综述：傅里叶变换红外光谱在有毒金属分析中的新兴作用：食品安全监测的创新

《Food Safety and Risk》：Emerging roles of FTIR spectroscopy in toxic metal profiling: innovations for food safety monitoring

本综述系统阐述了傅里叶变换红外（FTIR）光谱在食品有毒金属（如Pb、Cd、Hg、As）分析中的前沿应用。文章重点探讨了FTIR通过与化学计量学（如PCA、PLS）结合、以及显微FTIR、成像FTIR等先进技术，在提升检测灵敏度、分辨率和特异性方面的创新。同时，对比了FTIR与原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）等传统方法的优劣，凸显了FTIR在样品前处理、操作效率和环境友好性方面的优势，及其在食品安全监管与质量控制框架中的巨大潜力。

　　

引言

食品来源，包括水果、蔬菜、肉类、谷物和鱼类，对人类营养至关重要。然而，由于多来源环境污染物的污染，包括有毒金属（类金属），如砷（As）、镉（Cd）、铬（Cr）、汞（Hg）、铅（Pb）、锶（Sr）、钒（V）和镍（Ni），食品安全已成为一个关键的全球性问题。工业化和城市化的快速扩张显著增加了有毒金属污染，对人类健康构成严重风险。其中，As、Pb、Cd和Hg等非必需金属（类金属）具有显著毒性，已被美国环境保护署（EPA）列为前20种有害物质。

FTIR光谱在有毒金属分析中的基础与原理

傅里叶变换红外（FTIR）光谱是一种高度适应性强、应用广泛的分析技术，用于检测和表征各种环境污染物，包括有毒金属。其通过分析样品对红外光的吸收，识别分子振动，从而揭示特定官能团的存在及其与金属离子的相互作用。FTIR光谱的核心优势在于其快速、无损和精确的分子“指纹”识别能力。虽然FTIR本身不直接量化金属浓度，但它能有效识别参与金属结合的官能团（如羧酸盐、胺基、羟基），并通过这些官能团振动频率的位移（例如，C=O键与Pb²⁺、Cd²⁺或Hg²⁺结合后向低频移动20-50 cm^-1）来间接指示金属的存在和相互作用。指纹区（400-1500 cm^-1）的金属-配体振动（如金属-氧、金属-氮、金属-硫伸缩振动）为特定金属及其氧化态提供了特征信息。

主要有毒金属在食品基体中的形态与空间分布

有毒金属的健康风险和可检测性深受其化学形态和食品基体内空间分布的影响。例如，Cd和Pb常通过根系吸收并在蔬菜内部组织积累，而Hg则多因大气沉降或加工污染存在于作物表面。金属的化学形态（如无机砷iAs、甲基汞）而非总含量，对毒性起决定性作用。FTIR检测的是金属-配体振动，因此金属的形态和结合环境直接影响光谱带的位点和强度，进而决定检测的准确性。

FTIR光谱技术的分类

FTIR光谱技术可根据相互作用模式（如透射、衰减全反射ATR、漫反射DRIFTS）、空间尺度（如常规台式、显微FTIR、纳米FTIR）、时间分辨率、样品状态（气、液、固）以及与其它技术的联用（如TGA-FTIR、GC-FTIR）等进行分类。其中，ATR-FTIR因其样品前处理简单、可直接分析固体和液体样品，在食品分析中应用尤为广泛。显微FTIR则能实现微米级的空间分辨率，适用于复杂材料的微观区域分析。

有毒金属分析中FTIR光谱的优缺点

优点：FTIR的主要优势在于快速、无损、样品前处理简单、成本较低且环境友好。结合化学计量学模型（如主成分分析PCA、偏最小二乘PLS）后，其灵敏度和定量能力显著提升。二维相关光谱（2DCOS）等高级技术还能深入揭示金属-有机相互作用机制。

缺点：FTIR对痕量金属的灵敏度相对较低，且易受复杂食品基体（如水分、有机物）的光谱干扰。它无法直接定量金属元素，通常需要与AAS、ICP-MS等技术联用进行验证。此外，光谱解析需要专业知识，校准模型的建立也依赖于大量标准样品。

用于食品产品中有毒金属分析的先进FTIR技术

ATR-FTIR技术：该技术已成功应用于检测乳制品（如牛奶、酪蛋白）中的Cd²⁺、Cr⁶⁺、Pb²⁺等金属，通过分析官能团振动模式的变化实现快速筛查。

高光谱FTIR成像：该技术将FTIR的分子特异性与高分辨率成像结合，可同时检测复杂食品基体中的多种金属污染物，实现非破坏性的空间分布分析。

与机器学习结合：支持向量机（SVM）、极限学习机（ELM）以及卷积神经网络（CNN）等算法与FTIR光谱数据结合，能有效识别金属污染“热点”并预测其浓度，大大提高了分析的准确性和效率。

FTIR在各类食品有毒金属分析中的应用

乳制品和婴儿配方奶粉：FTIR可用于监测乳制品中的有毒金属污染，例如通过检测C=O伸缩振动峰（约1740 cm^-1）的位移来识别Pb²⁺-酪蛋白复合物。其在三聚氰胺等掺假物检测中也表现出色。

谷物和豆类：FTIR能检测谷物和豆类中因金属污染导致的蛋白质和碳水化合物结构变化，适用于大批量样品的快速初筛。

肉类行业：虽然不直接用于金属检测，但FTIR可通过分析蛋白质和脂质结构的改变间接指示肉类可能受到的污染。

食用油脂：FTIR可用于监测有毒金属（如Fe³⁺）催化下的脂质过氧化（通过酯羰基峰在1745 cm^-1处的增强来判断），并结合化学计量学对金属污染进行定量分析。

FTIR与其他技术的比较分析

与原子吸收光谱（AAS）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）和X射线荧光（XRF）等技术相比，FTIR在直接元素检测的灵敏度和精度上不具优势。然而，FTIR在分析速度、样品前处理简便性、无损性、成本效益以及对分子结构信息的提供方面具有显著优势。ICP-MS虽灵敏度极高，但设备昂贵、操作复杂；AAS适用于特定元素的精准定量，但无法多元素同时分析；XRF可快速无损分析固体样品，但对痕量金属灵敏度有限。FTIR更适合作为快速筛查工具，与上述技术形成互补。

挑战与未来展望

FTIR技术在食品有毒金属分析中面临的挑战主要包括对痕量金属的灵敏度不足、复杂基体下的光谱干扰以及需要专业知识和复杂数据处理。未来发展方向包括：开发更灵敏、更便携的现场检测设备；进一步深化与人工智能（AI）和机器学习算法的融合，以构建更强大的预测模型；建立标准化检测协议以提高不同实验室间结果的可比性；以及加强与其他分析技术的联用，实现优势互补。这些进步将有力推动FTIR在保障食品安全和公共健康方面发挥更核心的作用。