拉曼光谱仪SERS测量应用之POD模型结合SERS技术快速检测饮料中的四氢大麻酚含量及方法评价

大麻素是大麻植物特有的生物活性物质，其中Δ9-四氢大麻酚是大麻素中最显著的成分，过量使用具有致瘾成幻的风险，随着全球化贸易的流行，广州海关、海口海关等海关口岸屡有查获饼干、糖果、电子烟、巧克力、饮料等涉毒食品通过跨境电商等渠道流入我国境内的事件，对海关口岸监管大麻食品的能力形成了新的挑战，亟需建立能够实现快速、准确、便捷的现场检测技术方案。

根据文献报道，食品中四氢大麻酚的检测主要依赖于液相色谱、液相色谱联用质谱、气相色谱，气相色谱联用质谱等方法。然而，这些技术往往存在前处理步骤复杂，耗时长，费用昂贵等缺陷。表面增强拉曼光谱（SERS）技术具有物质信息丰富、操作简单、快速测定、可实现现场无损分析等优点，是近年来较为流行的快速检测方法之一。

该研究建立了一种检出概率（POD）模型结合表面增强拉曼光谱（SERS）技术快速检测饮料中四氢大麻酚（THC）含量的方法。

在玻璃衬管中依次加入200μL金纳米粒子，100μL促凝剂，100μL待测液，快速摇晃均匀，放入检测池底座上，用如海光电便携式拉曼光谱仪进行SERS光谱采集。

高质量光谱数据的获取是所有后续分析和建模成功的先决条件。本研究的成功，验证了相关仪器在捕获微弱化学信息方面的卓越性能。

1.1荧光背景扣除

在软件中利用air PLS实现光谱的自动快速扣除荧光背景，可以得到更为清晰明显、尖锐对称的拉曼特征峰。

图1 扣除荧光背景信号前后SERS谱图

1.2积分时间优化

由图2综合考虑SERS响应强度和特征峰峰形等因素，实验中确定积分时间为3000ms。

图 2(a)积分时间对拉曼信号强度的影响;(b)不同积分时间对应的THC的SERS谱图

食品样品类别多，基质复杂，提取试剂的选择是影响检测结果的重要因素。实验中分别考察了甲醇、乙醇、乙腈、丙酮、石油醚等提取试剂对菠萝汁中的四氢大麻酚进行提取。结果表明（图3），乙腈的提取效果最好，其次是甲醇、乙醇，丙酮、石油醚效果不佳，特征峰几乎不可见。考虑到甲醇提取的共提物更多，乙腈相较而言。

图3 不同提取试剂对四氢大麻酚SERS响应强度的影响

与空白溶液对比（图4a，b），542 cm?1和1172 cm?1是标准品及五种阳性样品中特有的拉曼特征位移，光谱峰形尖锐对称，响应强度高，且随着标准品浓度增加而增加，可认为542 cm?1和1172 cm?1是THC的拉曼特征峰。对这2处特征峰进行归属分析，参考分子振动光谱规律，推测542 cm?1归属于C-O-C的弯曲振动，1172 cm?1归属于苯环中的C-C键拉伸。

图 4四氢大麻酚系列标准溶液(a)及不同饮料样品(b)中的SERS谱图

如图5所示，Uspectral分析软件界面上左侧显示待测物的SERS光谱图，右侧显示检测到的位移及其峰面积。基于THC的拉曼特征峰，对具有不同添加质量浓度水平的样品检测情况进行计数（表1）。结果表明随着质量浓度增加，加标样品中THC的POD越大。当添加质量浓度为1 mg/kg,POD是96%,LCL、UCL分别是87%、99%，该区间满足《食品快速检测评价技术规范》中灵敏度≥95%的要求，由此确定该方法在苏打水等碳酸饮料中的LOD为1 mg/kg，同样的方法，确定了在果蔬汁中的检出限为2 mg/kg。

图 5Uspectral分析软件上待测物的SERS谱图

表 1苏打水中四氢大麻酚拉曼快检方法的灵敏度、特异性和检出限计算表

基于表1，以苏打水中THC添加质量浓度为x轴，以不同添加质量浓度下的POD值为y轴，绘制POD图（图6a）。表1和图6a中提及的假阳性率是指阴性样品中检出阳性样品数占总阴性样品数的百分比，对应的特异性是指阴性样品中检出阴性样品数占总阴性样品数的百分比。灵敏度是指在检出限水平时，阳性样品中检出阳性结果的样品数占总阳性样品数的百分比，对应的假阴性率则指的是检出限水平时，阳性样品中检出阴性结果的样品数占总阳性样品数的百分比。图6b显示了不同添加水平下苏打水中THC的SERS谱图。

图 6(a)苏打水中THC的POD图以及POD模型中涉及的术语;(b)不同添加水平下苏打水中THC的SERS谱图

本研究开发了一种基于SERS技术快速检测饮料中四氢大麻酚的方法。根据542 cm?1和1172 cm?1处的拉曼特征峰及其响应强度，实现定性识别。该实验结合使用POD模型，从检测概率角度对不同样品基质中的检出限、灵敏度、特异性等指标进行验证，确定四氢大麻酚在碳酸饮料等基质中的检出限为1 mg/kg，在果蔬汁等基质中的检出限为2 mg/kg，实现该快检方法的灵敏度≥95%，特异性≥90%，假阴性率≤5%，假阳性率≤10%等指标。