柑橘多甲氧基黄酮类化学结构与生物活性的SERS同时识别研究

SERS (Surface-enhanced Raman scattering) is known as a technique that enhances Raman scattering by molecules adsorbed on rough metal surfaces or nanostructures, and has been widely and successfully used in the field of food safety inspection due to its high sensitivity and simple operation. However, SERS has not been successfully applied to characterization of bioactive food components in complex food matrix. It is important to have better SERS characterization of bioactive food components in terms of both their chemical structures and bioactivities, which will greatly improve the analytical function and inspection efficacy. This project is aimed to establish a highly efficient SERS-based characterization system for polymethoxyflavones (a unique class of bioactive citrus-derived components). This will be achieved by establishing high quality substrate to enhance SERS signal and sensitivity, and by improving the identification efficiency in complex food matrix by coupling SERS with other separation techniques such as TLC. The project will establish the relationship between SERS spectra and bioactivities of polymethoxyflavones, which will be based on an in-depth systematical analysis of SERS spectra, chemical structures, and bioactivities of polymethoxyflavones. Successful completion of this project will provide important knowledge for rapid and effective identification and characterization of bioactive food components in terms of their chemical structures and bioactivities. It will also provide a novel application of SERS in food analysis and inspection.

表面增强拉曼光谱（SERS）是基于分析物在贵金属等纳米材料上的拉曼散射信号显著增强的原理，因其灵敏度高、操作简便、可现场检测等突出特点，已成功应用于食品安全检测领域。然而，该技术对食品功效成分（生物活性物质）检测的研究尚未起步，而创新性地利用SERS实现食品活性物质化学结构和生物活性的同时识别，必将极大地增强SERS检测功能、提高检测效率。本项目以柑橘来源热点活性物质多甲氧基黄酮（PMFs）为研究对象，通过构建优质SERS基底并与薄层色谱技术联用，建立对PMFs高灵敏度、高检出率的SERS分析方法。通过阐明SERS分析结果与PMFs化学结构特征的关系，结合定量构效关系研究，进一步揭示SERS分析结果与生物活性之间的相关规律。该研究为SERS高效实现食品活性物质的化学结构、生物活性的同时识别提供重要的理论基础和实验依据，对推动SERS在食品检测领域的创新性应用有着重要的科学意义。

本项目按照申请计划书的既定内容，成功完成了预期的研究目标。取得的具体研究成果如下：（1）首先以川陈皮素为例考察PMFs的SERS检测条件，确定最佳检测条件为：激光器波长514 nm，扫描时间10 s，功率3.0 mW，银枝状纳米颗粒基底的反应时间20 s。同时，另外两种PMFS（羟基化多甲氧基黄酮和全甲氧基黄酮）对检测条件的响应行为基本一致，通过系列条件的优化，完善了多甲氧基黄酮SERS检测方法，不仅为后续建立系统的系列多甲氧基黄酮SERS检测方法提供参考，也为进一步扩大和推动SERS技术在食品检测中的应用和发展奠定基础。（2）系统考察了12种PMFs在不同洗脱体系下的TLC分离效果，最终确定在2D-TLC洗脱条件（二氯甲烷/甲醇20:1和石油醚/丙酮6:4）下的分离效果最好，12种PMFs全部得到良好分离，同时进一步与SERS技术联用，实现多种PMFs的同时分离和检测，为食品复杂基质中功效成分的高效提取、分离和检测奠定基础。（3）对9种柑橘来源功效成分进行SERS检测及系统谱图分析，结合相关数据计算构建可识别柑橘功效成分化学结构的SERS条形码；结合抗氧化活性测试结果，建立SERS条形码特征峰与生物活性的关系，赋予SERS条形码识别生物活性的能力，从而采用SERS条形码实现柑橘功效成分化学结构和生物活性的同时识别。另外，SERS条形码在柑橘功效成分定量分析中也具有很大的潜力，在20-200 ppm浓度范围内，特征峰对应的条形码宽度与浓度呈现良好的线性关系，且具有较高的灵敏度，川陈皮素类似物的LOQ值低至40 ng，而橘皮素类似物、橙皮苷、辛弗林和β-胡萝卜素的LOQ值低至60 ng。创新性地利用SERS技术实现食品中功效成分化学结构和生物活性的同时识别，极大地增强了 SERS 技术的食品功效成分检测功能，提高检测效率，同时若与适当分离技术联用，将极大促进SERS技术在食品复杂基质中快速、方便、高效检测功效成分中的应用。相关研究成果以通讯作者或者第一作者发表论文13篇，其中SCI 8篇，EI论文5篇；申请国家专利7项，授权2项。