Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) based detection schemes for food analysis

Radu, Andreea - Ioana GND

The development of food industry over the last century broadened the range of available food products and increased the awareness of society regarding the importance of a healthy diet. As a direct consequence of this, norms and regulation regarding the composition of different products were formulated and are enforced. Still, different food products have a very short shelf-life (i.e. fruits and vegetable) and accordingly, their analysis should be performed in a time and price effective way, while maintaining a high standard for the quality and reliability of the analysis. The current gold standard analytical technique for most of the food products is high performance liquid chromatography (HPLC) combined with different detection schemes such as UV-Vis spectroscopy, fluorescence spectroscopy or mass spectrometry. There are, however, analytes where HPLC-based measurements encounter difficulties and research is still needed in order to overcome these. For those molecules, analysis based on biological assays are applied as reference analytical method. The objective of the present thesis was to investigate the applicability of surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) for the analysis of food products. In order to evaluate the potential and limitations of SERS toward these applications, the thesis is divided in two parts. First, different SERS-active substrates were tested and characterized in order to decide on the best-suited substrate for the development of the analytical procedure. While doing this, the substrates’ homogeneity and not their enhancement properties was prioritized. This is thoughtfully discussed in the first part of the results section of the thesis. Second, two selected applications, with increasing degree of complexity, were developed. In both situations a complete analytical procedure is introduced, starting from a thoughtfully understanding of the molecules fingerprint and ending with the measurements and analysis of food extracts. In the first application the tested food product was a market-available fortified cereal and in the second application, different garden-grown tomatoes were analyzed.

Neben der stetig wachsenden Lebensmittelindustrie und dem damit verbundenen Anstieg der Vielfalt von Lebensmitteln, erhöhte sich in der jüngeren Geschichte auch das Bewusstsein für eine gesunde Ernährung in der Bevölkerung. Dies führte zur Formulierung von Normen und Vorschriften, die die Zusammensetzung unterschiedlicher Produkte festlegt. Um deren Einhaltung zu überwachen, werden kostengünstige und, unter dem Gesichtspunkt der kurzen Haltbarkeit vieler Lebensmittel, schnelle analytische Methoden benötigt. Dabei muss die Methode dennoch hohen Qualitätsstandards genügen und zuverlässige Resultate liefern. Der derzeitige Goldstandard zur analytischen Untersuchung von Lebensmitteln ist die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (englisch high performance liquid chromatography, HPLC) in Kombination mit unterschiedlichen Detektionsmethoden, wie der UV-Vis-Spektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie oder Massenspektrometrie. Für gewisse Analyte sind die Ergebnisse HPLC-basierter Messungen allerdings nicht aussagekräftig genug und weiterer Forschungsaufwand ist vonnöten, um dort Fortschritte zu erzielen. Daher sind für diese Fälle nach wie vor biologische Assays der Goldstandard. Die vorliegenden Arbeit beschäftigt sich mit der Frage nach der Anwendbarkeit der oberflächenverstärkten Raman-Spektroskopie (englisch surface enhanced Raman spectroscopy, SERS) zur Untersuchung von Lebensmitteln. Um das Potential von SERS diesbezüglich beurteilen zu können, wurde die Arbeit in zwei wesentliche Abschnitte unterteilt. Zuerst wurden unterschiedliche SERS-aktive Substrate getestet und charakterisiert, um das geeignetste Substrat zur Analyse von Lebensmitteln zu finden. Hier lag der Fokus allen voran auf der Homogenität der Substrate und weniger auf deren Verstärkungseigenschaften. Auf dieses Vorgehen wird zu Beginn des Ergebnisteils ausführlich eingegangen. Anschließend wurden zwei konkrete Applikationen, mit steigender Komplexität, entwickelt. Das erste Anwendungsbeispiel bezieht sich auf angereicherte Cornflakes, die auf dem Markt frei erhältlich sind. Tomaten aus Gartenanbau wurden als zweite Applikation untersucht. Beginnend mit der Bestimmung des molekularen Fingerabdrucks, bis hin zur Messung von Lebensmittelextrakten und der Datenanalyse, werden hierfür vollständige Analyseverfahren vorgestellt.

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Radu, Andreea: Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) based detection schemes for food analysis. Jena 2016.

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