利用Far-IR和THz-TDS光譜法測(cè)定大米中西維因

孫 彤，張卓勇，相玉紅，朱若華

首都師范大學(xué)，北京 100048

利用Far-IR和THz-TDS光譜法測(cè)定大米中西維因

孫 彤，張卓勇*，相玉紅，朱若華

首都師范大學(xué)，北京 100048

利用太赫茲時(shí)域光譜(THz-TDS)和傅里葉變換遠(yuǎn)紅外光譜(FT-Far-IR)技術(shù)研究了大米中西維因在太赫茲頻段的吸收光譜特征，并結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)方法對(duì)大米中西維因進(jìn)行了測(cè)定。樣品的制備采取待測(cè)農(nóng)藥西維因與大米粉末混合壓片的方法模擬真實(shí)檢測(cè)情景，無需樣品的分離富集。分別將樣品在1.8～6.3 THz特征波段內(nèi)的Far-IR吸收光譜數(shù)據(jù)和在0.5～1.5 THz特征波段內(nèi)的THz-TDS吸收光譜數(shù)據(jù)隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。采用偏最小二乘回歸(PLSR)方法建立定量分析模型，將校正均方根誤差(RMSECV)、預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)、預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)(Rv)作為模型性能評(píng)判的依據(jù)，RMSECV，RMSEP越小，Rv越大，則所建立的模型越好。兩種檢測(cè)技術(shù)均得到較好的結(jié)果。其中，運(yùn)用Far-IR技術(shù)所得數(shù)據(jù)建立的定量分析模型預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)(Rv)為0.99，校正均方根誤差(RMSECV)為0.007 7, 預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)為0.008 6； 運(yùn)用THz-TDS技術(shù)所得數(shù)據(jù)建立的定量分析模型預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)為0.98，校正均方根誤差(RMSECV)為0.002 5、預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)為0.004 4。該研究為定量檢測(cè)糧食中的農(nóng)殘?zhí)峁┝艘环N新方法。

傅里葉變換遠(yuǎn)紅外光譜法； 太赫茲時(shí)域光譜法； 偏最小二乘回歸； 農(nóng)殘; 定量分析

引 言

太赫茲(THz，1 THz=1012Hz)波是指頻率在0.1～10 THz 頻段的電磁輻射，其波長(zhǎng)在0.03～3 mm之間。THz波譜位于微波和紅外線之間，是宏觀電子學(xué)向微觀光子學(xué)過渡的區(qū)域，在電磁波頻譜中占有特殊的位置。許多極性大分子在振動(dòng)能級(jí)間的躍遷處于太赫茲頻率范圍，因此，許多有機(jī)和生物分子的太赫茲光譜可以反映分子內(nèi)或分子間振動(dòng)和晶格振動(dòng)引起的低頻振動(dòng)的本征特性。太赫茲電磁波具有較低的光子能量，在進(jìn)行樣品檢測(cè)時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生有害的光致電離，是一種有效的無損探測(cè)方法[1]。

遠(yuǎn)紅外光譜(Far-IR)是指波長(zhǎng)在 1.5～400 μm，頻率在約1～200 THz之間的電磁波，對(duì)其研究在紅外區(qū)域中是發(fā)展較晚的一個(gè)波段，長(zhǎng)期以來有機(jī)分子和農(nóng)殘的紅外光譜檢測(cè)主要采用近紅外或中紅外光譜方法。傅里葉變換遠(yuǎn)紅外光譜(FT-Far-IR)技術(shù)通過傅里葉去卷積處理將復(fù)雜的樣品IR重疊譜峰有效分辨，降低了峰寬，提高了分辨率、靈敏度、信噪比，擴(kuò)大了波長(zhǎng)范圍，縮短掃描時(shí)間[2]。通常情況下，F(xiàn)T-Far-IR在高于4 THz時(shí)信噪比較高。

隨著現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的快速發(fā)展，農(nóng)業(yè)及農(nóng)產(chǎn)品對(duì)農(nóng)藥的需求日益增長(zhǎng)。農(nóng)作物內(nèi)往往會(huì)有少量農(nóng)殘，攝食這樣的食品會(huì)影響人體健康。近年來，食物農(nóng)殘超標(biāo)引起的致畸致殘中毒事件受到普遍關(guān)注。因此，快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)食品農(nóng)殘顯得極為重要和迫切。現(xiàn)有的農(nóng)藥檢測(cè)方法主要有氣相色譜法、高效液相色譜法、氣相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、液相色譜與質(zhì)譜聯(lián)用技術(shù)、免疫法、生物傳感器法[3-5]等，但上述方法均存在著樣品前處理復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)，檢測(cè)成本高，對(duì)檢測(cè)人員要求較高，無法在線檢測(cè)等不足。

西維因又稱胺甲萘，是一種廣譜氨基甲酸酯類殺蟲劑，具有中等毒性，可經(jīng)皮膚、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)進(jìn)入生物體內(nèi)[6]。輕度中毒表現(xiàn)為頭疼、惡心、瞳孔縮小等； 重度中毒則表現(xiàn)為昏迷、抽搐甚至死亡。

本研究應(yīng)用FT-Far-IR和THz-TDS兩種技術(shù)分別檢測(cè)大米中的西維因在太赫茲波段下的吸收光譜，采用偏最小二乘回歸方法建立定量分析模型，用留N交叉驗(yàn)證法對(duì)所建模型進(jìn)行驗(yàn)證，將校正均方根誤差(RMSECV)、預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)、預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)(Rv)作為模型性能評(píng)判的依據(jù)，為定量檢測(cè)糧食中的農(nóng)殘?zhí)峁┬路椒ā?/p>

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑及裝置

實(shí)驗(yàn)所用的大米和西維因分別為吉林市家福米業(yè)有限公司和北京北納創(chuàng)聯(lián)生物技術(shù)研究院產(chǎn)品。

實(shí)驗(yàn)所用FT-Far-IR光譜系統(tǒng)(Bruker公司，VERTEX/80V)： 測(cè)試溫度為25 ℃，掃描范圍為0～680 cm-1，分辨率為4 cm-1，掃描次數(shù)為200次。每個(gè)壓片重復(fù)測(cè)量3次，取平均值得到0～20.4 THz波段的吸收光譜。

所用THz-TDS光譜系統(tǒng)為實(shí)驗(yàn)室自行搭建，MaiTai飛秒激光器((SPECIM產(chǎn)品)，GaAs半導(dǎo)體光導(dǎo)天線THz發(fā)生器和檢測(cè)器。測(cè)試溫度為19 ℃，以氮?dú)庾鳛閰⒖?，光譜儀掃描系統(tǒng)的步進(jìn)電機(jī)掃描步長(zhǎng)為 0.01 mm。每個(gè)壓片重復(fù)測(cè)量3次，取平均值得到0.1～3.0 THz波段的時(shí)域光譜。

1.2 樣品制備

1.2.1 THz-TDS技術(shù)檢測(cè)樣品制備

將大米放入粉碎機(jī)中粉碎，過篩(100目)，放入烘箱中烘干，得到大米粉末; 將大米粉末與西維因粉末按照不同質(zhì)量比例混合(0, 0.4%, 0.5%, 0.6%, 0.7%, 0.8%, 0.9%, 1.0%, 2.0%, 3.0%, 4.0%, 5.0%, 6.0%, 7.0%, 8.0%)，轉(zhuǎn)移至瑪瑙研缽中研磨得到大米細(xì)粉； 稱取每種大米細(xì)粉約200 mg，置于Specac公司的模具中，用壓片機(jī)在5 t的壓力下保持3～4 min，得到直徑13 mm、厚度1.2 mm的圓薄片，即西維因-大米壓片樣本，樣本兩表面平行、光滑且沒有裂縫。將西維因粉末與聚乙烯(PE)粉末按照質(zhì)量比1∶4混合，轉(zhuǎn)移至瑪瑙研缽中研磨，采用相同的方法壓制得到西維因-聚乙烯壓片樣本。

1.2.2 Far-IR技術(shù)檢測(cè)的樣品制備

將大米粉末與西維因粉末按照不同質(zhì)量比例混合(0, 1.0%, 1.5%, 2.0%, 2.5%, 3.0%, 3.5%, 4.0%, 4.5%, 5.0%, 5.5%, 6.0%, 6.5%, 7.0%, 7.5%, 8.0%, 8.5%, 9.0%, 9.5%, 10.0%, 11.0%, 12.0%, 13.0%, 14.0%, 16.0%, 18.0%, 20.0%)，轉(zhuǎn)移至瑪瑙研缽中研磨得到大米細(xì)粉； 稱取每種大米細(xì)粉約24 mg(壓片過厚，會(huì)阻礙光的透射，導(dǎo)致測(cè)量信號(hào)不穩(wěn)定)。置于Specac公司的模具中，用壓片機(jī)在7 t的壓力下保持3～4 min，將大米細(xì)粉壓制成直徑13 mm、厚度0.15 mm的圓薄片, 即得到西維因-大米壓片樣品，樣品兩表面平行、光滑且沒有裂縫。將西維因粉末與聚乙烯粉末按照質(zhì)量比1∶4混合，轉(zhuǎn)移至瑪瑙研缽中研磨, 采用相同的方法壓制得到西維因-聚乙烯壓片樣本。

1.3 光譜數(shù)據(jù)

利用THz-TDS技術(shù)檢測(cè)，得到參考及樣本的時(shí)域光譜信號(hào)，將參考信號(hào)和樣本信號(hào)分別經(jīng)過傅里葉變換后得到參考的頻域信號(hào)Es和樣品的頻域信號(hào)Er，再經(jīng)Timothy和Duvillaret[11-12]法計(jì)算后，得到吸收光譜； 其具體計(jì)算方法如式(1)

Es/Er=ρ(ω)e-jφ(ω)

(1)

樣品折射率n和樣品吸收系數(shù)α計(jì)算公式如式(2)和式(3)

(2)

(3)

其中ω為頻率，d為樣品厚度，φ為樣品與參考信號(hào)的相位差，ρ為樣品和參考信號(hào)的振幅模的比值，c為真空中的光速。采用留N交叉驗(yàn)證法對(duì)模型進(jìn)行驗(yàn)證[7-10]。

2 結(jié)果與討論

2.1 FT-Far-IR技術(shù)定量檢測(cè)大米中西維因含量

圖1為利用Far-IR技術(shù)測(cè)量得到的西維因-聚乙烯混合壓片樣品的吸收光譜，在1.8～6.3 THz波段內(nèi)，西維因位于頻率3.2和5.2 THz處存在兩個(gè)特征吸收。以此為依據(jù)，選擇1.8～6.3 THz作為特征波段，在此波段區(qū)間內(nèi)吸收光譜的重現(xiàn)性較好。

Fig.1 FT-Far-IR spectra of absorption of carbaryl-polyethylene

圖2為其中6個(gè)具有不同西維因質(zhì)量百分含量(1.5%，3.5%，6.5%，9.5%，11.0%，16.0%)的大米壓片樣品在1.8～6.3 THz特征波段區(qū)間的吸收光譜圖，從圖中可以看出隨著西維因質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸收系數(shù)隨之增大。

Fig.2 Spectra of absorption of carbaryl-rice

選擇主成分?jǐn)?shù)為2，用留N交叉驗(yàn)證法將西維因-大米壓片樣本隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，N值為7，重復(fù)配分10次。采用偏最小二乘回歸方法建立定量分析模型。將校正均方根誤差(RMSECV)、預(yù)測(cè)均方根誤差(RMSEP)、預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)(Rv)作為模型性能評(píng)判的依據(jù)，所建模型的RMSECV為0.007 7，RMSEP為0.008 6。圖3為所述模型預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值之間的關(guān)系圖，預(yù)測(cè)相關(guān)系數(shù)(Rv)為0.99，可以看出模型的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值很接近。分析模型的RMSECV和RMSEP值比較小，Rv較大，說明本方法建立的模型可靠可行。

Fig.3 Correlation between actual values and predicted values

2.2 THz-TDS技術(shù)定量檢測(cè)大米中西維因含量

圖4為利用THz-TDS技術(shù)測(cè)量得到的西維因-聚乙烯混合壓片樣本經(jīng)過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)歸一化處理后的的吸收光譜?？梢钥闯?，在0.1～3.0 THz波段內(nèi)，西維因呈現(xiàn)多個(gè)吸收峰，但是都比較弱。本文選擇0.5～1.5 THz作為特征波段，在特征波段區(qū)間內(nèi)吸收光譜重現(xiàn)性較好。

Fig.4 Spectra of absorption of carbaryl-polyethylene

不同西維因質(zhì)量百分含量(0.4%，0.6%，0.7%，0.8%，0.9%)的大米壓片樣品經(jīng)過光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化和標(biāo)準(zhǔn)歸一化后，在圖4的0.5～1.5 THz特征波段區(qū)間的吸收光譜，可以看出隨著西維因質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，吸收系數(shù)隨之增大。

選擇主成分?jǐn)?shù)為2，用留N交叉驗(yàn)證法將西維因-大米壓片樣本隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，N值為4，重復(fù)配分10次。采用偏最小二乘回歸方法建立定量分析模型，所建模型的RMSECV為0.002 5，RMSEP為0.004 4，Rv為0.98。

圖5所示為所述分析模型的預(yù)測(cè)濃度與實(shí)驗(yàn)值之間的關(guān)系圖，說明模型的預(yù)測(cè)濃度與實(shí)際濃度很接近。分析模型的RMSECV，RMSEP值比較小，Rv較大，從而說明本方法建立的模型可靠可行。

Fig.5 Correlation between actual values and predicted values

3 結(jié) 論

利用THz-TDS和FT-Far-IR兩種技術(shù)對(duì)大米中西維因含量的測(cè)定做了研究。所研究的光譜處于太赫茲頻段的不同范圍，結(jié)果表明，該兩種方法可以充分利用太赫茲頻段的光譜有效信息，在分析工作中起到信息互補(bǔ)的作用。利用FT-Far-IR測(cè)定西維因在1.8～6.3 THz特征波段區(qū)間的吸收光譜； 而利用THz-TDS技術(shù)測(cè)定西維因在0.5～1.5 THz特征波段區(qū)間的吸收光譜。最后，用偏最小二乘回歸方法分別建立吸收光譜的定量分析模型，兩種模型均得到滿意的結(jié)果。

[1] Ma Y, Wang Q, Li L. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2013, 117: 7.

[2] YANG Jia, WU Yan-wen, LI Bing-ning, et al(楊 佳，武彥文，李冰寧，等). China Oils and Fats(中國(guó)油脂)，2013, 38(3): 81.

[3] Pan Zhu, Hong Miao, Juan Du, et al. J. Agric. Food Chem., 2014, 62(29): 7092.

[4] ZHANG Hao, LIU Chuan-zhi, XU Ying, et al(張 昊，劉傳志，徐 影，等). Chinese J. Anal. Chem.(分析化學(xué)), 2014, 42(1): 104.

[5] Wei J, Chu X, Yun L, et al. J. Chromatogr., A. 2014, 1347: 122.

[6] XIAO Hai-bin, LIU Mu-hua, YUAN Hai-chao, et al(肖海斌, 劉木華, 袁海超，等). Spectroscopy and Spectral Analysis(光譜學(xué)與光譜分析)，2012, 32(11): 3058.

[7] Geisser S. J. Am. Stat. Assoc., 1975, 70: 320.

[8] Clark R D. J. Comput. Aid. Mol. Des., 2003, 17(2): 265.

[9] Dmitry A, Lyndon E，Yvan V H, et al. J. Chem. Inf. Model, 2008, 48(10): 2081.

[10] Besalu E. J. Math. Chem., 2001, 29(3): 191.

[11] Timothy D D, Richard G B, Daniel M M. Journal of the Optical Society of America A: Optics, Image Science, and Vision, 2001, 18(7): 1562.

[12] Duvillaret L, Garet F, Coutaz J L. Appl. Optics, 1999, 38(2): 409.

*Corresponding author

Determination of Carbaryl in Rice by Using FT Far-IR and THz-TDS Techniques

SUN Tong, ZHANG Zhuo-yong*, XIANG Yu-hong, ZHU Ruo-hua

Capital Normal University, Beijing 100048, China

Determination of carbaryl in rice by using Fourier transform far-infrared (FT- Far-IR) and terahertz time-domain spectroscopy (THz-TDS) combined with chemometrics was studied and the spectral characteristics of carbaryl in terahertz region was investigated. Samples were prepared by mixing carbaryl at different amounts with rice powder, and then a 13 mm diameter, and about 1 mm thick pellet with polyethylene (PE) as matrix was compressed under the pressure of 5～7 tons. Terahertz time domain spectra of the pellets were measured at 0.5～1.5 THz, and the absorption spectra at 1.8～6.3 THz were acquired with Fourier transform far-IR spectroscopy. The method of sample preparation is so simple that it does not need separation and enrichment. The absorption peaks in the frequency range of 1.8～6.3 THz have been found at 3.2 and 5.2 THz by Far-IR. There are several weak absorption peaks in the range of 0.5～1.5 THz by THz-TDS. These two kinds of characteristic absorption spectra were randomly divided into calibration set and prediction set by leave-N-out cross-validation, respectively. Finally, the partial least squares regression (PLSR) method was used to establish two quantitative analysis models. The root mean square error (RMSECV), the root mean square errors of prediction (RMSEP) and the correlation coefficient of the prediction are used as a basis for the model of performance evaluation. For theRv, a higher value is better; for the RMSEC and RMSEP, lower is better. The obtained results demonstrated that the predictive accuracy of the two models with PLSR method were satisfactory. For the FT-Far-IR model, the correlation between actual and predicted values of prediction samples (Rv) was 0.99. The root mean square error of prediction set (RMSEP) was 0.008 6, and for calibration set (RMSECV) was 0.007 7. For the THz-TDS model,Rvwas 0.98, RMSEP was 0.004 4, and RMSECV was 0.002 5. Results proved that the technology of FT-Far-IR and THz-TDS can be a feasible tool for quantitative determination of carbaryl in rice. This paper provides a new method for the quantitative determination pesticide in other grain samples.

FT-Far-IR; THz-TDS; PLSR; Pesticide residue; Quantitative analysis

Dec. 1, 2014; accepted Apr. 10, 2015)

2014-12-01，

2015-04-10

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備專項(xiàng)(2012YQ140005)和國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(21275101)資助

孫 彤，1990年生，首都師范大學(xué)化學(xué)系碩士研究生 e-mail: 943976064@qq.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: gusto2008@vip.sina.com

O657.61

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)02-0541-04