荧光及共振光散射技术对某些食品添加剂的检测及反应机理研究

摘要

食品安全是大事，涉及人们身体健康、生命安全和社会稳定。调查显示，我国部分省市的许多餐饮业存在食品添加剂违规违法案例，具体表现为:1）食品添加剂的超标、超范围使用;2）添加非食品级添加剂，出现食品添加剂质量不合格，品质差;3）使用非食品添加剂，如苏丹红。近几年，食品安全成为困扰民生的一个头疼问题，出现了诸如“苏丹红事件”、“三聚氰胺事件”、“染色馒头事件”等重大食品安全事件，引发了社会忧虑情绪。由于食品添加剂种类多，添加范围广，产品组成复杂。方便快速、灵敏度高、选择性好、准确度好、重现性好的科学检测出食品添加剂的类别、用量是一个不小的挑战。本论文主要以某些食品添加剂为主要研究对象，包括有合法和非法使用的食品着色剂:如柠檬黄(tartrazine，Tz)、日落黄(sunsetyellowFCF，SY)及苏丹红Ⅰ-Ⅳ(SudanⅠ-Ⅳ)等。同时为了研究的需要，也选择了非食品用有机染料亚甲基蓝(methyleneblue，MB)做对比研究。以这些物质作为对象，用荧光技术、共振光散射技术建立相应的测试方法;选择非法食品添加剂三聚氰胺(melamine)，研究其与磷酸盐的聚沉反应特点及反应机理;选择食品添加剂没食子酸(gallicacid)，研究其与高聚物聚乙烯亚胺(ethyleneiminepolymer，PEI)在强碱条件下的反应特点及反应机理。本文主要研究内容和成果如下:
　　 1.基于荧光共振能量转移的快速高灵敏检测食品中的着色剂偶氮染料柠檬黄
　　 建立了一种基于吸附竞争反应的快速、高灵敏度测定食品着色剂Tz的荧光分析方法。强荧光探针fluorescein(Fl)，能被还原态石墨烯(rGO)吸附生成Fl/rGO加合物并发生荧光共振能量转移（FRET），其荧光能被显著猝灭。加入Tz后，发生竞争吸附反应，将Fl从其Fl/rGO加合物中置换出来，使荧光得到恢复。建立了Tz的荧光分析方法。在优化条件下，测定Tz时的一元线性回归方程为FEETz=0.0159cTz+0.0554;标准曲线的相关系数(R2)为0.9955;检出限（3σ/斜率）为0.53ngmL-1。该方法用于实际样品的测定，结果令人满意。
　　 2.基于荧光素/还原态石墨烯加合物的快速高灵敏检测有机染料通用分析方法研究
　　 建立了一种基于吸附竞争反应的快速、高灵敏度测定有机染料的通用荧光分析方法。强荧光探针Fl，能被rGO吸附生成Fl/rGO加合物并发生FRET，其荧光能被显著猝灭。实验证明，不仅阴离子染料SY，而且阳离子染料MB都能与Fl/rGO加合物发生竞争吸附反应，将Fl从其Fl/rGO加合物中置换出来，使荧光得到恢复。从而建立起有机染料的通用荧光分析方法。在优化条件下，测定SY、MB时的一元线性回归方程分别为FEESY=0.0142cSY-0.0427和FEEMB=0.0192cMB-0.3103;检出限（3σ/斜率）分别为1.03ngmL-1和1.15ngmL-1。该方法用于实际样品的测定，结果令人满意。
　　 3.基于配体置换反应超灵敏选择性荧光检测苏丹红Ⅰ、Ⅲ
　　 建立了一种基于配体置换反应的高灵敏度选择性测定SudanⅠ、Ⅲ的荧光分析方法。强荧光探针钙黄绿素(calcein)，能与Cu(Ⅱ)反应生成Cu(Ⅱ)-calcein配合物，其荧光能被Cu(Ⅱ)显著猝灭。加入SudanⅠ、Ⅲ后，发生配体置换反应，将calcein从其Cu(Ⅱ)-calcein配合物置换出来，使荧光得到恢复。实验发现，SudanⅠ、Ⅲ能同等程度地恢复Cu(Ⅱ)-calcein配合物的荧光。但是SudanⅡ、Ⅳ因为具有2-甲基位阻的作用，不能和Cu(Ⅱ)-calcein配合物发生配体置换反应，即不能使Cu(Ⅱ)-calcein配合物的荧光恢复。从而实现了对SudanⅠ、Ⅲ进行个别地检测或是对其总量的检测，并且不会受到SudanⅡ、Ⅳ的干扰。在优化条件下，测定SudanⅠ、Ⅲ时的一元线性回归方程分别为FEEsudanⅠ=0.0032cSudanⅠ-0.02613和FEEsudanⅢ=0.0033cSudanⅢ-0.02467;标准曲线的相关系数（R2）分别为0.9984和0.9955;检出限（3σ/斜率）分别为211.3和208.5pmolL-1。该方法用于实际样品的测定，结果令人满意。
　　 4.苏丹红Ⅰ-Ⅳ与[Cu(NH3)4]2+离子的反应机理研究及分析应用
　　 研究了SudanⅠ-Ⅳ在含氨溶液中与[Cu(NH3)4]2+相互作用机理及分析应用。实验发现SudanⅡ和[Cu(NH3)4]2+反应产生了极强的共振光散射信号，而SudanⅠ、Ⅲ、Ⅳ却没有出现明显的共振光散射变化信号。分析了SudanⅠ-Ⅳ在含氨溶液中与[Cu(NH3)4]2+相互作用机理。紫外光谱、红外光谱、XRD-粉末衍射等分析表明，SudanⅠ、Ⅲ与[Cu(NH3)4]2+生成了稳定的螯合物，而SudanⅡ、Ⅳ与[Cu(NH3)4]2+形成了离子缔合物。这种不同的结果是由于SudanⅡ、Ⅳ存在2-甲基，产生了空间位阻效应，影响了它与中心离子铜的配位，所以只能通过静电引力形成离子缔合物。实验并优化了以[Cu(NH3)4]2+为探针的测定SudanⅡ的实验条件，在优化条件下，测定SudanⅡ时的一元线性回归方程为△IRLS=1488.6c-82.2（c，μgmL-1）;检出限（3σ/斜率）为2.1ngmL-1。该方法用于实际样品的测定，结果令人满意。
　　 5.pH诱导的三聚氰胺与磷酸盐聚沉反应机理研究
　　 应用共振光散射、X-单晶衍射、X-粉末衍射、傅里叶变换红外光谱以及紫外-可见光谱分析等手段系统地研究了pH诱导的三聚氰胺(Mel)与磷酸盐(Ps)聚沉反应机理。在实验条件下，三聚氰胺磷酸盐组成为2HMel+·HPO42-·3H2O，各组成成分间通过静电引力、氢键及π-π堆积作用组成了稳定的三聚氰胺磷酸盐。实验表明三聚氰胺与磷酸盐聚沉反应高度依赖于pH。pH的改变直接影响到Mel、Hmel+的组成比，从而改变其氢键及电性作用力，进而影响到三聚氰胺与磷酸盐聚沉与溶解。研究发现，聚沉过程中，三聚氰胺质子化有两种方式，发展和丰富了Peschar关于三聚氰胺磷酸盐质子转移观点，为三聚氰胺磷酸盐质子转移观点提供了有力的实验支撑。
　　 6.强碱性条件下没食子酸和聚乙烯亚胺主客体包合反应机理研究
　　 详细研究了在强碱性条件下(pH12.22)，没食子酸与聚乙烯亚胺(PEI)形成主客体包合物的荧光光谱和吸收光谱。研究发现，没食子酸与PEI发生主客体包合作用生成具有荧光增强的主客体包合物。初步探讨了反应机理:在强碱条件下，没食子酸与PEI发生相互作用，并逐步地进入到PEI疏水性空腔形成组成比为1:1的没食子酸-PEI主客体包合物。根据包合物吸收光谱，证明了没食子酸在包合物中主要以对位醌式没食子酸离子形式存在，体系显淡黄色。在含有邻位醌式没食子酸的自氧化产物中加入PEI，橙红色的邻位醌式没食子酸会快速地向淡黄色对位醌式没食子酸转化，随后形成没食子酸-PEI主客体包合物。本研究说明没食子酸自氧化速率在PEI中能得到了有效地缓阻，PEI对没食子酸具有一定的保护作用，主客体包合物在相当长的时间里不会发生进一步地氧化。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 食品添加剂的定义、分类、作用及安全

1．1．1 食品添加剂的定义

1．1．2 食品添加剂的分类

1．1．3 食品添加剂的作用

1．1．4 食品添加剂的安全风险

1．1．5 化学分析工作者的任务

1．2 常见的食品添加剂分析方法

1．2．1 色谱法及其联用方法

1．2．2 电化学分析法

1．2．3 毛细管电泳分析法

1．2．4 紫外一可见分光光度法

1．2．5 近红外漫反射光谱

1．2．6 光声光谱法

1．2．7 电喷雾质谱法

1．2．8 酶联免疫分析法

1．2．9 流动注射化学发光法

1．2．10 荧光分析法

1．2．11 共振光散射法

1．3 荧光和共振光散射分析技术和方法

1．3．1 荧光、荧光分析技术和方法

1．3．2 共振光散射及其分析技术

1．4 本论文研究目的、意义和内容

1．4．1 研究目的和内容

1．4．2 研究意义

参考文献

第二章 基于荧光共振能量转移的快速高灵敏检测食品着色剂偶氮染料柠檬黄

2．1 引言

2．2 实验部分

2．2．1 仪器与试剂

2．2．2 实验方法

2．3 结果与讨论

2．3．1 石墨烯的表征

2．3．2 荧光探针设计

2．3．3 荧光探针验证

2．3．4 荧光探针优化

2．3．5 方法的灵敏度

2．3．6 方法的选择性

2．3．7 分析应用

2．4 小结

参考文献

第三章 基于荧光素-还原态石墨烯加合物的快速高灵敏检测有机染料通用分析方法研究

3．1 引言

3．2 实验部分

3．2．1 仪器与试剂

3．2．2 实验方法

3．3 结果与讨论

3．3．1 荧光探针设计

3．3．2 荧光探针验证

3．3．3 荧光探针优化

3．3．4 方法的灵敏度

3．3．5 方法的选择性

3．3．6 分析应用

3．4 小结

参考文献

第四章 基于配体置换反应超灵敏选择性荧光检测苏丹红Ⅰ、Ⅲ

4．1 引言

4．2 实验部分

4．2．1 仪器与试剂

4．2．2 实验方法

4．3 结果与讨论

4．3．1 荧光探针验证

4．3．2 荧光探针优化

4．3．3 方法的灵敏度

4．3．4 方法的选择性

4．3．5 分析应用

4．4 小结

参考文献

第五章 苏丹红Ⅰ-Ⅳ与[Cu(NH3)4]2+离子反应机理研究及分析应用

5．1 引言

5．2 实验部分

5．2．1 仪器与试剂

5．2．2 实验方法

5．3 结果与讨论

5．3．1 共振光散射光谱特点

5．3．2 测定条件的优化

5．3．3 方法的灵敏度

5．3．4 方法的选择性

5．3．5 分析应用

5．4 表征及反应机理

5．4．1 苏丹红-NH3-[Cu(NH3)4]2+溶液的吸收光谱

5．4．2 SD1-4的熔点测定

5．4．3 SD1-4的红外光谱

5．4．4 SD1-4的XRD-粉末衍射

5．4．5 可能的反应机理

5．5 小结

参考文献

第六章 pH诱导的三聚氰胺与磷酸盐聚沉反应机理研究

6．1 引言

6．2 实验部分

6．2．1 仪器与试剂

6．2．2 实验方法

6．3 结果与讨论

6．3．1 pH诱导的三聚氰胺与磷酸盐可逆聚沉反应

6．3．2 三聚氰胺磷酸盐的表征

6．3．3 三聚氰胺与磷酸盐聚沉反应的共振光散射特点

6．3．4 三聚氰胺与磷酸盐聚沉反应的共振光散射动力学特点

6．3．5 pH与三聚氰胺磷酸盐聚沉反应的速率

6．4 可能的反应机理

6．5 小结

参考文献

第七章 强碱性条件下没食子酸和聚乙烯亚胺的主客体包合反应机理研究

7．1 引言

7．2 实验部分

7．2．1 仪器与试剂

7．2．2 实验方法

7．3 结果与讨论

7．3．1 没食于酸、PEI及其主客体包合物的荧光性质

7．3．2 没食于酸、PEI及其主客体包合物的吸收光谱性质

7．3．3 可能的反应机理

7．4 小结

参考文献

第八章 全文总结及展望

8．1 主要结论

8．2 主要创新点

8．3 不足之处

8．4 研究展望

致谢

攻读博士学位期间发表的学术论文目录