基于金、銀溶膠的表面增強(qiáng)拉曼光譜法測定蘋果中馬拉硫磷含量對比研究

劉翠玲，苗雨晴，孫曉榮，趙 琦

（北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048）

基于金、銀溶膠的表面增強(qiáng)拉曼光譜法測定蘋果中馬拉硫磷含量對比研究

劉翠玲，苗雨晴，孫曉榮，趙 琦

（北京工商大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院，北京 100048）

使用共焦顯微拉曼光譜儀，結(jié)合表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)，將含有農(nóng)藥馬拉硫磷的蘋果汁樣本進(jìn)行一定的前處理后，分別采集其基于金、銀溶膠的表面增強(qiáng)拉曼光譜，結(jié)合逐步多元線性回歸方法對兩種光譜分別進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析。結(jié)果表明，在0.01～0.5 mg/kg的線性范圍內(nèi)，基于金溶膠所建立的模型相關(guān)系數(shù)（R2）為0.999 6，校正標(biāo)準(zhǔn)差為0.001 86 mg/kg，真實(shí)值與擬合值差異最大不超過0.003 mg/kg，而基于銀溶膠所建立的模型相關(guān)系數(shù)（R2）為1，校正標(biāo)準(zhǔn)差為0.000 78 mg/kg，真實(shí)值與擬合值差異最大不超過0.001 2 mg/kg，預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.213 mg/kg和0.146 mg/kg，銀溶膠效果優(yōu)于金溶膠。

表面增強(qiáng)拉曼散射；逐步多元線性回歸；金溶膠；銀溶膠；馬拉硫磷

馬拉硫磷（分子式C10H19O6PS，相對分子質(zhì)量330.36）是一種在農(nóng)業(yè)上應(yīng)用較廣的高效、低毒、接觸性有機(jī)磷類殺蟲劑，具有觸殺、胃毒、熏蒸等作用，常用于防治各類水果蔬菜蟲害。由于其應(yīng)用較廣，用量較大，是我國農(nóng)產(chǎn)品安全中的必檢項(xiàng)目之一。目前國標(biāo)中規(guī)定馬拉硫磷在蘋果中的最高含量為2 mg/kg[1]，檢測方法主要有氣相色譜、氣質(zhì)聯(lián)用和高效液相色譜法[2]。這些方法雖具有較高的靈敏度和精度，但因儀器復(fù)雜、價(jià)格昂貴、操作繁瑣等原因而不能滿足現(xiàn)場快速檢測需要[3]，與傳統(tǒng)方法項(xiàng)目相比，光譜檢測技術(shù)則為農(nóng)產(chǎn)品中農(nóng)藥殘留的檢測提供了一種快速、無損、綠色的新檢測途徑，有效的避免了上述方法的缺點(diǎn)。

本實(shí)驗(yàn)基于金和銀溶膠的表面增強(qiáng)拉曼光譜法對蘋果汁中馬拉硫磷含量測定進(jìn)行了對比研究。拉曼光譜法是一種新興的光譜檢測技術(shù)，近年來 在珠寶、能源、醫(yī)學(xué)、材料、食品、公安刑偵等[4-12]分析領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。在對拉曼光譜的實(shí)際研究中，表面增強(qiáng)拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）技術(shù)由于其高探測靈敏度、高分辨率、可猝滅熒光、訓(xùn)練樣本數(shù)量少、可測樣本形態(tài)多樣和不受強(qiáng)極性溶劑的干擾的優(yōu)勢等優(yōu)點(diǎn)[13-14]，在檢測農(nóng)藥殘留方面也受到了較多關(guān)注[15-20]。但是目前采用該技術(shù)檢測果蔬中農(nóng)藥殘留時(shí)，還沒有統(tǒng)一的前處理步驟及數(shù)據(jù)建模方法。SERS技術(shù)的發(fā)展與選取的基底材料的性質(zhì)密切相關(guān)[21]，常用的拉曼表面增強(qiáng)劑多為貴金屬金或銀溶膠，但由于目前無論是化學(xué)增強(qiáng)機(jī)理還是物理增強(qiáng)機(jī)理，都還未能給出SERS現(xiàn)象的完整解釋[22]，所以不同表面增強(qiáng)劑的適用對象也尚無定論。眾多拉曼光譜儀器中，顯微拉曼光譜儀使光源、探測器、樣品三點(diǎn)共軛聚焦，消除雜散光，可在微區(qū)（1～2 μm）的范圍內(nèi)測到微克到納克量級的物質(zhì)，并可通過電荷耦合元件檢測器和TV監(jiān)視儀將聚焦位置的拉曼光譜以圖像的形式清晰地顯示出來，如此高的靈敏度及可視化技術(shù)使得以前難以實(shí)時(shí)實(shí)地測試微量及痕量物質(zhì)成為可能[23-25]?；谏鲜銮闆r，本研究采用共焦顯微拉曼光譜儀并結(jié)合SERS技術(shù)，對樣本進(jìn)行一定的前處理后，分別采集其基于金、銀溶膠的兩種表面增強(qiáng)拉曼光譜，結(jié)合逐步多元線性回歸（stepwise multiple linear regression，SMLR）方法探索了SERS效應(yīng)定量分析馬拉硫磷的可行性及準(zhǔn)確性，以期為利用SERS效應(yīng)進(jìn)行農(nóng)藥殘留量快速無損檢測提供參考。

1 材料與方法

1.1 材料、試劑與儀器

有機(jī)蘋果 市購。

甲醇中馬拉硫磷溶液標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)：標(biāo)準(zhǔn)值1.00 mg/mL，相對標(biāo)準(zhǔn)不確定度（k=2）為4%，置于冷藏室中避光保存，使用前于室溫（20±3）℃平衡，購自中國計(jì)量科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)所。表面增強(qiáng)劑：Easy Peak（舒峰TM）科研型1號金溶膠和2號銀溶膠 上海納騰儀器公司；C18、PSA（均為分析純） 國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

DXR激光共焦顯微拉曼光譜儀。

1.2 方法

1.2.1 儀器參數(shù)設(shè)置

激光波長7 8 0 n m，激光能量2 0 m W，光柵400 lines/mm，光闌50 μm狹縫，估計(jì)分辨率4.7～8.7 cm－1，采集曝光時(shí)間5 s，熒光修正，用聚乙烯對拉曼光譜儀進(jìn)行峰位校準(zhǔn)。

1.2.2 標(biāo)準(zhǔn)溶液制備及待測樣本前處理

1.2.2.1 標(biāo)準(zhǔn)溶液

將1 mg/mL的馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)溶液用乙腈稀釋配制為0.01、0.05、0.1、0.25、0.5 mg/kg系列的標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.2.2.2 樣本制備

將蘋果用去離子水洗凈晾干后粉碎，并取其汁液為背景，配制馬拉硫磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.1～3.1 mg/kg的梯度樣本9 個(gè)作為預(yù)測樣本，該質(zhì)量分?jǐn)?shù)范圍分布在國標(biāo)最大殘留量2 mg/kg附近，具有實(shí)際意義。

1.2.2.3 樣本前處理方法

取10 mL配制好的預(yù)測樣本，加入10 mL乙腈，充分振蕩后，加入200 mg無水硫酸鎂和5 g氯化鈉，充分振蕩1 min后，打開蓋子放氣，然后3 000 r/min離心5 min，取1 mL上層清液于裝有0.05 g C18和0.05 g PSA的離心管中，充分振蕩30 s，靜置1 min，取上層清液過0.22 μm微孔濾膜后勻漿提取后待測。每個(gè)樣本提取兩個(gè)平行樣本，為提高預(yù)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證待測樣本質(zhì)量分?jǐn)?shù)包含在標(biāo)準(zhǔn)模型范圍內(nèi)，馬拉硫磷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高的樣本根據(jù)其實(shí)際值進(jìn)行適當(dāng)稀釋后再進(jìn)行測量。

1.3 光譜數(shù)據(jù)采集

分別取標(biāo)準(zhǔn)溶液樣本及處理好的預(yù)測樣本300 μL分別與金、銀溶膠的兩種拉曼表面增強(qiáng)劑按1∶1的體積比混合均勻后注入液體池中，在室溫及光照環(huán)境相對恒定的條件下采集光譜待分析。

2 結(jié)果與分析

2.1 光譜預(yù)處理

圖1 基于Ag和Au溶膠的表面增強(qiáng)拉曼光譜Fig.1 Surface enhanced Raman spectra based on golden and silver sols

從圖1可以看出，對于成分比較純凈的標(biāo)準(zhǔn)溶液，金溶膠和銀溶膠增強(qiáng)效果都較好，但基于金溶膠的表面增強(qiáng)拉曼光譜尾部漂移較明顯；對于從蘋果汁中提取的待測樣本，基于金溶膠的表面增強(qiáng)在1 600～1 100、900～400 cm－1兩個(gè)波段處產(chǎn)生明顯的干擾峰，且尾部漂移也較為明顯。

為消弱背景噪聲的干擾和檢測環(huán)境變化帶來的影響，提高模型的精度和適用性，本研究對所采集到的光譜先進(jìn)行熒光修正，然后一階倒數(shù)＋卷積平滑＋分段線性修正的方法對光譜進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理后的光譜如圖2所示。

圖2 預(yù)處理后的光譜Fig.2 Pretreated spectra

由圖2可以看到，預(yù)處理對1 6 0 0～1 1 0 0、900～400 cm－1兩個(gè)波段處產(chǎn)生的干擾峰修正效果較好。

2.2 標(biāo)準(zhǔn)模型的建立

將2.1節(jié)預(yù)處理后的基于金溶膠的標(biāo)準(zhǔn)溶液的表面增強(qiáng)拉曼光譜采用SMLR方法建立馬拉硫磷的標(biāo)準(zhǔn)模型，結(jié)果如圖3所示。

圖3 馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)溶液曲線（金溶 膠）Fig.3 Standard curve of malathion based on golden sol

從圖3可以看到，馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)模型的線性關(guān)系較好，相關(guān)系數(shù)（R2）為0.999 6，校正標(biāo)準(zhǔn)差（root-meansquare error of calibration，RMSEC）為0.001 86 mg/kg。其真實(shí)值-擬合值殘差圖如圖4所示，結(jié)果表明真實(shí)值與擬合值的差異較小，最大不超過0.003 mg/kg，精度很高。

圖4 真實(shí)值-擬合值殘差圖（金溶膠）Fig.4 Residual plot of actual vs predicted values based on golden sol

同樣，將2.1節(jié)預(yù)處理后的基于銀溶膠的標(biāo)準(zhǔn)溶液的表面增強(qiáng)拉 曼光譜采用SMLR方法建立馬拉硫磷的標(biāo)準(zhǔn)模型，模型如圖5所示。

圖5 馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)溶液曲線（銀溶膠）Fig.5 Standard curve of malathion based on silver sol

從圖5可以看到，基于銀溶膠的馬拉硫磷標(biāo)準(zhǔn)模型的線性關(guān)系及真實(shí)值與擬合值的差異也均較理想，相關(guān)系數(shù)（R2）為1，RMSEC為0.000 78 mg/kg，最大殘差不超過0.001 2 mg/kg（圖6）。

圖6 真實(shí)值-擬合值殘差圖（銀溶膠）Fig.6 Residual plot of actual vs predicted values based on silver sol

2.3 模型預(yù)測能力分析

采用2.2節(jié)建立的兩種數(shù)學(xué)模型分別對處理好的預(yù)測樣本進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表1、2所示。

以上結(jié)果表明，無論是金溶膠還是銀溶膠做表面增強(qiáng)劑，標(biāo)準(zhǔn)模型的建模統(tǒng)計(jì)及擬合效果都較好。兩種模型對實(shí)際樣本的預(yù)測準(zhǔn)確度較之標(biāo)準(zhǔn)樣本稍低，但仍具有實(shí)際意義。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，基于銀溶膠的實(shí)際樣本預(yù)測效果比金溶膠更精確，模型 的預(yù)測標(biāo)準(zhǔn)差（root-meansquare error of prediction，RMSEP）分別為0.146 mg/kg和0.213 mg/kg。造成這一結(jié)果的原因從圖1可以看出，標(biāo)準(zhǔn)樣本的兩種增強(qiáng)光譜并無明顯差異，但待測樣本基于金溶膠的增強(qiáng)光譜在1 600～1 100、900～400 cm－1兩個(gè)波段處有明顯的干擾峰，這可能是由于從實(shí)際樣本萃取的待測液會(huì)殘留少量雜質(zhì)，如蘋果微粒、C18等，而金溶膠的對這些物質(zhì)的熒光猝滅效應(yīng)相對較差，加大了熒光干擾而產(chǎn)生的。

表1 樣本預(yù)測結(jié)果（金溶膠）Table1 Actual vs Predicted results based on golden sol

表2 樣本預(yù)測結(jié)果（銀溶膠）Table2 Actual vs predicted results based on silver sol

3 結(jié) 論

本實(shí)驗(yàn)對含有馬拉硫磷的蘋果汁中萃取的樣本進(jìn)行定量分析，建立了基于金、銀溶膠的兩種表面增強(qiáng)拉曼光譜的馬拉硫磷定量分析數(shù)學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)表明表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)快速分析微量農(nóng)藥殘留量時(shí)具有較高的可行性和準(zhǔn)確性，且與金溶膠相比，銀溶膠作為表面增強(qiáng)劑的效果更好，可將實(shí)際樣本的RMSEP提高31.5%，更適用于馬拉硫磷的定量檢測，因此在進(jìn)行類似研究中，要關(guān)注表面增強(qiáng)劑對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，選擇合適的實(shí)驗(yàn)試劑。

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Determination of Malathion in Apple Fruit Based on Surface Enhanced Raman Scattering on Golden vs Silver Sols

LIU Cui-ling, MIAO Yu-qing, SUN Xiao-rong, ZHAO Qi
(College of Computer and Information Engineering, Beijing Technology and Business University, Beijing 100048, China)

Confocal Raman micro-spectrometry comb ined with surface enhanced Raman scattering (SERS) was used for collecting surface enhanced Raman spectra of apple samples containing the pesticide malathion. Stepwise multiple linear regression (SMLR) method was used to build two mathematical models for quantitative analysis based on golden and silver sols, respectively. The results showed that within the linear range of 0.01-0.5 mg/kg, the correlation coefficient of the gold sol model was 0.999 6, with root mean square error of calibration (RMSEC) of 0.001 86 mg/kg, and the maximum difference between the actual and calculated values was less than 0.003 mg/kg. The correlation coefficient of the silver sol model was 1, with RMSEC of 0.000 78 mg/kg, and the maximum differences between the actual and calculated value did not exceed 0.001 2 mg/kg. The prediction standard deviations for the golden and silver sol models were 0.213 mg/kg and 0.146 mg/kg, respectively. These results indicate that the effect of silver sol in quantitative analysis of malathion is better than that of gold sol.

surface enhanced Raman scattering (SERS); stepwise multiple linear regression (SMLR); golden(Au) sol; silver (Ag) sol; malathion

TS207.53

A

1002-6630（2014）20-0198-04

10.7506/spkx1002-6630-201420039

2014-05-13

北京市教委科研計(jì)劃重點(diǎn)項(xiàng)目（KZ201310011012）；北京市教委科技創(chuàng)新平臺項(xiàng)目（PXM_2012_014213_000023）；北京市自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（4142012）

劉翠玲（1963—），女，教授，博士，主要從事智能測量技術(shù)與數(shù)據(jù)處理、系統(tǒng)建模與仿真方法研究、智能控制方法研究。

E-mail：liucl@btbu.edu.cn