時間分辨熒光技術在食品品質檢測中的應用

陳 暉，祁興普,2，郭 麗，李 峰，陸道禮，陳 斌,*

（1.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300；3.江蘇大學附屬醫院，江蘇 鎮江 212001）

時間分辨熒光技術在食品品質檢測中的應用

陳 暉1，祁興普1,2，郭 麗1，李 峰3，陸道禮1，陳 斌1,*

（1.江蘇大學食品與生物工程學院，江蘇 鎮江 212013；2.江蘇農牧科技職業學院，江蘇 泰州 225300；3.江蘇大學附屬醫院，江蘇 鎮江 212001）

時間分辨熒光技術是一種較新的檢測技術，在食品品質檢測領域有諸多應用。本文簡述了時間分辨熒光技術的基本原理及特點，指出該技術進行的是熒光發射的動態性測量，可以獲得熒光發射過程的細節信息。在此基礎上綜述了時間分辨熒光技術在食品品質分析中的應用，并提出其在食用植物油品質分析中的應用方案，最后展望了時間分辨熒光技術在食品品質檢測領域的應用前景。

時間分辨熒光；動態測量；品質分析；植物油

時間分辨光譜的方法原理[1]是英國化學家、諾貝爾化學獎獲得者George Porter勛爵在1951年發展的“閃光光解”技術上建立的，該技術是通過記錄光譜隨時間的變化了解瞬時過程中被檢測體系的信息[2]。時間分辨熒光技術（time-resolved fl uorescence technique，TRF）是時間分辨光譜技術中的一種，是基于跟蹤監測激發態分子進行輻射弛豫所發射的熒光隨時間的變化，研究分子狀態、結構的微觀動態學的一種常用方法，其主要特點是在時間尺度下考察熒光發射的各種特性參數的變化及其影響因素，檢測的不是疊加在高強度探測光背景上的吸收強度微小變化，而是將分子體系在某一瞬間所發射的熒光信號在“零背景”的條件下進行監測[2]。隨著儀器技術的進步，TRF已實現飛秒級的時間分辨檢測。無論是食品中有毒有害物質檢測，還是食品成分因子分析，或者是食品種類的鑒別，TRF都是一種靈敏度高、快速準確、識別率高的檢測方法[3]。

本文對TRF的基本原理和特點進行了綜合分析，綜述了TRF在食品品質檢測中的應用情況，以此為基礎提出了該技術在食用植物油品質分析中的應用方案，最后對該技術在食品品質檢測領域的應用進行了展望。

1 時間分辨熒光技術

1.1 時間分辨熒光技術原理

TRF是在傳統熒光技術上結合光脈沖技術和微弱、瞬變光信號檢測技術發展起來的一項新興技術[2]。該技術的基本原理是：以一個持續時間Δtp（遠小于某一分子熒光過程的脈沖光）激發該分子，在經過一定時間延遲后，用光信號檢測器檢測該熒光信號在不同波長處的分布Iti（λ1，λ2，…，λn），即可獲得該激發態分子在此瞬間的結構、形態信息；經過不同的時間延遲后，逐步監測這一激發態分子在特定波長λi處光譜信號在不同時間的強度變化Iλi（Δt1，Δt2，…，Δtn），獲得有關激發態分子隨時間演變的微觀步驟信息[2]。

1.2 時間分辨熒光儀的關鍵模塊和光子分布直方圖

熒光測量技術可以粗分為穩態熒光測量和時間分辨（瞬態）熒光測量，時間分辨熒光的時間尺度和穩態熒光空間尺度是二者的本質區別。為實現時間尺度下的熒光測量，時間分辨熒光儀架構中引入了很多復雜模塊，時間分辨熒光儀的架構如圖1所示。

圖1 時間分辨計光譜儀架構Fig. 1 Schematic of time-resolved fl uorescence technique

相較于穩態熒光儀的連續高壓激發，時間分辨熒光儀的激發模塊在激發上采用低壓脈沖激發以獲得低噪聲背景的熒光，且脈沖頻率對時間分辨率影響較大[2]。光電探測器模塊中，條紋攝像管的應用使時間分辨熒光儀可以同時記錄熒光信號在不同波長、不同時間的分布，實現了空間尺度和時間尺度下熒光信號模式的表征。信號再生模塊用于從光電探測器中傳出的含有大量噪聲的光電子信號中提取出微弱的目標信號，并通過統計整理，還原出目標分子的熒光發射分布，其中光子計數技術應用較多[2]。其啟發思想源于1905年愛因斯坦的一篇劃時代學術論文[4]，其核心思想為：光的測量，無論信號的形式如何，測量結果所代表的都是在給定時間內檢測到的光子數[5]。因此時間分辨測量中，通過光子計數技術可以得到時間微元中的光子數，經過多次脈沖激發和統計整理形成光子分布直方圖，該直方圖經模型擬合得到熒光衰減曲線，從擬合模型中可獲得熒光壽命等參數。

光子分布直方圖是概率統計譜，每個時間通道中的光子數代表的是在該時刻時光子的發射概率而并非光強，但可理解為該時刻下的概率光強，是時間尺度下發射概率的度量，與常規光譜區別很大。激發器以脈沖形式激發熒光分子產生熒光，熒光到達光電探測器后轉換為光電子，光電子經過鑒別器篩選出目標單光子脈沖光信號，單光子脈沖信號根據其發射延遲時間被相應的時間通道記錄，該通道檢測到的光子數加1，即光子在該延遲時刻上的發射概率增加。經過多個脈沖周期后，以每個通道中光子數為縱坐標，時間為橫坐標統計整理形成光子計數直方圖[6-14]，直方圖經擬合形成熒光衰變譜。熒光衰變譜的形成如圖2所示[5]。

圖2 熒光衰變譜形成原理Fig. 2 Formation mechanism of fl uorescence-decay spectrum

1.3 熒光發射的動態性測量

激發態熒光分子可以通過輻射躍遷和無輻射躍遷返回基態，包括熒光發射在內，這兩類能量轉移方式有7 種具體途徑[15-17]，其能量轉移關系如圖3所示。

圖3 激發態分子能量轉移途徑及關系Fig. 3 Pathways and relationships of excited-state molecular energy transformation

分子被激發后，能量通過上述途徑轉移使得分子返回基態。TRF利用時間微元將熒光發射過程在時間尺度上“切分”后進行分析，而穩態熒光反映的是熒光發射過程的最終結果，因此TRF分析的是熒光能量的動態變化。

1.4 熒光壽命和時間分辨熒光的檢測優勢

1.4.1 熒光壽命

熒光壽命是TRF的主要測量參數之一，反映分子熒光概率發射的中值位置，是指分子被激發后，熒光強度降到激發時最大強度的1/e所需的時間，是分子的本征性質之一[18]。如果激發態熒光分子本身沒有發生變化且沒有與環境發生相互作用，它將從S1激發態返回到基態并發射光子，此時測得的熒光壽命為本征熒光壽命τn；如果分子本身發生變化或者與環境發生相互作用則會導致熒光壽命發生改變，其他因素對熒光壽命的影響也應該計算在內，而這些因素因為增加激發態分子以其他途徑轉移能量的幾率，所以通常會降低表觀熒光壽命，因此實際的熒光壽命測量通常指在特定的環境條件下的表觀熒光壽命，且表觀熒光壽命τ比本征熒光壽命τn要短[5]。

簡單熒光分子的表觀熒光壽命受輻射衰減常數和非輻射衰減常數的影響，計算公式如式（1）[18]。

式中：τ為表觀熒光壽命/s；kr和knr分別為輻射衰減常數和非輻射衰減常數/s－1[18]。輻射衰減常數kr表明了分子的本征熒光發射性質，非輻射衰減常數knr則可以代表所有其他因素對熒光壽命造成的影響。

分子的熒光壽命是該分子的本征性質之一，但是其熒光壽命數值的確定卻是通過儀器檢測然后通過數學計算獲得的。在某種熒光素熒光壽命數值的確定中，該熒光素單分子的熒光壽命是通過檢測該分子集團總體的熒光壽命，然后通過數學計算獲得。熒光壽命的數學推導過程也可以證實這一點[18]。假設有N0個熒光素分子到達了激發態，那么該分子基團熒光強度隨時間t的衰減速率可用方程（2）表示[18]。

式中：Nt為某一時刻處于激發態的分子數[18]。在t＝0時，N＝N0，lg N＝lg N0，通過計算可得到式（3）。

因為表觀熒光壽命定義式為1/τ＝kr+knr，且在t＝τ時，N＝N0/e，因此熒光壽命可以理解為激發態熒光分子基團濃度下降到1/e時所需要的時間[18]。雖然熒光壽命是分子的本征性質，但是結合熒光壽命的數學推導式和儀器的檢測限等實際因素考慮，有如下推斷：如果單位體積熒光素分子數遠小于激發脈沖所能激發的最大熒光分子數，那么測量時間將大大增長，更極端的情況就是無法獲得熒光壽命。因此雖然認為熒光壽命幾乎不受分子濃度影響，但是實際測量時卻必須考慮分子濃度。

由1.3節可知，熒光發射、延遲熒光發射、磷光、系間跨越和振動弛豫與熒光分子的能級狀態有關，而環境熱力學性質的改變對已激發分子能級狀態的改變會造成影響，從而影響分子的熒光壽命；外轉移是熒光分子與環境分子相互作用產生的效應，因此溶劑分子的理化性質和其對環境性質產生的影響也必然會傳遞到分子的熒光壽命上。

綜上所述，在分子構造不發生改變的情況下，熒光分子所處的特定環境性質會對熒光分子構象、熒光分子之間或之內的電子分布、熒光分子與其他溶劑分子之間的相互作用造成影響，從而改變非輻射衰減常數knr，因而會造成計算出的表觀熒光壽命τ的不同，利用這一點可以進行某種熒光分子在特定環境條件下的熒光壽命研究，從而反映該分子的所處環境的性質。以熒光壽命為參數，通過能量變化敏感的時間分辨熒光測量研究體系的性質變化，是當下研究的熱點，也是食品有關檢測應用中值得研究的方向。

1.4.2 時間分辨熒光的檢測優勢

穩態熒光測量和瞬態熒光測量之間要區分一個重要關系，即一個穩態熒光強度觀測是一系列瞬態熒光發射在一定時間內的疊加，疊加后瞬態發射細節被平均。一個簡單的公式可以幫助理解穩態熒光強度和瞬態熒光強度之間的關系。假設某分子的熒光瞬態光強度可以用單指數模型表示（It＝I0e－t/τ），則其穩態熒光強度和瞬態光強度的關系如式（4）所示[19]。

式中：ISS為穩態熒光強度；I0為分子被激發后的瞬態熒光強度，與熒光分子濃度和儀器參數有關；τ為衰減時間；t為時間變量[19]。

式（4）表明穩態熒光強度是各個瞬態熒光強度的積分，從而體現穩態熒光測量無法實現對熒光發射的瞬態監測，這會導致時間平均效應的產生[19]。因時間尺度的缺乏，穩態熒光測量中分子熒光的發射模式細節信息因時間平均效應丟失。

時間平均效應造成的穩態熒光測量信息損失可以通過2 個例子理解。例一：熒光探針的表觀熒光壽命和其綁定的分子構象有關。通過時間分辨熒光測量可以區分出因分子構象不同造成的表觀壽命差異，進而確定分子不同構象的存在，而通過穩態熒光測量只能得到一段時間內熒光發射強度的積分值，因此無法確定分子是否存在不同構象。例二：假設肽鏈上有2 個色氨酸殘基，其中一個處于肽鏈的伸展結構中，另一個處于肽鏈的折疊結構中，因為二者所處的微環境不同會造成表觀熒光壽命的不同，因此通過時間分辨熒光測量可以體現出這種區別，而2 個色氨酸殘基結構一致，經過時間平均效應作用后，二者的穩態熒光測量中熒光強度和峰形并沒有明顯區別[20-23]。這2 個例子說明瞬態熒光測量可以獲得微時間尺度上熒光分子本身和微環境的信息，而穩態熒光測量則因時間平均效應丟失了發射的細節信息。

另外，基于強度的穩態熒光測量由于熒光分子的不均一性、光漂白作用或者光電子漂移等作用，會導致分析物濃度和其他因素（如溫度和pH值）造成穩態熒光測量不準確。熒光壽命受熒光分子濃度的影響較小，因此以熒光壽命替換熒光強度作為檢測指標獲得了廣泛的關注[24]，而TRF正是這種替換實現的方法。

熒光現象多發生在納秒級，這正好是分子運動所發生的時間尺度。因此利用分辨率為納秒級的TRF可以監測到許多復雜的分子間作用過程，例如超分子體系中分子間的簇集、固液界面上吸附態高分子的構象重排、蛋白質高級結構的變化等。目前，TRF非常成熟，時間分辨率從納秒級到皮秒級的時間分辨熒光儀都有較成熟的產品，這些不同級別的時間分辨熒光儀為不同程度研究食品分子的動態過程、互作機制和生產加工中的檢測應用研究等領域提供了技術保障。綜上分析表明，TRF在食品分子的檢測研究中必將得到廣泛應用。

2 時間分辨熒光技術在食品檢測領域中的應用

TRF在食品檢測領域有很多應用，例如食品成分分析、真菌及其毒素、農藥殘留的檢測等。作為一種檢測技術，TRF還通過和其他技術聯用以提高檢測靈敏度、檢測限等指標，例如TRF結合熒光探針技術檢測蛋白質構象的轉變，TRF與聚合酶鏈式反應（polymerase chain reaction，PCR）技術相結合用于檢測食品中特異的靶DNA序列[25]。

2.1 時間分辨熒光技術在食品成分分析中的應用

Apperson等[26]運用時間分辨各項異性熒光光譜技術對啤酒中親水性蛋白的構象進行了研究，結果表明親水性蛋白的半徑約為3.5 nm，指出啤酒中的熒光胺可作為啤酒中蛋白含量的標志，并說明熒光壽命可以表征不同工藝階段啤酒的特性。Lemos等[27]對4 種加工工藝下的紫薯活性物質進行時間分辨熒光分析，結果表明紫薯加工工藝影響熒光發射性質，并且長波發射段的變化反映了其中花青素的變化。

Ding Fei等[28]用穩態熒光和TRF證實了人血清蛋白-黃酮苷復合物的形成是由于色氨酸的減少造成的，并通過熒光壽命的研究指出該復合物的形成屬于靜態機制。Qi等[29]應用TRF研究了果膠對乳球蛋白的結構和熱穩定性的影響。結果表明，熒光壽命參數可以很好地體現乳球蛋白結構的變化。Ma Ji等[30]通過TRF研究了3,7-二羥黃酮對人血清白蛋白的影響，結果表明隨著3,7-二羥黃酮濃度的上升，人血清白蛋白的平均熒光壽命從5.68 ns降低到了4.35 ns，說明“環境分子”對熒光素熒光壽命影響較大。Basu等[31]研究了食品著色劑酒石黃對人體血紅蛋白的毒理作用，指出人體血紅蛋白在酒石黃作用下存在著色不足的情況，酒石黃的存在改變了血紅蛋白中色氨酸的微環境，而TRF檢測到了色氨酸微環境的改變。

Takahashi等[32]用時間分辨熒光各向異性技術證實了苦瓜胰蛋白酶中色氨酸殘基擺動的自由度受到了抑制劑的影響。Faria等[33]運用時間分辨熒光發射譜進行了單線態氧對微膠囊中類胡蘿卜素和生育酚衍生物的熒光猝滅效應的研究，表明激發態分子形成是瞬時的，并且其熒光衰減速率比單體分子快很多。

上述研究范圍涉及食品加工領域檢測、食品生物分子互作機制研究和外界刺激對食品生物分子作用的研究。這些TRF的研究應用，表明其是一種頗有前途的技術方法。某些研究僅停留在熒光現象-分子現象的關聯階段，其中的作用機制仍需要進一步分析，TRF的潛力有待發揮。目前，越來越多的學者應用TRF對食品生物分子進行研究，TRF必將在這一領域得到充分發展。

2.2 時間分辨熒光技術在食品污染檢測中的應用

2.2.1 時間分辨熒光技術在食品中真菌及其毒素檢測中的應用

Tu Shui等[34]應用時間分辨免疫熒光技術對雞蛋中的沙門氏菌進行了檢測，檢測靈敏度達到了1 CFU/50 g，檢測時間由原來的20 h縮短到了5 h。Majdinasab等[35]應用時間分辨熒光結合免疫層析技術對食品中的赭曲霉素A進行了檢測，表明該方法的靈敏度比免疫層析法高。Rasch等[36]對谷物中黃曲霉毒素進行TRF應用研究，結果表明TRF可以去除高強度的背景光，提高毒素檢測靈敏度。Cohen等[37]應用時間分辨福斯特共振能量轉移免疫熒光技術建立了一種一步檢測鼠疫桿菌、炭疽桿菌、肉毒桿菌毒素的方法，該方法比酶聯免疫技術簡便、耗時少，實現了食品中3 種污染菌的高效快速檢測。Huang Yunkun等[38]建立了一種基于競爭性猝滅原理的TRF檢測食品中蓖麻毒素的方法，該方法和酶聯免疫技術相比相關性更好，并且被認為是一個靈敏度高、可靠和方便的檢測技術，在其他檢測上也能夠實現很好的應用。

2.2.2 時間分辨熒光技術在食品農藥殘留檢測中的應用

Leivo等[39]應用TRF結合熒光免疫法對牛奶中氟喹諾酮檢測，其線性范圍為0.2～68.0 μg/L，并指出這種檢測方法可以進一步優化以實現各種牛奶樣品中氟喹諾酮的檢測。Zhou Bin[40]應用時間分辨熒光免疫技術建立了檢測食品中恩諾沙星污染的方法，其靈敏度很高，檢測限為0.01 ng/mL；該方法在鰻魚、豬肉和雞肉中的檢測限為1 μg/kg，在蜂蜜中的檢測限為1 μg/L。該方法和酶聯免疫技術在鰻魚恩諾沙星的檢測中一致性很高，是可信度很高的技術，并指出該技術是一個簡便、靈敏度高、經濟的技術，適用于大批樣品的氟喹諾酮類污染的檢測。Shi Haiyan等[41]建立了雙標簽時間分辨免疫熒光技術在食品中同時檢測對硫磷和吡蟲啉的應用。通過熒光標簽標記以上兩種農殘，可以實現這兩種農殘的高靈敏度檢測，并在大米、西紅柿、大白菜上實現了成功應用。Ma Zhihong等[42]建立了一種非直接競爭性時間分辨熒光免疫分析方法，該法在谷物食品中玉米烯酮類毒素的檢測中得到了良好應用，檢測限達到了0.2 ng/mL，且該方法的效果在10 個玉米和6 個小麥樣本中得到了驗證。

以上研究表明，TRF對食品中污染分子的檢測大多采用和熒光標記技術聯用的形式。通過標記，提高了檢測針對性，通過高靈敏度的TRF應用，提高了檢測限，這一研究思路仍可為后續的研究提供借鑒。通過TRF和分離、純化、標記等技術聯用后，可以擴展TRF在食品污染檢測中應用范圍，研究深度也將大大提高。

3 時間分辨熒光技術在食用植物油檢測中的應用

食用植物油中含有熒光物質，這些熒光物質有內源和外源之分。內源熒光物質主要有葉綠素、類胡蘿卜素、酚類等，外源熒光物質有苯并芘等氧化產物，黃曲霉毒素等毒素，油脂貯運、制取過程中的農藥等殘留物[43]。食用油中這些外源和內源熒光物質的存在為TRF的應用奠定了物質基礎。

根據目標分析物的來源，TRF對食用植物油的檢測有2 種應用方案。方案一：熒光來自外源熒光素，檢測時植物油中會出現新的熒光壽命值，借此可分析食用植物油是否遭到了污染。方案二：熒光來自內源熒光素，檢測其熒光壽命可以反映食用植物油的品質信息；也可通過時間分辨熒光發射測量，獲得食用植物油的“指紋”譜，并借此區分不同種類的食用植物油。

Mu Taotao等[44]運用時間分辨熒光強度衰變譜結合等高線圖對9 種食用植物油進行了種類鑒別。結果表明，這9 種食用植物油可以被100%區分。同時該研究指出時間分辨熒光強度衰變譜結合等高線圖對食用油進行種類鑒別是一種辨識率高、辨識速率快的技術，辨識結果可靠準確方法。

Navarra等[45]運用TRF對特級初榨橄欖油的抗氧化性進行了研究。結果表明，橄欖油中葉綠素的熒光壽命隨熱氧化過程成中黏度的上升而上升。由此可知，通過內源熒光分子葉綠素熒光壽命的測量，可以一定程度上反映植物油熱氧化情況。

綜上所述，TRF在食用植物油品種識別和反映食用植物油品質信息方面的應用是可行的，但是因為食用植物油是混合體系，其中熒光素種類多、熒光素存在狀態不明晰等原因，其識別和反映狀態信息的機理、具體的分析方法尚待研究。筆者相信，通過食用植物油的時間分辨熒光測量，可以從一種新的角度對食用植物油進行解析，獲得對食用植物油性質的深刻理解，從而為處理食用植物油摻假和品質評價等問題提供強有力的技術支持和理論解釋。

4 結 語

TRF在食品檢測中的應用方興未艾。應用TRF可從分子水平獲取食品的狀態信息，為食品成分分析、食品污染檢測和食品摻雜確定提供有力的技術支持。隨著儀器技術的發展和檢測理論研究的深入，TRF在食品品質檢測領域將會得到廣泛應用。

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Time-Resolved Fluorescence Technique and Its Application in Food Quality Detection

CHEN Hui1, QI Xingpu1,2, GUO Li1, LI Feng3, LU Daoli1, CHEN Bin1,*
(1. School of Food and Biological Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang 212013, China; 2. Jiangsu Agri-Animal Husbandry Vocational College, Taizhou 225300, China; 3. Aff i liated Hospital of Jiangsu University, Zhenjiang 212001, China)

Time-resolved fluorescence technique is a relatively new technique that has many applications in the field of food quality detection. This review outlines the principle and features of time-resolved fluorescence technique, and pointed out that this technique allows dynamic measurement of fluorescence emission to obtain detailed information. Moreover, its applications in food quality analysis are also summarized and some strategies for its application are put forward for quality analysis of vegetable oil. At last, we conclude with some perspectives on the future application of time-resolved fl uorescence technique in the fi eld of food quality detection.

time-resolved fl uorescence technique; dynamic measurement; quality analysis; vegetable oil

10.7506/spkx1002-6630-201715040

TS207.7

A

1002-6630（2017）15-0250-06

陳暉, 祁興普, 郭麗, 等. 時間分辨熒光技術在食品品質檢測中的應用[J]. 食品科學, 2017, 38(15): 250-255.

DOI:10.7506/spkx1002-6630-201715040. http://www.spkx.net.cn

CHEN Hui, QI Xingpu, GUO Li, et al. Time-resolved fl uorescence technique and its application in food quality detection[J]. Food Science, 2017, 38(15): 250-255. (in Chinese with English abstract) DOI:10.7506/spkx1002-6630-201715040. http://www.spkx.net.cn

2016-08-08

國家自然科學基金面上項目（31271874）

陳暉（1988—），男，博士，研究方向為食品品質光學檢測。E-mail：greatlodge@hotmail.com

*通信作者：陳斌（1960—），男，教授，博士，研究方向為食品品質無損檢測。E-mail：ncp@ujs.edu.cn