随着现代保鲜工艺的发展,储存食品药品常用的方法有使用抗氧化剂、防腐剂、定期进行灭菌处理等,这些方法因有害化学药品的加入引起残留和危害,或因保存工艺的需要引起原料的性质发生改变。自20世纪以来,人们利用 γ辐射形成了辐射灭菌与保鲜新工艺,这种新型方法由电离辐射产生灭菌作用,保鲜效果明显,对食品、药品主要成分无污染破坏作用,处理简单、安全高效,具有很多突出优点,成为辐射应用的重要组成部分。但是 γ射线具有很高的能量,可引起环境辐射污染,对人体造成辐射损伤,对 γ射线的监测已经成为卫生检测的重要内容,对于辐照装置的管理,我国出台了 γ辐照装置的辐射防护与安全规范（GB 10252—2009）。用于农用新鲜菜的辐照剂量通常在1.5kGy以下,就可产生阻止发芽、抑制后熟达到延长保质期的效果。经过近60年的发展,辐射技术在食品卫生学和农业科技领域得到广泛应用,研究适合于此范围的辐射剂量计有较好的现实意义和使用价值。

常用于辐射场剂量标定的方法有重铬酸银光度法,以及近年来开发的利用变色薄膜、固体热释光技术、电离室等测定。以上方法中,变色薄膜和变色玻璃可根据辐射剂量大小发生颜色改变,存在稳定性不佳而影响准确度；热释光和电离室等需要配备专门的测定设备,不便于采样和携带。因此研究一种易于携带、检测方法简单、成本较低,适用于农用辐射的剂量计有着重要的实际价值。

在前期的实验中,我们发现抗坏血酸和盐酸硫胺可用于测定较高辐射剂量的应用。研究显示辐射剂量与维生素的浓度间呈现较好的线性定量关系。本研究中进一步对维生素类物质和受辐射浓度进行了筛选优化；分别比较了盐酸硫胺、核黄素和烟酸用于 γ辐射剂量计的特点；开发出了更加适用于较低辐射剂量检测的剂量计。

SPD-M20A二极管阵列高效液相色谱仪（日本Shimadzu公司）；INOVA磁共振分析仪（美国Varian公司）；PB-20（PB-S）酸度计（德国Starious公司）；KQ2200超声波清洗器（昆山市超声仪器有限公司）。盐酸硫胺、核黄素、烟酸为色谱纯度试剂（购自Aladin公司）；醋酸钠,醋酸,盐酸,磷酸二氢钾,为分析纯试剂；甲醇和乙腈,均为色谱纯。放射源： ⁶⁰Co放射源,源强度5.5×10 ¹⁵Bq（湖南省辐射技术应用研究中心）。

维生素类分为水溶类和脂溶类,应用于现场分析时,用于溶解脂溶类物质的有机溶剂容易挥发且本身易受到辐射影响,使维生素的检测准确度降低,因此选用了水溶性维生素。关于水的辐射机制前人进行了大量的研究：

辐射引发水产生的·OH、H ₂O ₂,具有较强的氧化特性,对受辐射物质产生氧化破坏作用,这是辐射影响维生素含量的理论基础。

水溶性维生素包括B族维生素和维生素C,比较研究发现,检测较低辐射剂量时,必须选用低浓度的维生素类溶液,由于维生素C浓度较小时,水解性增大,含量不稳定,适用性下降。因此本实验选择了B族维生素中的核黄素（Riboflavin；RF）、盐酸硫胺（Thiamine hydrochloride；TH）和烟酸（Nicotinic acid；NA）进行了比较研究,三种维生素的化学性质如表3-7所示。

首先配制用于采样的维生素溶液。由于核黄素溶解度较小,当浓度高于0.05mg/ml时,溶液出现明显不溶物。因此,在浓度选择上,使用了0.05mg/ml以及0.025mg/ml两个不同浓度；前期实验发现2kGy辐射条件下,盐酸硫胺浓度0.05mg/ml时,受辐射后其含量有较明显的变化,随着剂量的增高,硫胺素分子受到破坏,降解严重。为精确定量,所采用的盐酸硫胺溶液浓度应在0.05mg/ml以下。本研究中选用了0.05mg/ml和0.02mg/ml两个浓度；烟酸的水溶性较好,化学性质稳定,溶液呈无色透明状。对于烟酸分子,选用了不同浓度的溶液,分别为0.02mg/ml、0.1mg/ml、0.5mg/ml、1mg/ml,进行了研究。

分别准确称量相应维生素质量,加入超纯水溶解后以容量瓶定容,配成相应浓度的水溶液,分装至EP管中。将维生素溶液密封避光带至辐射场,在剂量率为1kGy/h的条件下,经不同时间辐射形成一定的剂量。辐射后无需特殊处理,避光保存进行含量测定。

B族维生素的检测方法主要有荧光法和高效液相色谱法,高效液相色谱法具有测定结果准确直观、重复性好的特点,因此常被确立为物质纯度检测的标准方法。本实验选用高效液相色谱法对辐射前后核黄素、盐酸硫胺和烟酸的含量进行分析。色谱条件：色谱柱均为Agilent TC-C ₁₈（5μm,4.6mm×150mm）,进样量20μl。测定核黄素和盐酸硫胺时,均选用0.05mol/L醋酸钠（pH 4.5）-甲醇（65∶35）作为流动相,检测波长为270nm；测定烟酸的流动相为0.02mol/L磷酸二氢钾（pH 6.8）-乙腈（90∶10）,检测波长261nm。

经4000Gy以下 γ射线辐射后,0.05mg/ml核黄素溶液色谱峰的变化规律如图3-24所示。

在0～2000Gy范围内,随着辐射剂量的增强,0.05mg/ml核黄素的辐射降解量增加,实际浓度随之下降,色谱峰面积减小；当辐射剂量高于2000Gy时,核黄素几乎被破坏,色谱峰逐渐变形；辐射剂量达到4000Gy时,核黄素被完全破坏,含量趋近于0,色谱峰消失。

由图3-25中可以看出,0.02mg/ml盐酸硫胺溶液随辐射剂量的增大,含量趋于减小,但200Gy和500Gy剂量曲线重合,且当剂量达到1500Gy时,盐酸硫胺分子在色谱图上产生分裂,不能用于定量分析。

按照实验方法,分别测得了核黄素、盐酸硫胺和烟酸的含量,即色谱峰面积（A）随辐射剂量（D）变化的规律（图3-26）。

由图可见,核黄素对辐射敏感度高,辐射后含量下降较多且辐射后浓度和辐射剂量之间线性关系好。0.025mg/ml核黄素溶液可用于指示100～1500Gy范围的辐射剂量,0.05mg/ml溶液用于指示100～2000Gy范围的辐射剂量,浓度与辐射剂量的相关系数值均大于0.99。

通过比较其他两种维生素溶液辐射后的含量与辐射剂量的关系（图3-26A、C）发现,盐酸硫胺溶液受辐射后,0.02mg/ml浓度组与0.05mg/ml组相比较,0.02mg/ml组含量变化较大,组分含量与辐射剂量呈反比,在100～1000Gy辐射剂量范围内具有一定的相关性；当辐射剂量高于1000Gy时,硫胺素分子产生较明显的裂解。

辐射100～2000Gy剂量后0.02mg/ml组与0.1mg/ml组烟酸溶液的含量均呈波动性变化,含量的总下降率在12%以内。0.5mg/ml组与1mg/ml组溶液受到2kGy以内的辐射后,含量无显著改变；经实验测得在受到4kGy剂量辐射才有微量下降,分别降低2%和0.9%。对两组给予高强度（0.10～20kGy）辐射的实验表明,0.5mg/ml组随辐射剂量的增强,含量呈缓慢下降趋势,总下降率为9.8%；1mg/ml组含量呈波动性下降,总下降率仅为4.4%。证明烟酸对 γ辐射的稳定性好,但不适用于指示辐射的剂量计使用。

通过对比三种不同维生素溶液以及它们在不同浓度的条件下,经 ⁶⁰Co辐射后的含量的变化规律,发现其辐射敏感性依次为核黄素>盐酸硫胺>烟酸；核黄素溶液具有较好的辐射剂量与含量效应关系,在100～2000Gy辐射强度范围内,能准确计量 γ辐射剂量的大小。

在辐射实验中发现,未经辐射的核黄素溶液呈亮黄色,随着辐射剂量的增高,核黄素溶液的颜色由亮黄色逐渐变浅,辐射使核黄素产生了较为直观的变化。由于核黄素分子结构中具有较大的共轭结构,产生较强的紫外吸收,可用于核黄素的含量分析。此外,在激发波长440nm、发射波长525nm处,核黄素具有荧光特性。取受辐射后的核黄素溶液经高效液相色谱分离分析,测定了核黄素的荧光特征峰的变化如图3-27所示。

结果表明受到辐射影响后核黄素的含量下降,荧光强度随辐射剂量的增强呈下降趋势,且图中可以观察到经色谱柱有效分离后的降解产物随剂量增高而增多。

使用高纯氮气（99.99%）配合吹氮仪对样品溶液进行充氮除氧处理,观察溶液中溶解氧对体系的影响。由氧含量测定仪测得溶液中的氧含量由7.2mg/L下降到1.1mg/L。除氧后样品进行密封以防止外部空气进入,同时设置未做除氧处理的对照组。相同条件下样品接受辐射,通过对比实验可以得出,两组核黄素含量改变相同,水溶液中的氧气对RF的辐射特性不产生影响。

取0.05mg/ml RF溶液在三种温度条件下接受辐射处理,并设置对照组。对不同温度下未受辐射的RF溶液分别进行测定,其结果一致,表明RF溶液具有良好的稳定性,温度影响很小；但测得辐射后的RF溶液的含量有所不同,在低温（5℃）和常温（20℃）状态下,辐射线性较好,并且在0～2000Gy的较宽辐射剂量范围内,两种温度下的测定结果几乎相同。但随着温度的进一步升高（30℃）,不同剂量辐射后的核黄素含量较5℃、20℃时数值都明显降低,同时线性关系下降。因此,在室温条件下使用核黄素辐射剂量计,适用辐射剂量范围宽,计量结果更准确。

核黄素受到光照后含量降低,使用时应避光保存。用于辐射测量时,同时设立未受辐射的对照组,用以避免核黄素自然下降产生的影响,保证了实验的准确性。对核黄素溶液进行的光照测试结果（表3-8）表明,采取简单的遮光措施（如用纸包裹）,能有效控制光敏感性产生的影响。

核黄素溶液受辐射后含量下降,荧光值降低,为进一步研究核黄素溶液辐射后是否会继续降解,对辐射后的核黄素溶液进行了含量测定,观察其改变。图3-28所示结果表明,核黄素溶液辐射后经放置,含量不会产生剧烈的变化,能够保持很好的稳定性。这项结果也证实了核黄素的降解由辐射产生,用核黄素来指示辐射具有专一性。辐射后核黄素溶液20天的含量变化曲线表明,0.025mg/ml与0.05mg/ml核黄素溶液比较,后者辐射后稳定性更好,可短期储存,用于不能及时测定的特殊情况以及辐射的定量复核,在应用上具有更大的优势。

辐射后的核黄素溶液经高效液相色谱分离后,可观察到其含量的下降,并且在保留时间2～3.5分钟之间出现不规则的降解物色谱峰,并且随着辐射的增强,降解产物峰值越大。为了进一步研究RF溶液的辐射机制,对RF进行了磁共振光谱（ ¹H-NMR）分析。

以氘代二甲基亚砜（DMSO）作为溶剂,使用核磁共振光谱法对RF辐射前后的样品进行了分析,结果如图3-29所示,A组为未受辐射的对照组 ¹H-NMR光谱图,化学位移值δ 11.3（H-1）和δ 7.9（H-2）是杂环链上的氢质子信号,δ 4.9-3.6是核糖醇结构羟基的质子信号峰,δ 3.4为核糖醇亚甲基质子信号（H-7）,异咯嗪结构中的2个甲基信号出现于δ 2.5处。

辐射后的RF溶液先经旋转蒸发仪去除水后,以DMSO溶解在相同条件下进行测定,谱图如图3-29B所示。通过辐射前后的 ¹H-NMR光谱图对比可以看出,氢的信号分布没有改变,但低场中的氢分布强度辐射后明显移向高场,主要集中在δ 3.4和δ 2.5处,为甲基和亚甲基中氢的信号峰。说明核黄素的共轭平面受到辐射的破坏,导致质子屏蔽效应增加；不饱和结构减少,取代基对氢的诱导效应减少。结合液相色谱的分离实验、RF的紫外吸收和荧光的变化,异咯嗪结构的平面π键受到 γ射线高能量的破坏,并有含羟基氢丰富的降解物信号产生于δ 4.3-5.1处。因核黄素杂环结构中核糖醇结合较弱,推测辐射作用下产生了核糖醇结构的分离。

通过对核黄素、盐酸硫胺以及烟酸多个浓度的辐射剂量与含量测定,发现核黄素溶液是较为理想的 γ辐射色谱学剂量材料,辐射作用后其含量变化与 γ辐射剂量呈良好的线性关系,灵敏性好。

对辐射后核黄素溶液含量的时间变化测试表明,核黄素及其降解产物含量保持稳定,表明了其用于指示辐射具有专一性和稳定性的特征。

选择0.05mg/ml核黄素溶液用于100～2000Gy辐射剂量的测定,作为食品辐射剂量计,具有简单、方便、成本较低等优点。