2017年1月3日

快速檢測食物中重金屬與農藥─ 拉曼光譜

作者/鄭天佑(臺灣大學分子生醫影像中心博士後研究員。研究領域為電漿子的近場行為及非線性效應、太陽能電池、超解析光學顯微鏡。)



近年來層出不窮的食安風暴,使得國人越來越重視食安議題,衛教與健康資訊的普及亦促使有機蔬食蔚為風潮。走進你我都熟知的一般生鮮通路,皆可以輕易看到標示有機的蔬果陳列在貨架上販售,有機蔬食店家更如雨後春筍般林立。但是大家在採購這些有機蔬果的同時,難免會想問,這些蔬果是否真的沒有農藥以及重金屬殘留呢?是否有既快速又準確的篩檢方式來為消費者把關呢?值得慶幸的,「拉曼光譜(Raman spectroscopy)」會是一個絕佳的選擇,其具有樣品製備容易與檢測流程快速等特性,只需要微量檢體即能提供準確的分析結果。



發現拉曼光譜
拉曼光譜是根據拉曼散射(Raman scattering) 而衍生出來的光譜技術,於1928 年被印度物理學家拉曼(Chandrasekhara V. Raman)發現,這項發現讓他於1930 年獲得諾貝爾物理學獎。光與物質交互作用後,會有反射、螢光與散射等現象,其中散射光的波長與入射光的能量或波長不同稱為「拉曼散射」。由於拉曼散射的訊號遠小於螢光,因此需要高強度的入射光與高靈敏度的光偵測器才能偵測到訊號,所以在初期並沒有被廣泛地應用,1953 年才有第一套商業化的拉曼光譜儀問世,但是訊號依然十分的微弱。直到1960年雷射的發明,並且被用來當作拉曼光譜的光源,解決了入射光強度不足的問題,才改善了拉曼光譜的研究與應用。而在許多學者的努力下,於1974 年開發出表面增強型拉曼散射(Surface-enhanced Raman
Scattering, SERS),開啟拉曼光譜檢測微量濃度的時代。而第一部拉曼光譜儀結合共軛焦顯微鏡(Confocal microscopy)於1990 年開發,更將拉曼光譜儀於空間的解析度推進到繞射極限(diffraction limit),進而提升拉曼光譜為小區域的分析能力。

圖一:入射光與物質交互作用後產生雷立散射與拉曼散射。

拉曼散射原理
拉曼散射的原理是入射光與物質交互作用後會產生散射( 從基態激發到虛擬能帶),散射可以分為兩種,第一種是彈性碰撞,也就是散射光與入射光的能量或波長相同,此種散射稱為「雷立散射(Rayleigh scattering)」,並且存在於我們日常生活中,例如:天空是藍色、夕陽是紅色。第二種為非彈性碰撞,也就是散射光與入射光的能量或波長不同,散射光會獲得或者是損失物質所貢獻的能量,其中獲得能量稱為「反斯托克散射(Anti-stoke scattering)」,損失能量則稱為「斯托克散射(Stoke scattering)」,拉曼散射即為此第二種散射原理,如圖一所示。

拉曼散射的能量或波長改變與入射光的波長無關,這個能量的改變反映出物質或者是分子的振動頻率。其中同樣的分子結構,根據排列的不同會有不同的振動頻率,也代表有不同的「拉曼位移(Raman shi )」,藉由透過拉曼散射所造成的能量不同去辨別分子結構的不同,因此能分辨重金屬、農藥殘留的種類。就好像每個人的指紋不同,可以用來辨識身分,而拉曼光譜具有物質的指紋辨識功能。

蔬果篩檢
蔬果的成分組成十分的複雜,包含了纖維素、水、糖類等。如果要使用傳統的檢測方式需要準備許多繁瑣的前置作業,例如:萃取、純化等。相較之下,拉曼光譜具有許多的優勢,第一、拉曼光譜所對應的是分子結構,因此不需萃取或將樣品離子化,亦不需特別標定待測物,就可以直接辨識出蔬果中的成分。第二、細胞與蔬果主要的成分皆為水,水的拉曼訊號十分的微弱,因此測量蔬果的時候,不需要做脫水的處理,就可以直接檢測。第三、綜合前面所描述的兩個優勢,搭配適當的顯微鏡以及移動平台,可以將整個蔬果做出地圖般的辨識,確認蔬果的各個部分是否有農藥與重金屬殘留。 ......【更多內容請閱讀科學月刊第565期】

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