快速检测荧光增白剂FWA199的表面增强拉曼光谱方法与流程

本发明涉及一种检测方法，属于食品接触塑料材料或制品中荧光增白剂FWA199的检测领域，具体涉及一种快速检测荧光增白剂FWA199的表面增强拉曼光谱方法。

背景技术：

随着塑料工业的蓬勃发展，人们对塑料制品包括外观性能在内的各项性能要求不断提高，因此用荧光增白剂来改善着色塑料制品的外观性能已越来越受到关注。荧光增白剂(Fluorescent whitening agents，FWAs)是一种无色的荧光染料，在紫外光的照射下，可激发出蓝、紫光，与基础物质的黄光互补而具有增白的效果。迄今为止，FWAs在塑料包装材料中使用可以提高产品的白度和艳度，从而提高塑料包装材料的外观性能。尽管有限的研究表明，通过对人体健康和环境影响进行的风险评估显示FWAs在目前的使用情况下风险较小，但是由于FWAs普遍含有芳香胺基结构和苯乙烯基结构的化合物，在毒理上具有潜在的致癌性，因此，中国(GB 9685-2016)、欧盟(2002/72/EC)和美国(Code of Federal Regulations 2006)等国家都制定了允许用于生产塑料食品接触材料和制品的添加剂清单(肯定列表)，同时也规定了相关的限用量和/或特定迁移量。4，4'-双[2-(邻氰苯基)乙烯基]苯(FWA 199)作为重要的荧光增白剂之一在食品接触塑料制品中广泛应用，然而其过量添加和迁移溶出对人体健康存在着巨大的威胁(焦艳娜等，色谱，2013，31(1):83-87)。

目前，国内外对FWA 199的检测主要采用液相色谱法(汤娟等，色谱，2014，32(11):1230-1235；吴钟玲等，现代食品科技，2013，29(11):2757-2761)，上述检测方法操作较为复杂、耗时，仪器成本昂贵，且所用溶剂、流动相具有较大的毒性和腐蚀性。同时，产品质量安全和风险分析表明，目前的食品接触塑料材料或制品中FWA199迫切需要建立一种快速、原位的现场检测方法。本发明以强溶剂溶解食品接触塑料材料或制品，弱溶剂沉淀高聚物离心，微孔滤膜过滤后建立了基质复杂的食品接触塑料制品中FWA199含量的SERS快速分析方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种快速检测荧光增白剂FWA199的表面增强拉曼光谱方法。该方法在用强溶剂将目标物完全提取出来的同时，用弱溶剂将聚合物沉淀去除以避免高分子基质在SERS测试过程中的干扰，可快速地利用表面增强拉曼光谱定量分析食品接触塑料制品中FWA199含量。该方法操作简单、灵敏度高、重现性好、准确率高。

本发明所采用的技术方案为：一种快速检测荧光增白剂FWA199的表面增强拉曼光谱方法，其特征是，包括以下步骤：

(1)前处理：称取剪碎或切碎的食品接触塑料材料或制品的样品，加入强溶剂完全溶解后，加入弱溶剂沉淀高分子基体，微孔滤膜过滤，待测；

(2)表面增强试剂的制备：采用氯金酸(或其盐)溶液与柠檬酸钠水溶液进行反应，制备粒径为11nm～49nm的金溶胶；

(3)测试：将表面增强试剂与待测液按体积比2～6：1混合，离心，去除部分上清液，然后剩余部分振荡或超声混匀使纳米颗粒重新分散均匀，吸取混匀液于载体上进行表面增强拉曼光谱测试，每个样品随机采集多次；

(5)定性：经表面增强拉曼光谱测试，当633，1013，1172，1327，1537，1592cm^-1处存在明显特征拉曼峰时，则样品中存在荧光增白剂FWA199；

(6)定量：以1172cm^-1处的特征拉曼峰作为定量峰，根据荧光增白剂FWA199的拉曼光谱信号的响应强度与含量的线性比例关系得到标准曲线方程，从而对样品中的荧光增白剂FWA199进行快速定量检测。

本发明的食品接触塑料材料或制品的材质为：聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯(包括高密度聚乙烯、低密度聚乙烯等)、聚丙烯或者聚碳酸酯。

本发明步骤(1)的强溶剂为N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、乙酸乙酯或二氯甲烷，其中，针对聚苯乙烯的优选强溶剂为乙酸乙酯，针对聚氯乙烯的优选强溶剂为四氢呋喃(THF)。

本发明步骤(1)的弱溶剂为甲醇、乙腈或正己烷，其中针对聚苯乙烯或聚氯乙烯的优选溶剂为甲醇。

优选的，步骤(1)前处理：称取0.1-0.5g(精确至0.001g)剪碎或切碎的样品于100mL具塞锥形瓶中，加入3-10mL强溶剂完全溶解后，加入15-40mL弱溶剂沉淀高分子基体，经0.22μm微孔滤膜过滤，得到待测液。

优选的，步骤(2)表面增强试剂的制备：精确称取1.0000-1.5000g氯金酸或其盐，用45-50mL水配置成氯金酸或其盐溶液；精确称取0.1157-0.2314g柠檬酸钠，用5mL水配置成柠檬酸钠溶液；量取1.0-3.0mL氯金酸或其盐溶液加入精确控温110-130℃、800-1200r.p.m.恒速搅拌的100g水中，待数分钟温度稳定后，一次性快速加入1.8-4.0mL柠檬酸钠水溶液，继续搅拌反应40-60min，自然冷却至室温，阴凉避光处存放。

所述的精确控温方式为油浴或其他加热方式。

优选的，步骤(3)测试：将表面增强试剂与待测液按体积比2～6：1混合使总体积为1mL，以8000-12000r.p.m.离心8-12分钟，去除400-800μL上清液，然后剩余部分超声或震荡使纳米颗粒重新分散均匀，吸取200-400μL混匀液于载体上进行表面增强拉曼光谱测试，每个样品随机采集多次。

所述的载体为玻璃片、钛片或塑料培养基。

所述的仪器参数条件如下：拉曼光谱仪发射激光波长为785nm，固定激光功率为100-200mW，扫描范围3500～200cm^-1，积分时间为2-10s，每个点扫描5次取平均值。

本发明的有益效果：

(1)本发明对食品接触塑料制品中FWA199含量的表面增强拉曼光谱快速检测方法进行了研究，塑料样品经强溶剂溶解、弱溶剂沉淀高分子基体，在将目标物快速、完全提取出来的同时，将有机高分子聚合物沉淀去除以避免对拉曼测试的干扰；

(2)表面增强试剂与待测液混合、离心，在使疏水的目标物靠近、吸附在纳米增强颗粒表面的同时，将混合物进行浓缩以取得优化、稳定的表面增强拉曼信号；

(3)理论计算辅助标准样品拉曼测试多手段获取FWA199的标准拉曼光谱数据，以对实际样品中目标物进行准确的定性、定量检测。本发明方法简单、快速、准确，表面增强试剂成本低，便于携带、存放，可用于现场快速检测。

附图说明

图1为不同摩尔比(柠檬酸钠/Au³⁺)所得金溶胶的UV-vis光谱；

图2为不同摩尔比(柠檬酸钠/Au³⁺)所得金溶胶的HR-TEM和粒径分布图；A图为HR-TEM图，粒径依次为11、15、27和49nm；B图为粒径分布图；

图3为FWA199的分子结构优化图；

图4为FWA199的理论计算拉曼光谱和固体标准品实验拉曼光谱的比较；

图5为不同浓度(自上往下浓度分别为：1.0μM、0.5μM、0.1μM、0.07μM、0.05μM、0.03μM、0.01μM、0.007μM、0.005μM、0.003μM，溶剂DMF/甲醇)FWA199标准溶液的SERS图谱；

图6为SERS 1172cm^-1特征峰处监测FWA199的吸附曲线(3.0-1000nM)；

图7为SERS 1172cm^-1特征峰的校准曲线(3.0-70nM)；

图8为聚苯乙烯塑料样品中FWA199的SERS图谱；

图9为聚氯乙烯塑料样品中FWA199的SERS图谱。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例，实施例不应视作对本发明保护范围的限定。

1仪器与试剂

拉曼光谱仪：Ocean Optics QE65Pro拉曼光谱仪；感量为1mg、0.1mg的分析天平(瑞士梅特勒公司)；Milli-Q纯水器(美国Millipore公司)；TGL-16C离心机(上海安亭科学仪器厂)；TU-1901双光束紫外可见分光光度计(北京普析通用仪器有限责任公司)；ZNCL-S智能电磁搅拌加热器(巩义市予华仪器有限公司)；JEM-2100高分辨透射电子显微镜(日本电子株式会社)。

FWA199标准品：99.0％，德国CNW；甲醇：色谱纯(Merk公司)；乙酸乙酯：色谱纯(Merk公司)；DMF：色谱纯(Merk公司)；四水合氯金酸、二水柠檬酸三钠：分析纯(国药集团化学试剂有限公司)。

标准溶液的配制：用DMF配制1 000mg/L的FWA199标准储备溶液，使用时再用甲醇逐级稀释。

2仪器条件

激光拉曼光谱仪测定条件：激光波长785nm，激光最大强度200mW，扫描范围1800～400cm^-1，积分时间5s，积分10次。每个样品至少扫描5次，以得到准确的拉曼光谱图。

3样品前处理

称取0.25g(精确至0.001g)剪碎或切碎的聚苯乙烯塑料样品于100mL具塞锥形瓶中，加入5mL乙酸乙酯完全溶解后，加15mL甲醇沉淀，静置5分钟，上清液转移至50mL容量瓶中，沉淀再分别用5mL甲醇超声洗涤三次，合并洗涤液也转入上述容量瓶中，然后定容至50mL，过0.22μm微孔滤膜过滤，待测。

4表面增强试剂的制备

准确称取1.000g氯金酸粉末，加入少量去离子水将其溶解，再用去离子水定容至47.820g，制成金浓度为1％的氯金酸溶液。准确称取0.1157-0.2314g的柠檬酸钠固体，再用去离子水定容至5mL，制成不同浓度的柠檬酸钠溶液，柠檬酸钠溶液需要现用现配。量取1.0-3.0mL氯金酸溶液加入精确控温110-130℃、800-1200r.p.m.恒速搅拌的100g超纯水中，待数分钟温度稳定后，一次性快速加入1.8-4.0mL柠檬酸钠水溶液，继续搅拌反应40-60min，自然冷却至室温，阴凉避光处存放。配置不同粒径大小的金纳米颗粒溶胶的方法是通过控制在反应过程中加入的柠檬酸三钠的量和温度来调节金纳米颗粒溶胶的粒径大小。

5紫外-可见吸收光谱(Uv)表征

制得的纳米金颗粒溶胶的光学特性使用石英比色皿在紫外-可见分光光度计进行表征，波长扫描范围为400-800nm。

6高分辨透射电子显微镜(HRTEM)图像表征

透射电子显微镜样品制备：将一小滴溶胶滴加到覆盖有滑膜的铜网上，在不受污染的环境下任其自然干燥，然后使用透射电子显微镜表征，加速电压80kV，信号增强倍率30000X到150000X。对金属纳米颗粒的粒径大小、形状和分布情况进行直观观察。

7测试

将表面增强试剂与待测液按4:1体积比例混合(金溶胶800μL，待测液200μL)后，在10000r.p.m.下离心10min，去除600μL上清液，离心管中剩余部分放在超声仪里超声，使溶液再次混合均匀，从上述离心超声后的均匀溶液中，取约350μL于生物塑料培养基中进行SERS测试，每个样品随机采集5次。

8 FWA199拉曼光谱数据

用Gaussian W03程序对FWA199进行逐步优化并对最优结构进行拉曼频率的理论计算，得出理论特征谱图；利用拉曼光谱仪对FWA199固体标准品进行扫描，得到固体标品特征谱图。

9结果与讨论

9.1前处理条件的选择

食品接触材料及制品中有毒有害物质的提取通常采用索氏提取、超声、震荡等方式，若提取时间不充足，待检测物质提取不完全，会导致检测结果偏低。由于本研究的目标是测定(发泡)聚苯乙烯塑料中FWA199的含量而非溶出量，故采用溶解-沉淀法进行样品的前处理，在将目标物完全提取出来的同时，将聚合物沉淀去除以保护检测仪器不受污染。

查阅资料，N，N-二甲基甲酰胺(DMF)、四氢呋喃(THF)、乙酸乙酯、二氯甲烷都能溶解塑料材料，而甲醇对高分子的溶解能力很差。分别采用以上溶剂溶解聚苯乙烯塑料阳性样品，再用甲醇对溶解后的样品溶液进行沉淀。对于(发泡)聚苯乙烯样品，本专利研究发现选用乙酸乙酯/甲醇体系目标物的提取最为完全。

9.2金溶胶的表征

如图2所示，HRTEM图像非常均匀，颗粒分明，粒径为11-49nm(图2)。同时进行金溶胶的吸收光谱检测，最大吸收峰位于522-532nm处(图1)。根据文献可知，尺寸在20nm～80nm之间的金颗粒能够获得较好的SERS活性，因此本实验所制备的24nm溶胶可以达到最好的增强效果。

9.3理论拉曼光谱计算及振动模式的归属

对FWA199分子用Gaussian 03程序进行逐步优化并对最优结构进行拉曼频率的理论计算，分子结构优化结果如图3所示，计算结果文件及分子构型通过Gaussview 5观察和分析，分子结构的理论拉曼光谱计算结果校正后与固体标准品实验拉曼光谱呈现高匹配度(图4，表1)。

表1FWA199的理论拉曼光谱(DFT)和固体标准品实验拉曼光谱(NRS)主要峰的振动模式归属

9.4定性定量方法的建立以及实际样品检测

9.4.1定性检测

对FWA199的定性检测可选择它的特征峰作为鉴定标准，633，1013，1172，1327，1537，1592cm^-1处峰强度较高，所以选定以上六个峰为定性峰。

9.4.2定量检测

采用24nm金溶胶分别对一定浓度梯度(1.0μM、0.5μM、0.1μM、0.07μM、0.05μM、0.03μM、0.01μM、0.007μM、0.005μM、0.003μM)的FWA199溶液按照本实验所确定的检测方法进行SERS检测，得到图5的系列溶液SERS图谱。由结果可见，当FWA199溶液的浓度降至3.0nM时1013，1172，1537cm^-1等峰仍能看出有SERS增强峰的存在，此浓度作为方法的定量限。取1172cm^-1处的一系列SERS峰来做峰强度与FWA199浓度的吸附饱和曲线(图6)和线性关系曲线(图7)，可以得到标准曲线(y＝12918.61448x+10.37903)，R²为0.9713，线性范围为3.0-70nM。

9.4.3实际样品SERS检测与HPLC-MS/MS方法的比对

选取聚苯乙烯塑料制品作为代表性样品，进行前处理后采用SERS方法进行检测，结果如图8所示曲线，633，1013，1172，1327，1537，1592cm^-1处的SERS峰与FWA199粉末标准物质的拉曼峰基本是一致的，可以确认本发明的SERS检测出聚苯乙烯塑料中FWA199的信号。为了验证上述方法的准确性，对自制阳性塑料制品(FWA199添加量分别为1mg/kg和4mg/kg)按本发明方法进行前处理、采用液相色谱-串联质谱法对其中FWA199进行检测，比对结果见表2。

表2聚苯乙烯塑料样品的检测结果

由对比结果可以看出，SERS检测方法可以在保证准确性的前提下，节省检测时间、操作简便，相比液相色谱-串联质谱检测方法避免有机流动相的污染、节省检测成本，SERS增强试剂可低成本自制且便于携带、适用于批量样品的现场快速检测。

10.聚氯乙烯塑料制品中FWA199的SERS快速检测

采用四氢呋喃溶解聚聚氯乙烯塑料制品，其余处理步骤同1-8。

试验结果表明：经研究发现选用四氢呋喃/甲醇体系对聚氯乙烯塑料材料的提取最为完全。同时经拉曼光谱检测，如图9所示，633，1013，1172，1327，1537，1592cm^-1处存在拉曼特征峰，其中溶剂的SERS峰未干扰测定，FWA199的特征拉曼峰与固体标准品粉末的拉曼光谱一致。说明采用本发明的检测方法检测聚氯乙烯材料或制品中FWA199也是可行的。进而推断，本发明的方法可用于检测聚乙烯、高密度聚乙烯、低密度聚乙烯、聚丙烯或者聚碳酸酯材料中的FWA199。

实施例1：

聚苯乙烯自制品中FWA199的SERS快速检测

(1)样品前处理

称取0.25g(精确至0.001g)剪碎或切碎的样品于100mL具塞锥形瓶中，加入5mL乙酸乙酯完全溶解后，加15mL甲醇沉淀，静置5分钟，上清液转移至50mL容量瓶中，沉淀再分别用5mL甲醇超声洗涤三次，合并洗涤液也转入上述容量瓶中，然后定容至50mL，经0.22μm微孔滤膜过滤，待测。

(2)表面增强试剂的制备

准确称取1.000g氯金酸粉末，加入少量去离子水将其溶解，再用去离子水定容至47.820g，制成金浓度为1％的氯金酸溶液。准确称取0.1157g的柠檬酸钠固体，再用去离子水定容至5mL，制成柠檬酸钠溶液，柠檬酸钠溶液需要现用现配。量取2.0mL氯金酸溶液加入精确控温130℃、1000r.p.m.恒速搅拌的超纯水中，待数分钟温度稳定后，一次性快速加入3.0mL柠檬酸钠水溶液，继续搅拌反应50min，自然冷却至室温，阴凉避光处存放。制得粒径为24nm的金溶胶增强试剂。

(3)测试

将表面增强试剂与待测液按4:1体积比例混合(金溶胶800μL，待测液200μL)后，在10000r.p.m.下离心10min，去除600μL上清液，离心管中剩余部分放在超声仪里振荡超声，使溶液再次混合均匀，从上述离心超声后的均匀溶液中，取约350μL于生物塑料培养基中进行SERS测试，每个样品随机采集5次。

聚苯乙烯样品SERS增强图谱见图8，回收率和精密度实验结果见表2的样品1。

实施例2：

聚苯乙烯自制品中FWA199的SERS快速检测

(1)样品前处理

称取0.25g(精确至0.001g)剪碎或切碎的样品于100mL具塞锥形瓶中，加入5mL乙酸乙酯完全溶解后，加15mL甲醇沉淀，静置6分钟，上清液转移至50mL容量瓶中，沉淀再分别用5mL甲醇超声洗涤三次，合并洗涤液也转入上述容量瓶中，然后定容至50mL，过0.22μm滤膜，待测。

(2)表面增强试剂的制备

准确称取1.000g氯金酸粉末，加入少量去离子水将其溶解，再用去离子水定容至47.820g，制成金浓度为1％的氯金酸溶液。准确称取0.2341g的柠檬酸钠固体，再用去离子水定容至5mL，制成柠檬酸钠溶液，柠檬酸钠溶液需要现用现配。量取2.0mL氯金酸溶液加入精确控温110℃、1000r.p.m.恒速搅拌的超纯水中，待数分钟温度稳定后，一次性快速加入4.45mL柠檬酸钠水溶液，继续搅拌反应40min，自然冷却至室温，阴凉避光处存放。制得粒径为15nm的金溶胶增强试剂。

(3)测试

将表面增强试剂与待测液按4.1:0.9体积比例混合(金溶胶820μL，待测液180μL)后，在12000r.p.m.下离心8min，去除500μL上清液，离心管中剩余部分放在超声仪里振荡超声，使溶液再次混合均匀，从上述离心超声后的均匀溶液中，取约300μL于生物塑料培养基中进行SERS测试，每个样品随机采集5次。结果显示：633，1013，1172，1327，1537，1592cm-1处的SERS峰与FWA199粉末标准物质的拉曼峰基本是一致的，回收率和精密度实验结果见表2的样品2。