應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)檢測(cè)毒死蜱的含量

陶士強(qiáng) 吳福安

(1江蘇科技大學(xué)生物技術(shù)學(xué)院， 江蘇鎮(zhèn)江 212018； 2中國農(nóng)業(yè)科學(xué)院蠶業(yè)研究所， 江蘇鎮(zhèn)江 212018)

農(nóng)藥的不合理使用易產(chǎn)生環(huán)境問題，加強(qiáng)農(nóng)藥殘留的檢測(cè)，對(duì)于合理使用農(nóng)藥，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，提高農(nóng)產(chǎn)品安全等具有重要意義[1]。毒死蜱[O，O-二乙基-O-(3，5，6-三氯-2-吡啶基)硫代磷酸酯]是乙酰膽堿酯酶抑制劑，屬硫代磷酸酯類殺蟲劑[2]，是目前世界上廣泛使用的殺蟲劑之一，廣泛應(yīng)用于防治糧食、蔬菜、果樹、桑樹等的害蟲[3-5]。目前毒死蜱常用的殘留檢測(cè)方法主要有免疫分析法、色譜法(液相色譜法和氣相色譜法)、光譜分析法[6]。其中，免疫分析法和色譜法測(cè)定樣品的前處理比較復(fù)雜，檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，不太適用于對(duì)大量樣品的快速檢測(cè)和田間實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。光譜分析法中的近紅外光譜技術(shù)因具有檢測(cè)快速，樣品的前處理方法簡(jiǎn)單、高效、無損等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥等領(lǐng)域[7]；但是，由于物質(zhì)對(duì)近紅外光的吸收弱，吸收帶較寬，必須依賴化學(xué)計(jì)量學(xué)方法才可以建立預(yù)測(cè)能力強(qiáng)、穩(wěn)健性好的分析模型[8]。偏最小二乘法(partial least squares，PLS)是一種多元回歸分析方法，模型建立在成分提取的方法之上。PLS在提取成分的過程中，同時(shí)考慮到預(yù)測(cè)變量數(shù)據(jù)和因變量數(shù)據(jù)中的信息，使從兩者中提取的信息之間的相關(guān)性達(dá)到最大，然后用所獲得的成分建立多元回歸分析模型[9-11]。因此，本試驗(yàn)以化學(xué)計(jì)量學(xué)、光譜分析為理論基礎(chǔ)，研究了4種常用的光譜預(yù)處理方法[一階導(dǎo)數(shù)(1st-der)、二階導(dǎo)數(shù)(2nd-der)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換(standard normal variable transformation，SNV))、多元散射校正(multiplicative scatter correction，MSC)]以及特征波長(zhǎng)選擇對(duì)近紅外光譜分析技術(shù)檢測(cè)毒死蜱含量的影響，以期建立準(zhǔn)確可靠的檢測(cè)模型用于毒死蜱含量的快速檢測(cè)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 供試農(nóng)藥 毒死蜱乳油，有效成分含量為480 g/L，農(nóng)藥登記證號(hào)為PD20084007，濟(jì)南一農(nóng)化工有限公司產(chǎn)品。

1.1.2 儀器設(shè)備及軟件 Ocean Optics NIR512近紅外光譜儀及配套軟件Ocean View，美國Ocean Optics公司產(chǎn)品；Matlab 2009b軟件，Math Works公司產(chǎn)品；PLS-toolbox 5.0工具箱，美國Eigenvector公司產(chǎn)品。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 光譜采集 根據(jù)試驗(yàn)需要，將毒死蜱乳油用蒸餾水配制成起始濃度為0.005 0 mg/kg、濃度梯度為0.002 5 mg/kg、終濃度為0.100 0 mg/kg的溶液，總樣品數(shù)為39個(gè)[按濃度由低到高編號(hào)，即(1)0.005 0 mg/kg、(2)0.007 5 mg/kg、(3)0.010 0 mg/kg ……(39)0.100 0 mg/kg]，將配制好的毒死蜱溶液在室溫下應(yīng)用Ocean Optics NIR512近紅外光譜儀采集透射光譜，采集光譜范圍為900～1 700 nm，分辨率為1.6 nm，掃描32次，積分時(shí)間15 ms。

1.2.2 校正集與預(yù)測(cè)集的建立 所有毒死蜱溶液樣品按照濃度升序排序，參考文獻(xiàn)[12]的方法，依2∶1取樣將39個(gè)樣品號(hào)分為校正集和預(yù)測(cè)集，即校正集包含的樣品號(hào)為(1)、(2)、(4)、(5)……(37)、(39)，預(yù)測(cè)集包含的樣品號(hào)為(3)、(6)、(9)……(36)、(38)，校正集樣品濃度為0.005 0、0.007 5、0.012 5、0.015 0 …… 0.095 0、0.100 0 mg/kg，預(yù)測(cè)集樣品濃度為0.010 0、0.017 5、0.025 0 …… 0.097 5 mg/kg，其中濃度最大的毒死蜱溶液樣品(0.100 0 mg/kg)和濃度最小的毒死蜱溶液樣品(0.005 0 mg/kg)在校正集內(nèi)，預(yù)測(cè)集的毒死蜱溶液樣品濃度范圍被校正集的毒死蜱溶液樣品濃度范圍所包含。

1.2.3 光譜的預(yù)處理 (1)1st-der。對(duì)光譜進(jìn)行一階求導(dǎo)(可以消除圖譜平移的影響)。(2)2nd-der。對(duì)光譜進(jìn)行二階求導(dǎo)(可以消除圖譜旋轉(zhuǎn)的影響)。(3)SNV。在假定每條光譜中各波長(zhǎng)點(diǎn)處的值滿足一定的分布規(guī)律的前提下，校正每條光譜，使原光譜數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)化。(4)MSC。先計(jì)算所有樣品的平均光譜作為標(biāo)準(zhǔn)光譜，然后將每個(gè)樣品的光譜數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行線性回歸運(yùn)算，得回歸系數(shù)和回歸常數(shù)，再用每個(gè)樣品的原始光譜減去回歸常數(shù)除以回歸系數(shù)，得到校正后的光譜。

1.2 .4 模型的建立 用900～1 700 nm、1 100～1 700 nm及1 100～1 500 nm波長(zhǎng)的光譜進(jìn)行建模分析，采用PLS-toolbox 5.0工具箱中的IPLS功能進(jìn)行波長(zhǎng)的選取。模型評(píng)價(jià)指標(biāo)為相關(guān)系數(shù)R2、校正標(biāo)準(zhǔn)差(root mean square error of calibration，RMSEC)、交叉驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)差(root mean square error of cross validation，RMSECV)、預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差(root mean square error of prediction，RMSEP)。RMSECV表征校正集建模的精度，RMSEP反映預(yù)測(cè)集的預(yù)測(cè)效果，RMSEP越小、相關(guān)系數(shù)R2越接近1，表明模型的預(yù)測(cè)結(jié)果越準(zhǔn)確，模型的可靠性越高。

1.2.5 光譜的PLS分析 在Matlab 2009b軟件平臺(tái)進(jìn)行，采用PLS-toolbox 5.0工具箱進(jìn)行分析。實(shí)際值和預(yù)測(cè)值的相關(guān)圖表的繪制采用該工具箱中的plot controls進(jìn)行，x軸設(shè)為Measured(實(shí)際值)，y軸設(shè)為Predicted(預(yù)測(cè)值)。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同光譜預(yù)處理的建模結(jié)果

從表1可以看出，在單個(gè)光譜的預(yù)處理方法中，以2nd-der預(yù)處理的方法最佳。在主因子數(shù)為5時(shí)，校正集相關(guān)系數(shù)R2為0.982 8，預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)R2為0.981 3，RMSEC為0.003 70 mg/kg，RMSEP為0.003 85 mg/kg。而在2種預(yù)處理方法結(jié)合的情況下，以2nd-der+SNV預(yù)處理的方法最佳。在主因子數(shù)為6時(shí)，校正集相關(guān)系數(shù)R2為0.988 5，預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)R2為0.986 4，RMSEC為0.003 02 mg/kg，RMSEP為0.003 27 mg/kg。預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)R2越高、RMSEP越小，模型的測(cè)試結(jié)果越切合實(shí)際。從表1還可以看出，2nd-der+SNV光譜預(yù)處理的方法優(yōu)于2nd-der光譜預(yù)處理的方法。

表1不同光譜預(yù)處理的建模結(jié)果

預(yù)處理方法主因子數(shù)校正集相關(guān)系數(shù)R2預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)R2RMSEC/(mg/kg)RMSEP/(mg/kg)1st-der50.976 00.978 80.004 370.004 162nd-der50.982 80.981 30.003 700.003 85SNV50.978 50.965 80.004 130.005 27MSC60.982 90.980 50.003 680.004 041st-der+SNV50.978 20.983 80.004 170.003 831st-der+MSC90.995 70.959 30.001 840.005 762nd-der+SNV60.988 50.986 40.003 020.003 272nd-der+MSC50.981 90.984 80.003 790.003 48

1st-der指光譜預(yù)處理為一階導(dǎo)數(shù)法，2nd-der指光譜預(yù)處理為二階導(dǎo)數(shù)法，SNV指光譜預(yù)處理為標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換法，MSC指光譜預(yù)處理為多元散射校正法，1st-der+SNV指光譜預(yù)處理為一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換法，1st-der+MSC指光譜預(yù)處理為一階導(dǎo)數(shù)結(jié)合多元散射校正法，2nd-der+SNV指光譜預(yù)處理為二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換法，2nd-der+MSC指光譜預(yù)處理為二階導(dǎo)數(shù)結(jié)合多元散射校正法。RMSEC為校正標(biāo)準(zhǔn)差，RMSEP為預(yù)測(cè)標(biāo)準(zhǔn)差；表2相同。

2.2 不同波長(zhǎng)光譜的建模結(jié)果

從不同波長(zhǎng)光譜的建模結(jié)果(表2)可以看出，在波長(zhǎng)為1 100～1 500 nm、主因子數(shù)為8的情況下，校正集相關(guān)系數(shù)R2為0.996 1，預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)R2為0.993 9，RMSEC為0.001 76 mg/kg，RMSEP為0.002 40 mg/kg。預(yù)測(cè)集的相關(guān)系數(shù)R2越高、RMSEP越小，模型效果越好。因此，選取1 100～1 500 nm波長(zhǎng)范圍光譜建模最佳。

表2不同波長(zhǎng)光譜的建模結(jié)果

波長(zhǎng)范圍/nm主因子數(shù)校正集相關(guān)系數(shù)R2預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)R2RMSEC/(mg/kg)RMSEP/(mg/kg)900～1 70050.988 50.986 40.003 790.003 271 100～1 70060.992 30.990 60.002 470.002 761 100～1 50080.996 10.993 90.001 760.002 40

從光譜變量重要性投影(variable importance in projection，VIP)得分圖(圖1)可以看出，毒死蜱在1 100～1 700 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)具有有效信息，在1 100～1 500 nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)光譜信息最為集中且重要。選取光譜中的有效區(qū)域，尤其是高效區(qū)域有助于提高建模的準(zhǔn)確率。

圖1 毒死蜱光譜變量重要性投影(VIP)得分圖

圖2 毒死蜱近紅外光譜預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的相關(guān)性

從毒死蜱近紅外光譜預(yù)測(cè)值和實(shí)際值的相關(guān)性(圖2)可以看出，毒死蜱近紅外光譜的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值(校正集和預(yù)測(cè)集的值)之間具有明顯的線性相關(guān)性。

3 小結(jié)與討論

近紅外光譜技術(shù)具有快速、高效、無損等優(yōu)點(diǎn)，因此許多研究者應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行了毒死蜱的檢測(cè)研究。劉芳[13]應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)對(duì)毒死蜱高效氯氰菊酯乳油有效成分進(jìn)行分析，使用PLS算法進(jìn)行定量分析，對(duì)毒死蜱高效氯氰菊酯乳油中2種有效成分分別建立了模型，認(rèn)為校正集的數(shù)量在20個(gè)左右就可以完成定量測(cè)定。本研究采用26個(gè)毒死蜱溶液樣品(濃度為0.005 0、0.007 5、0.012 5、0.015 0 …… 0.095 0、0.100 0 mg/kg)作為校正集，選取1 100～1 500 nm波長(zhǎng)范圍的光譜，以2nd-der+SNV方法進(jìn)行預(yù)處理，采用主因子數(shù)8進(jìn)行建模，在波長(zhǎng)為1 100～1 500 nm時(shí)得到校正集(留一交叉驗(yàn)證法)相關(guān)系數(shù)R2為0.996 1，預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)R2為0.993 9，RMSEC為0.001 76 mg/kg，RMSEP為0.002 40 mg/kg的較好結(jié)果。劉翠玲等[14]利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合PLS建立了模擬果蔬成分的毒死蜱檢測(cè)模型，結(jié)果表明，預(yù)測(cè)集相關(guān)系數(shù)R2為0.994 3，RMSEC為0.002 20 mg/kg，RMSEP為0.002 80 mg/kg，近紅外光譜法對(duì)混合溶液中質(zhì)量濃度在0.008～0.009 mg/kg之間的毒死蜱可取得良好的檢測(cè)效果。本研究利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法對(duì)溶液中的毒死蜱含量進(jìn)行了檢測(cè)。結(jié)果表明，選取1 100～1 500 nm波長(zhǎng)范圍的光譜，用2nd-der+SNV方法進(jìn)行預(yù)處理，采用主因子數(shù)8進(jìn)行建?？梢缘玫阶罴呀Y(jié)果，驗(yàn)證了近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)毒死蜱含量的可行性，明確了近紅外光譜技術(shù)檢測(cè)毒死蜱含量的預(yù)處理方法、光譜范圍和主因子數(shù)。近紅外光譜法可更加快速、簡(jiǎn)便地檢測(cè)出溶液中微量的毒死蜱。

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