基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于光学检测技术领域，特别涉及到基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置及检测方法。

背景技术

AFB1，即黄曲霉毒素B1，是一种真菌毒素，常见于培养物和食品中，是已知的化学物质中致癌性最强的一种，溶于甲醇、氯仿、丙酮和乙腈。AFB1对人体的危害性主要体现在破坏人的肝脏组织，甚至会导致肝癌。谷物在运输或储存过程中因为潮湿等因素可能滋生出AFB1，进而污染以谷物为生产原料的食品或饮料，例如啤酒。AFB1化学性质稳定，在啤酒中不会随时间分解，给食品安全带来巨大的隐患，因此研究啤酒中AFB1的检测技术非常重要。

目前基于荧光光谱的直接检测啤酒样品中AFB1的检测方法是单光子荧光光谱检测法，利用波长较短的紫外光照射样品激发AFB1，发出波长较长的荧光，再由光谱仪读取荧光光谱数据，实现对样品中AFB1的定量检测。但是啤酒中成分复杂，其中氨基酸、B族维生素等物质均会在紫外光激发下产生荧光信号，它们的存在使检测的准确率降低，尤其是B族维生素，其吸收波段与发射波段与AFB1重叠较大，会对AFB1的荧光信号造成严重干扰，影响检测结果，详见表1：VB2、VB6及AFB1的单光子荧光特征。

表1：VB2、VB6及AFB1的单光子荧光特征

双光子荧光是基态荧光分子或原子同时吸收两个光子激发至激发态，辐射出频率略小于两倍入射光频率的荧光光子。双光子跃迁具有很强的选择激发性，有利于排除荧光背景的干扰，实现准确的检测。

啤酒中的荧光物质主要包括氨基酸和B族维生素，其中氨基酸的双光子吸收波段主要是绿光(532nm)，而AFB1的双光子吸收峰波长为红光(730nm)，因此在730nm激发双光子荧光系统中，氨基酸不发射荧光，不会影响到AFB1的检测。B族维生素吸收波段与发射波段与AFB1有部分重叠，但从发射光谱来看，VB2和AFB1重叠部分很小，因此很容易与AFB1的光谱区分开，对检测结果影响不大；而VB6的最大激发波长约700nm，在730nm的飞秒激光激发下，其双光子吸收截面会下降约2个数量级，所产生的背景荧光强度很小，因此对检测结果影响也非常有限。VB2、VB6及AFB1的双光子荧光特征详见表2，三种物质的发射光谱见附图1。

表2：VB2、VB6及AFB1的双光子荧光特征

发明内容

基于啤酒的组分特点及双光子荧光的技术特征，本发明提出基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置及检测方法，具有检出准确率高的优点。为实现以上检测目的，本发明采用如下技术方案：

基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置，包括飞秒激光系统、可变分束器、耦合物镜、2×2单模光纤耦合器、带通滤光器、光纤光谱仪和锥形微纳光纤。飞秒激光系统发出的激光经过可变分束器调节强度，经由耦合物镜耦合进入2×2单模光纤耦合器，通过锥形微纳光纤照射到啤酒或模型样品中，激发出样品中AFB1的双光子荧光，双光子荧光信号通过锥形微纳光纤收集，经过带通滤光器传输至光纤光谱仪，分析荧光信号中AFB1特征峰强度，即可获得啤酒中AFB1的浓度，由于双光子荧光信号能排除啤酒中的其它物质的荧光背景影响，因此具有更高的识别度和准确性。

基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测方法，本检测方法是基于双光子荧光强度与激发光强度之间的关系建立的，AFB1的双光子荧光强度可以表示为：

其中，K为无量纲常数，φ为荧光量子效率，N为荧光团数密度(AFB1的浓度较低时，N与浓度成正比关系)，δ为双光子吸收横截面，L为样品通光长度，I为激发光强度。

从公式(1)可以看到，检测条件不变的情况下，F随N的增大而增大，即双光子荧光强度随AFB1的浓度增加而增大，即双光子荧光强度能够反映产生特征波长荧光的物质浓度。

测试方法分为两步，首先利用已知浓度的模型样品建立AFB1特征波长处双光子荧光强度与AFB1浓度的标准对照曲线；然后在相同条件下(温度、光环境等)测试得到待检啤酒样品的双光子荧光光谱，通过读取待检啤酒样品光谱中AFB1特征波长的强度并与已获得的标准对照曲线比较，即可获得啤酒样品中AFB1的浓度，实现定量检测。

本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提出的基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置中锥形微纳光纤能够增加接收端与液体样品作用面积，双光子荧光信号收集效率高；

本发明提出的基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置，能够消除啤酒中荧光背景的影响，有选择性地激发AFB1的双光子荧光，检测结果更准确；

本发明提出的基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测方法中双光子荧光强度与激发光强度成二次关系，而单光子荧光强度与激发光强度是线性关系，因此采用双光子荧光的检测方法可以有效地增大信噪比，减少误判；

本发明提出的基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测方法中采用波长较长的光作为激发光源，受散射影响较小，更容易穿透液体样品，荧光的激发效率更高。

附图说明

图1是VB2、VB6和AFB1的归一化双光子荧光发射光谱图。

图2是本发明所述基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。

参见附图2，飞秒激光系统(1)发出的激光经过可变分束器(2)调节强度，经由耦合物镜(3)耦合进入2×2单模光纤耦合器(4)，通过锥形微纳光纤(7)照射到啤酒或模型样品中，激发出样品中AFB1的双光子荧光，双光子荧光信号通过锥形微纳光纤(7)收集，经过带通滤光器(5)传输至光纤光谱仪(6)，分析荧光信号中AFB1特征峰强度，即可获得啤酒中AFB1的浓度，由于双光子荧光信号能排除啤酒中的其它物质的荧光背景影响，因此具有更高的识别度和准确性。

实施例1，用去离子水稀释AFB1标准液得到适宜浓度的AFB1溶液备用、取30份等量已检合格的啤酒样品备用。将AFB1溶液由少到多依次加入啤酒样品中，配制出10个浓度组、每组3份的已知浓度的模型样品；利用所述装置检测模型样品的双光子荧光光谱，在AFB1特征波长处读取荧光强度，以3份相同样品的强度均值建立双光子荧光强度与AFB1浓度的标准对照曲线；然后在相同条件下(温度、光环境等)测试得到待检啤酒样品的双光子荧光光谱，通过读取待检啤酒样品光谱中AFB1特征波长的强度并与已获得的标准对照曲线比较，即可获得啤酒样品中AFB1的浓度，实现定量检测。

实施例2，由文献已知AFB1的双光子荧光光谱与溶剂的种类基本无关但与溶剂的PH值有关。本实施例采用以下步骤：检测待检啤酒样品的PH值，配置50％甲醇/去离子水溶液，用0.1M的HCl或0.1M的NaOH调节甲醇/去离子水溶液的PH和啤酒样品相同作为模型溶剂；用去离子水稀释AFB1标准液得到适宜浓度的AFB1溶液；取至少30份等量的模型溶剂，将AFB1溶液有少到多依次加入模型溶剂，分别计算并记录相应的AFB1浓度，配制10个浓度组，每组3份溶液作为模型样品；利用所述装置检测不同AFB1浓度的模型样品对应的AFB1特征波长的双光子荧光强度，用计算机作出双光子荧光强度与AFB1浓度的标准对照曲线；然后在相同条件下(温度、光环境等)测试得到待检啤酒样品的双光子荧光光谱，通过读取待检啤酒样品光谱中AFB1特征波长的强度并与已获得的标准对照曲线比较，即可获得啤酒样品中AFB1的浓度，实现定量检测。