不同過濾條件對自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥吸收光譜與濃度預(yù)測模型的影響

蔡 祥，馬瑞峻，陳 瑜，顏振鋒，黃 麗

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

有機(jī)磷農(nóng)藥發(fā)展至今已有70多年歷史，在各國農(nóng)業(yè)發(fā)展中均起到了重要的防治病蟲害作用，具有高效、快速、廣譜殺蟲、經(jīng)濟(jì)和殘效期短的特點[1]。隨著人口數(shù)量的不斷增加，對農(nóng)產(chǎn)品的需求也逐漸增加，人們在農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的過程中會加大農(nóng)藥的使用量來保證農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)量；而噴灑的有機(jī)磷農(nóng)藥大部分會殘留在土壤或漂浮在空氣中，通過降雨、沉降和徑流的沖刷流入地下水、河流、湖泊和海洋，從而危及生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康[2]。

檢測水體中有機(jī)磷農(nóng)藥最常用的方法有色譜法和生物傳感器法。其中色譜法檢測靈敏度高，定量分析準(zhǔn)確，但預(yù)處理過程(提取、純化、濃縮等步驟)繁瑣，檢測成本高，檢測時間長[3]；生物傳感器法前處理要求低、經(jīng)濟(jì)、快速，但重復(fù)性差、回收率低、較難進(jìn)行定量分析[4]。

光譜法因其可以快速無損檢測且無二次污染的特點，近年來廣泛應(yīng)用于水質(zhì)參數(shù)檢測、食品檢測、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[5-8]。使用光譜法檢測自然水體中硝酸鹽氮、化學(xué)需氧量和生化需氧量等化合物時，通常對水體進(jìn)行預(yù)沉淀和過濾處理[9-11]。目前采用光譜法檢測水體中有機(jī)磷農(nóng)藥大多停留在實驗室階段[12-15]，對現(xiàn)場快速檢測自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥的研究鮮有報道。自然水體中含有黏土、泥沙和藻類等大量的懸浮顆粒物，采用光譜法檢測自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥時，不同自然水體中引起濁度的固體懸浮物與光相互作用會產(chǎn)生光的折射、散射等現(xiàn)象，會降低光譜的信噪比，極大地影響光譜法的檢測精度[16]。因此在光譜檢測前需要對自然水體中的有機(jī)磷農(nóng)藥溶液做預(yù)處理(過濾)。

本文以甲基對硫磷農(nóng)藥為研究對象，通過比較分析甲基對硫磷溶液在不同過濾條件、不同溶液背景下的光譜圖和濃度預(yù)測模型，探究不同過濾條件對自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥吸收光譜與濃度預(yù)測模型的影響。

1 材料與方法

1.1 自然水體采樣信息

本文選擇了池塘水(取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)西湖，23°9′47.394 0″N、113°20′27.876 3″E，2020 年 12 月 1 日采樣)、農(nóng)田水(取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)事訓(xùn)練中心，23°9′56.106 0″N、113°21′57.848 4″E，2020 年 12 月15日采樣)、河涌水(取自車陂涌華南農(nóng)業(yè)大學(xué)段，23°9′49.669 2″N、113°21′46.918 8″E，2020 年 12 月18日采樣)3種典型水體用作試驗用水。每次采集8 000 mL 表層 (0～50 cm)水樣，采集的水樣做好標(biāo)記后，帶回實驗室進(jìn)行后續(xù)檢測和試驗。

1.2 試驗儀器和材料

試驗搭建的紫外-可見吸收光譜采集系統(tǒng)包括美國Ocean Optics海洋光學(xué)公司的Maya2000Pro光譜儀 (檢測范圍：175～1 100 nm，信噪比：450∶1，內(nèi)置探測器：Hamamatsu S10420，分辨率：1.1 nm)；DTMINI-2-GS氘—鎢鹵燈組合光源以及可調(diào)光程的比色皿支架。使用與光譜儀配套的BiaoQi SpecSuite軟件采集光譜數(shù)據(jù)，打開軟件后設(shè)置積分時間為9 ms，平滑度為2，每個樣本掃描20次，取平均值為最終光譜。試驗過程中，甲基對硫磷試驗比色皿光程為 50 mm，選定光譜測量范圍為 200.4～760.3 nm，共1 234個波長點。

過濾紗布材質(zhì)為尼龍，濾膜材質(zhì)為聚四氟乙烯，使用RMD-Z6濁度傳感器(瑞蒙德公司，上海)檢測3種自然水體過濾前后的濁度。

1.3 試驗樣本和試驗內(nèi)容

甲基對硫磷農(nóng)藥的試驗樣本配制過程如下：用1/10 000電子天平稱取98%(w)有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品(0.040 8±0.000 2) g 置 100 mL 燒杯中，用50 mL 甲醇超聲溶解，然后轉(zhuǎn)移至試劑瓶中，準(zhǔn)確量取350 mL甲醇，并轉(zhuǎn)移至試劑瓶，搖勻，配制成100 mg/L的有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液。使用3種自然水體和純凈水作為有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液稀釋劑配制試驗樣本，每種水體試驗樣本質(zhì)量濃度為0.1～6.0 mg/L(質(zhì)量濃度梯度為0.1 mg/L)，合計 60 個試驗樣本。

對以3種自然水體為稀釋劑的甲基對硫磷溶液樣本進(jìn)行4種不同的處理：原始狀態(tài)(不做過濾處理)，40 μm 紗布、5 μm 濾膜、0.45 μm 濾膜過濾處理，當(dāng)過濾得到1個50 mL樣本時，平均需要的過濾時間分別約為 13、22、28 s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Savitzky-Golay卷積平滑一階導(dǎo)消除自然水體-有機(jī)磷農(nóng)藥光譜數(shù)據(jù)中的噪聲和基線漂移[17]。按 3∶1 的比例采用 SPXY(Sample set partitioning based on joint x-ydistance)方法[18]從 60 個樣本中選取45個樣本作為校正集樣本，剩下的15個樣本作為預(yù)測集樣本。使用主成分分析結(jié)合馬氏距離(Principle component analysis-Mahalanobis distance，PCA-MD)進(jìn)行異常樣本檢查[19]。使用競爭性自適應(yīng)重加權(quán)采樣 (Competitive adaptive reweighted sampling，CARS)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)壓縮和特征波長篩選[20]。采用偏最小二乘 (Partial least squares，PLS)法建立多元回歸模型[21]。本文中的數(shù)據(jù)處理都基于 The UnscramblerX10.4 和 MATLAB 2020a軟件平臺進(jìn)行。

1.5 模型評價

對PLS模型的評價采用決定系數(shù)(Determination coefficient，R2)、均方根誤差 (Root mean square error，RMSE)、剩余預(yù)測殘差 (Residual predicted deviation，RPD)和潛變量數(shù)量 (Latent variables，LVs)[22]。其中R2越大，RMSE越小，表明模型的精確度越高。一個好的模型應(yīng)具有合理的LVs。RPD反映了模型的分辨能力和穩(wěn)健性，當(dāng)RPD≥3，模型可用于定量分析和實際檢測。

2 結(jié)果與分析

2.1 過濾前后自然水體濁度

池塘水、農(nóng)田水和河涌水過濾前后濁度見表1。由表1可知，使用40 μm紗布過濾3種自然水體，對濁度影響不大，使用5 μm和0.45 μm濾膜過濾，3種水體濁度明顯下降，表明3種水體中泥沙和藻類等懸浮物的大小多分布在5～40 μm之間。

表1 不同過濾條件下3種自然水體濁度Table 1 Turbidity of three kinds of natural water under different filtration conditions NTU

2.2 3 種自然水體光譜圖

3種自然水體原始光譜圖如圖1所示。3種自然水體在220～230 nm之間有明顯吸收峰，且吸收帶在200～250 nm之間，這是由于自然水體中存在硝酸鹽等離子以及有機(jī)物[23]。自然水體中固體懸浮物和雜質(zhì)的光散射引發(fā)的濁度干擾導(dǎo)致光譜曲線整體抬升[24]。由表1、圖1可知，河涌水原始濁度遠(yuǎn)大于池塘水濁度，但光譜曲線卻有相近的基線抬升量；農(nóng)田水濁度大于池塘水濁度，但基線抬升量卻相反。這表明自然水體中不同物質(zhì)光散射所引起的濁度干擾也是不同的。

圖1 3 種自然水體原始光譜Fig. 1 Original spectra of three kinds of natural water

2.3 甲基對硫磷溶液光譜圖

甲基對硫磷在純凈水中不同質(zhì)量濃度梯度的吸收光譜如圖2所示，當(dāng)甲基對硫磷質(zhì)量濃度在0.1～3.0 mg/L時，純凈水-甲基對硫磷溶液光譜在204、215和275 nm左右有3個特征波峰；當(dāng)甲基對硫磷質(zhì)量濃度在 3.1～6.0 mg/L 時，204 nm 左右的第一特征波峰消失，第二特征峰和第三特征峰位置未發(fā)生改變。

圖2 60 種不同質(zhì)量濃度 (0.1～6.0 mg·L-1)純凈水-甲基對硫磷溶液光譜Fig. 2 Spectra of pure water-methyl parathion solutions with 60 different mass concentrations of 0.1-6.0 mg·L-1

池塘水-甲基對硫磷溶液、農(nóng)田水-甲基對硫磷溶液、河涌水-甲基對硫磷溶液不同質(zhì)量濃度梯度的原始光譜圖以及不同過濾條件下溶液光譜圖見圖3～5。無論濃度高低，甲基對硫磷溶液在自然水體中的紫外-可見光譜在204 nm處均無特征峰。不同過濾條件處理前后，甲基對硫磷溶液光譜中的2個特征波峰位置均分布在225 和275 nm左右。溶液的光密度值均未超過2.0，整體光譜曲線未出現(xiàn)過飽和現(xiàn)象。

圖3 不同過濾條件下 60 種不同質(zhì)量濃度 (0.1～6.0 mg·L-1)池塘水-甲基對硫磷溶液光譜Fig. 3 Spectra of pond water-methyl parathion solutions with 60 different mass concentrations of 0.1-6.0 mg·L-1 under different filtration conditions

圖4 不同過濾條件下 60 種不同質(zhì)量濃度 (0.1～6.0 mg·L-1)農(nóng)田水-甲基對硫磷溶液光譜Fig. 4 Spectra of farmland water-methyl parathion solutions with 60 different mass concentrations of 0.1-6.0 mg·L-1 under different filtration conditions

圖5 不同過濾條件下 60 種不同質(zhì)量濃度 (0.1～6.0 mg·L-1)河涌水-甲基對硫磷溶液光譜Fig. 5 Spectra of canal water-methyl parathion solutions with 60 different mass concentrations of 0.1-6.0 mg·L-1 under different filtration conditions

純凈水/自然水體-甲基對硫磷質(zhì)量溶液在275 nm處甲基對硫磷質(zhì)量濃度與光密度的線性擬合圖見圖6。在3種自然水體中，甲基對硫磷質(zhì)量濃度和光密度仍有較好的線性關(guān)系，符合朗伯—比爾定律，與在純凈水中的線性關(guān)系能夠保持一致。整體上看，過濾后的自然水體-甲基對硫磷溶液中質(zhì)量濃度與光密度的線性關(guān)系優(yōu)于未過濾的。圖6b中，在高質(zhì)量濃度段，未過濾的甲基對硫磷溶液光密度低于紗布過濾后光密度，其原因是試驗過程中未過濾農(nóng)田水里的泥沙易發(fā)生沉淀，導(dǎo)致測量時光譜基線下降。

圖6 甲基對硫磷質(zhì)量濃度與光密度的線性擬合圖Fig. 6 Linear fitting graphs of methyl parathion mass concentration and optical density

結(jié)合圖3～6可知，通過不同過濾條件過濾之后，自然水體-甲基對硫磷溶液光譜的基線有不同程度的下降，其中使用5 μm和0.45 μm濾膜過濾后整體光譜基線下降最多；因為2種濾膜過濾掉了水體中絕大多數(shù)的懸浮物和雜質(zhì)，使?jié)岫纫鸬纳⑸涞葴p少，溶液透光性增加。光譜基線的下降使光譜整體光密度值降低，使用小孔徑的濾膜過濾使甲基對硫磷溶液過濾后的光譜曲線效果變好，基本消除了基線的漂移和抬升，增強了質(zhì)量濃度與光密度之間的線性關(guān)系。

2.4 不同過濾條件下甲基對硫磷-CARS-PLS 預(yù)測模型

不同過濾條件下甲基對硫磷-CARS-PLS模型預(yù)測結(jié)果見表2。未過濾前甲基對硫磷溶液在池塘水、農(nóng)田水和河涌水中的光譜模型的RPD均大于3，R2p均高于 0.98，且 RMSEP最高為 0.144 1、最低為0.091 4，表明模型的預(yù)測性能均較高。

表2 不同過濾條件下甲基對硫磷-CARS-PLS模型預(yù)測結(jié)果Table 2 Prediction results of methyl parathion-CARS-PLS model under different filtration conditions

經(jīng)過不同過濾條件過濾后的自然水體-甲基對硫磷溶液光譜模型的RPD均遠(yuǎn)大于3，R2p均大于0.99，RMSEP均小于0.14，表明經(jīng)過不同過濾條件過濾后的甲基對硫磷溶液模型均可用來做定量分析且模型預(yù)測精度高，并且過濾增強了甲基對硫磷溶液光譜中質(zhì)量濃度與光密度的線性關(guān)系(圖6)，從而加強了模型的預(yù)測能力。

未過濾和紗布過濾后的自然水體-甲基對硫磷溶液光譜模型具有較好的模型系數(shù)，但光譜中存在大量雜質(zhì)干擾。使用5 μm濾膜過濾的甲基對硫磷溶液光譜模型均優(yōu)于未過濾的自然水體-甲基對硫磷溶液，模型具有較高預(yù)測能力，同時模型中的干擾也較少。使用0.45 μm濾膜過濾后的甲基對硫磷溶液光譜模型均優(yōu)于使用40 μm紗布過濾后溶液的光譜模型，且光譜模型基本排除了濁度帶來的干擾，但使用0.45 μm濾膜過濾操作較復(fù)雜且耗時最長。

3 結(jié)論

1) 3種自然水體中的懸浮物和藻類的大小多分布在5～40 μm之間，不同水體中的懸浮物產(chǎn)生的濁度對光譜基線抬升的影響也不同。不同過濾條件對濁度有較大影響。

2)無論質(zhì)量濃度高低，甲基對硫磷在3種自然水體中的光譜圖只有2個特征峰，位于225 和275 nm左右。不同過濾條件不會改變甲基對硫磷的特征峰位置，但會降低溶液光譜曲線的基線。

3)整體上看，過濾增強了甲基對硫磷質(zhì)量濃度與光密度間的線性關(guān)系。過濾后的自然水體-甲基對硫磷溶液光譜模型均有較高的預(yù)測精度，可用于定量分析。本文采用的3種過濾條件中，5 μm濾膜過濾效果最佳，能夠去除水體中絕大部分固體懸浮物所引起的濁度干擾，同時有機(jī)磷農(nóng)藥光譜模型也具有較高的預(yù)測精度。

4)本文采用物理手段(不同過濾條件)濾除自然水體中的固體懸浮物，減少水體中濁度對光譜采集的影響，過濾之后的甲基對硫磷農(nóng)藥模型更適合實際應(yīng)用檢測。該研究為采用紫外-可見吸收光譜法現(xiàn)場快速檢測自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥濃度的預(yù)處理方法提供了理論依據(jù)。