基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置及检测方法与流程

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
1.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：

2.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。
3.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的单光子荧光特征物质vb2vb6afb1吸收波长范围200nm
‑
500nm200nm
‑
350nm200nm
‑
400nm吸收峰波长275nm、225nm、375nm、450nm288nm225nm、263nm、365nm发射波长范围460nm
‑
650nm350nm
‑
500nm380nm
‑
550nm发射峰波长530nm390nm430nm
4.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。
5.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的双光子荧光特征物质vb2vb6afb1
吸收峰波长700nm
‑
800nm700nm730nm发射波长范围460nm
‑
650nm350nm
‑
500nm380nm
‑
550nm最大发射波长530nm390nm430nm


技术实现要素：

6.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：
7.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。
8.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：
[0009][0010]
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。
[0011]
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。
[0012]
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。
[0013]
本发明具有以下有益的技术效果：
[0014]
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；
[0015]
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；
[0016]
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；
[0017]
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
[0018]
图1是vb2、vb6和afb1的归一化双光子荧光发射光谱图。
[0019]
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
[0020]
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。
[0021]
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。
[0022]
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。
[0023]
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。

技术特征：
1.基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测装置及检测方法，其特征在于：包括飞秒激光系统(1)、可变分束器(2)、耦合物镜(3)、2
×
2单模光纤耦合器(4)、带通滤光器(5)、光纤光谱仪(6)和锥形微纳光纤(7)；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，双光子荧光信号被锥形微纳光纤(7)收集，经过带通滤光器(5)传输至光纤光谱仪(6)，分析双光子荧光信号中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。2.根据权利要求1所述的基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测装置，其特征在于：所述飞秒激光系统(1)的中心波长为730nm，输出光功率不小于200mw，脉冲宽度不大于150fs。3.根据权利要求1所述的基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测装置，其特征在于：所述可变分束器(2)由可旋转零级半波片和激光线偏振分束立方构成，能够连续调节透射偏振光的分光比，消光比>3000:1，工作波段为710
‑
750nm。4.根据权利要求1所述的基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测装置，其特征在于：所述耦合物镜(3)为10倍物镜，数值孔径为0.25。5.根据权利要求1所述的基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测装置，其特征在于：所述2
×
2单模光纤耦合器(4)的耦合比为50:50，纤芯直径为3.5μm，包层直径为125μm，单模耦合工作波段包含730nm，并在430nm波长低损耗传光。6.根据权利要求1所述的基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测装置，其特征在于：所述带通滤光器(5)为截止波长650nm的短波通过滤光器。7.根据权利要求1所述的基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测装置，其特征在于：所述光纤光谱仪(6)的光学分辨率为0.02nm，光谱范围为200
‑
1100nm。8.根据权利要求1所述的基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测装置，其特征在于：所述锥形微纳光纤(7)由单模光纤制成，光纤纤芯直径为3.5μm，包层直径为125μm，拉锥区长度为2mm。9.根据权利要求1所述的基于双光子荧光的啤酒中的afb1检测方法，其特征在于：首先配制不少于10个浓度组，每组不少于3份的已知浓度的模型样品，利用模型样品组的双光子荧光光谱，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。
技术总结
本发明公开了基于双光子荧光的啤酒中的AFB1检测装置及检测方法，包括飞秒激光系统、可变分束器、耦合物镜、2


技术研发人员：陈慧芳 闫明明
受保护的技术使用者：中国计量大学
技术研发日：2021.04.23
技术公布日：2021/6/25