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2017-01-01快速檢測食物中重金屬與農藥─拉曼光譜
565 期
Author 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。
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。
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 shift）」，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】