Анализ тригонеллина для определения качества кофе с помощью портативного рамановского спектрометра

ИЮН162017

Авторы: Angeline Saldaña Ramos, Yulán Hernandez, Betty C. Galarreta; Отдел наук химической секции Папского католического университета, Перу

Контроль качества продуктов питания является ключевой задачей пищевой промышленности, которая требует быстрые, эффективные и избирательные методы, способные различать продукты, обнаруживать подделки и фальсификаты и определять содержание некоторых биомаркеров в рамках конкретных условий хранения. Учитывая все выше перечисленные аспекты, рамановская спектроскопия (спектроскопия комбинационного рассеяния), совместно с металлическими наноструктурами, является мощным методом, который может быть использован при анализе пищевых продуктов.

Рамановская спектроскопия, усиленная поверхностью (SERS), – это технология, которая использует оптические свойства наноструктур благородных металлов (частицы серебра, золота, т.п.) для усиления сигналов молекул вещества, адсорбированных на данных наноструктурах (SERS-подложки). Различные вариации материалов, геометрии и размеров наночастиц позволяют улучшать их свойства усиления.

Данное достижение используется во многих областях, в том числе и в разработке новых избирательных датчиков с более низкими пределами обнаружения пищевых метаболитов, что позволяет адаптировать их под потребности сельскохозяйственной деятельности и промышленности. В добавление, использование SERS-подложек позволяет сократить время проведения анализа и требует меньшее количество исследуемого вещества.

В данной статье приведен пример того, как портативный рамановский спектрометр i-Raman Plus (с длиной волны возбуждения 785 нм) может использоваться с модифицированными золотыми SERS-подложками для разработки альтернативного метода определения тригонеллина.

Данный алкалоид представляет собой биомаркер, присутствующий в различных продуктах питания, таких как кофе и киноа (квиноа). Наличие именно этого алкалоида в кофе обуславливает его запах при обжарке потому, как при термической обработке тригонеллин превращается в пиридин. Например, одна чашка кофе, приготовленного в турке или кофеварке, может содержать порядка 2.3 миллимоль тригонеллина, а одно зеленое кофейное зерно содержит примерно 30 – 65 микромоль данного вещества – именно эти значения и являются показателем качества кофе и могут быть проверены с помощью установки, описанной выше.

Золотые наночастицы были модифицированы с помощью меркаптопропионовой кислоты до нанопирамидок. С помощью такой структуры и определялась концентрация тригонеллина в различных растворах. Наночастицы были оптимизированы до такой степени, чтобы лучше всего усиливать сигналы комбинационного рассеяния в диапазоне 700 – 800 нм. Калибровочные кривые были подготовлены за счет использования области вблизи пика на 1034 см^-1, а затем проведено их сравнение со спектрами, полученными с помощью традиционной рамановской спектроскопии. Результаты показали преимущества использования новой технологии и потенциал метода для количественного определения тригонеллина в продуктах питания.

Эксперимент

Во время проведения измерений использовался портативный рамановский спектрометр i-Raman Plus с длиной волны возбуждения 785 нм (модель BWS465-785H) с рабочим диапазоном 150 – 2800 см^-1 и держатель кювет для жидких образцов с длиной оптического пути 10 мм (модель BCR100-A) компании B&W Tek Inc. Сбор спектра от образцов выполнялся в течение 50 секунд при усреднении по 10 измерениям. В качестве образцов использовались стандартные водные растворы тригонеллина с концентрацией в диапазоне от 0.5 миллимоль до 10 миллимоль. SERS-подложки представляли собой золотые нанопирамидки, полученные с помощью модификации меркаптопропионовой кислотой и взвешенные в деионизированной воде (AuNTs).

Результаты измерений

Раствор тригонеллина с концентрацией 250 миллимоль был проанализирован с помощью обычной рамановской спектроскопии. На рис. 1 представлен спектр с интенсивным пиком на 1034 см^-1, который соответствует кольцевому полносимметричному валентному колебанию пиридина. Данный пик может использоваться для контроля концентрации данного компонента в водном растворе.

Рис. 1. Рамановский спектр раствора тригонеллина (250 миллимоль).

Далее были измерены четыре независимых набора в пяти различных концентрациях (от 0.5 миллимоль до 10 миллимоль) с помощью обычной рамановской спектроскопии и метода SERS. Следует отметить, что метод SERS требует дополнительный этап пробоподготовки перед измерением, где модифицированные наночастицы золота смешиваются с растворами тригонеллина («тригонеллин : наночастицы» = «15 : 2»). В каждом из опытов наблюдался интенсивный пик на 1034 см^-1, а область 1010 – 1045 см^-1 вблизи данного пика использовалась для определения концентрации алкалоида.

На основании полученного результата и калибровочных кривых (см. рис. 2) было возможно наблюдать улучшение отношения сигнал/шум для спектров SERS над спектрами, полученными стандартными методами (в обоих случаях условия измерений были одинаковы). Также данные результаты показывают, что возможно определение концентраций тригонеллина менее 0.5 миллимоль с использованием данного метода.

Рис. 2. Рамановские спектры растворов тригонеллина без усиления (слева) и с усилением за счет золотых наночастиц (справа).

Дополнительные вставки в правых верхних углах отображают калибровочные кривые растворов тригонеллина с использованием пика на 1034 см^-1 и области 1010 – 1045 см^-1.

Заключение

В данной статье был описан простой метод количественного анализа тригонеллина в водных растворах с использованием SERS технологии как инструмента, который потенциально мог бы улучшить процесс контроля качества пищевых продуктов, таких как кофе и киноа.

Подробные характеристики портативного рамановского спектрометра i-Raman Plus

Ссылки

1. Galarreta, B.C.; Hernandez, Y.; Saldaña Ramos, A. “Síntesis y aplicación de nanotriángulos de oro en el desarrollo de un método de cuantificación de un potencial alcaloide terapéutico: la trigonelina” Dirección de Gestión de la Investigación (DGI-2016-352) PUCP.
2. Galarreta, B.C.; Maruenda, H. “Espectroscopía vibracional y de resonancia magnética nuclear en el control de calidad de café orgánico peruano y café instantáneo” Dirección de Gestión de la Investigación (DGI-2014-078) PUCP.
3. Aroca, R. “Surface-enhanced vibrational spectroscopy” JohnWiley& Sons, 2016.
4. Jaworska, A.; Malek, K.; Marzec, K.M.; Baranska, M. “Nicotinamide and trigonelline studied with surface-enhanced FT-Raman spectroscopy” Vibrational Spectroscopy (2012) 63,469-476.