基于表面增强拉曼光谱和密度泛函理论分析的五种B族维生素的快速检测

《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Rapid detection of five B vitamins based on surface-enhanced Raman spectroscopy and density functional theory analyses

维生素B检测方法研究：基于SERS-DFT联用技术的五种B族维生素定量与定性分析，检测限0.028-1.71 μg/mL，SPA-PLS和特征峰-PLS模型分别适用于B1/B6和B2/钙泛醇检测，商业维生素B1片剂验证显示测定值与标签值偏差在±10%以内，加标回收率85%-104%。

　　

李伟 Zhu|林太峰|刘梦佳|刘月|张平|王慧琴|倪成亮

北京工业大学化学与生命科学学院，北京 100124，中华人民共和国

摘要

在本研究中，使用表面增强拉曼光谱（SERS）结合胶体金纳米粒子，并通过密度泛函理论（DFT）分析，检测了五种B族维生素（维生素B₁、维生素B₂、维生素B₆、烟酰胺和泛酸钙）。这些维生素的检测限分别为：维生素B₁ 0.028 μg/mL，维生素B₂ 0.31 μg/mL，维生素B₆ 1.71 μg/mL，烟酰胺 0.102 μg/mL，泛酸钙 0.397 μg/mL。对于定性分析，采用了主成分分析-线性判别分析（PCA-PLS）和正交偏最小二乘（O-PLS）-判别分析模型，预测准确率达到98%。定量分析则使用了序贯投影算法（SPA-PLS）和特征峰-PLS模型。结果表明，SPA-PLS模型在维生素B₁和B₆的定量分析中表现更为出色，其预测集相关系数（Rp）分别为0.959和0.962，相对预测偏差（RPD）分别为3.191和3.471。而特征峰-PLS模型更适用于维生素B₂和泛酸钙的分析，相应的Rp值分别为0.953和0.974，RPD分别为3.833和3.3667。基于烟酰胺在1030 cm^?1处的特征峰，建立了一个定量模型，其Rp值为0.943，RPD为2.989。以市售维生素B₁片剂为例，通过SERS技术检测其含量，发现三个样品的B₁含量均在标示值的90%至110%之间。在添加已知量的维生素B₁后的回收实验中，回收率介于85%至104%之间。

引言

B族维生素是水溶性维生素家族中的重要成员，在维持人体生理功能方面起着关键作用[1]。它们参与多种代谢过程，包括碳水化合物、脂质和蛋白质的代谢，以及神经系统、皮肤系统和血液系统的维护[2]。

随着健康意识的提高，医药和膳食补充剂中对B族维生素的需求显著增加。然而，市场上相关产品的质量参差不齐，因此可靠的检测方法对于质量控制和消费者安全至关重要。传统的B族维生素检测方法，如高效液相色谱（HPLC）[3]、微生物学检测、酶联免疫吸附测定（ELISA）[4]、毛细管电泳（CE）[5]、分光光度法和电化学[6]等，虽然各有优势，但也存在明显的局限性，例如设备成本高、检测时间长、操作程序复杂或需要专业知识，这些因素限制了它们在快速检测B族维生素中的应用[7]。表面增强拉曼光谱（SERS）[8]是一种对表面敏感的光谱技术，具有简单、快速和高灵敏度的特点，已广泛应用于食品安全[9]、环境监测[10]、生物医学[11][12]等领域。SERS技术的出现为B族维生素的检测提供了新的途径。SERS基于拉曼散射原理，当分子吸附在具有特定纳米结构的金属表面（如金或银纳米粒子）上时，其拉曼信号会显著增强（通常增强10[4]到10[8]倍）[13]。在不同金属基底和激发条件下，已报道出B族维生素的可重复诊断谱带。对于硫胺素（B₁），在金胶体上747–760 cm^?1处的嘧啶环振动峰会随pH值变化而移动，提供了一个稳健的光谱标志[14]。比较金（Au）和银（Ag）基底发现，金通常能保持与传统拉曼光谱相似的谱型，而银则可能因与分子吸附几何结构的相互作用而改变峰强度[15]。对于核黄素（B₂），在大约1156 cm^?1和1340–1345 cm^?1处可以稳定检测到其特征振动模式。信号增强的程度主要取决于激发波长与局域表面等离子体共振（LSPR）的对齐情况，这解释了不同激光源和纳米结构下光谱强度的变化[16]。在含有B₂和B₁₂的复杂基质中检测B族维生素也展示了该方法的实际应用性[8]。此外，《Spectrochimica Acta A》中系统汇编了B族维生素的其他振动峰位置及其归属，与已建立的参考峰一致[17]。在金丝印电极上进行电化学SERS测量时，可在多组分混合物中检测到B₃在1028–1029 cm^?1处的特征峰，以及B₆在1218 cm^?1处的特征峰，从而支持定量分析和光谱解卷积[18]。

利用密度泛函理论（DFT）[19][20]可以系统研究维生素分子在表面基底上的吸附状态及SERS的机制。将SERS与DFT结合使用，可以全面阐明分子吸附、与金属表面相互作用的官能团、电子结构变化以及SERS光谱特性之间的内在关联[21]。本研究通过DFT分析辅助获得了五种B族维生素的标准SERS光谱，从而建立了一种快速、准确、灵敏且经济高效的检测方法，以满足市场对这些化合物质量监控的迫切需求。

材料与方法

采用先前描述的方法制备了粒径约为60 nm的胶体金纳米粒子（AuNPs）。盐酸（HCl）和氢氧化钠（NaOH）购自北京化工厂。维生素B₁盐酸盐标准品（纯度98%）、维生素B₂标准品（纯度98%）、维生素B₆盐酸盐标准品（纯度98%）、烟酰胺标准品（纯度98%）和泛酸钙标准品（纯度98%）购自北京百灵威公司；

五种B族维生素的光谱分析结果

如图1所示，五种B族维生素的SERS光谱与通过DFT计算得到的理论光谱和固体粉末光谱相比存在系统性频率偏移。通过应用校正因子调整理论值后，发现保留了晶格振动相关原始散射信息的固体标准品拉曼光谱，可以作为连接理论光谱与SERS光谱的桥梁

结论

本研究开发了一种基于SERS的快速B族维生素检测方法。通过优化金纳米粒子基底的协同增强策略（利用DFT分析），实现了对维生素B₁、维生素B₂、维生素B₆、烟酰胺和泛酸钙的高灵敏度检测。检测限范围为0.028至1.710 μg/mL，并能准确归属分子振动模式。理论计算与实验光谱的系统性比较表明

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。