潘钊, 赵彦鹏, 等. 荧光光谱及平行因子分析法在植物油鉴别中的应用 [J]. 光谱学与光谱分析,2014,34 (8): WUXijun,PANZhao,ZHAOYanpeng,etal.Applicationof fluorescencespectraandparalelfactoranalysisintheclasifica tionofediblevegetableoils[j].spectroscopyandspectralanal ysis,2014,34(8): [10] MASTERSBR.Fluorescencelifetimedpectroscopyandima ging: principlesand applicationsin biomedicaldiagnostics [J].JournalofBiomedicalOptics,2014,19: [11] RYDERAG.Characterizationofcrudeoilsusingfluorescence lifetimedata[j].spectrochimicaactapartamolecular&bio molecularspectroscopy,2002,58(5): [12] 陈明东, 卢健斌, 姜逸竹, 等. 地沟油鉴别技术的研究进展 [J]. 安徽农业科学,2015,43(1): CHENMingdong,LUJianbin,JIANGYizhu,etal.Research progresofdrainageoilidentificationtechnology[j].journalof AnhuiAgriculturalSciences,2015,43(1): [13] 汪荣荣. 基于三维荧光光谱技术与动态光散射技术的地沟油检测研究 [D]. 重庆大学,2013. WANGRongrong.Studyonilegalcookingoilbasedonthe technologiesofthreedimensionalfluorescencespectrum and dynamiclightscatering[d].chongqinguniversity,2013.

238 激光生物学报第 26 卷 0 引言植物油是由不饱和脂肪酸和甘油化合而成的化合物, 主要成分是直链高级脂肪酸和甘油生成的酯, 含有维生素 E K 钙铁磷钾等矿物质, 有助于维持人体内元素平衡但食用植物油经过多次高温加热后会发生过热氧化现象, 植物油中的不饱和脂肪酸和维生素具有氧化不稳

238 激光生物学报第 26 卷 0 引言植物油是由不饱和脂肪酸和甘油化合而成的化合物, 主要成分是直链高级脂肪酸和甘油生成的酯, 含有维生素 E K 钙铁磷钾等矿物质, 有助于维持人体内元素平衡但食用植物油经过多次高温加热后会发生过热氧化现象, 植物油中的不饱和脂肪酸和维生素具有氧化不稳第 26 卷第 3 期 2017 年 6 月激光生物学报 ACTA LASER BIOLOGY SINICA Vol.26No.3 Jun.2017 doi:10.3969/j.isn.1007 7146.2017.03.008 联合荧光光谱与寿命法检测多次高温加热油陶建峰, 陈明惠, 田甜, 王成, 郑刚 ( 上海理工大学医学光学与视光学研究所, 教育部微创医疗器械工程中心, 上海 200093)

第 25 卷第 3 期 2016 年 6 月 激光生物学报 ACTA LASER BIOLOGY SINICA Vol.25No.3 Jun.2016 doi: /j.isn 荧光寿命分析法在地沟油鉴别中的应用研究 陈明惠, 范云平, 李昊,

第 25 卷第 3 期 2016 年 6 月激光生物学报 ACTA LASER BIOLOGY SINICA Vol.25No.3 Jun.2016 doi: /j.isn 荧光寿命分析法在地沟油鉴别中的应用研究陈明惠, 范云平, 李昊,