基于拉曼光譜技術(shù)的水果殘留農(nóng)藥檢測(cè)方法探討

康文龍

（武山縣食品藥品檢驗(yàn)檢測(cè)中心，甘肅天水 741000）

食品安全直接關(guān)系到人們的身體健康，成為整個(gè)社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。針對(duì)農(nóng)藥殘留，我國(guó)《中華人民共和國(guó)食品安全法》《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)--食品中農(nóng)藥最大殘留限量》等文件中有明確規(guī)定。目前的農(nóng)藥殘留檢測(cè)方法主要有3種：①生物檢測(cè)，不僅技術(shù)要求高，而且無(wú)法確定農(nóng)藥的種類；②理化檢測(cè)，因操作復(fù)雜、耗時(shí)長(zhǎng)，不滿足快速檢測(cè)要求；③快速檢測(cè)技術(shù)，以酶法、免疫檢測(cè)、生物傳感器等技術(shù)為代表，缺點(diǎn)是成本高、靈敏度低。拉曼光譜是一種散射光譜，理論基礎(chǔ)是印度科學(xué)家C.V.拉曼發(fā)現(xiàn)的拉曼散射效應(yīng)。分子能級(jí)躍遷時(shí)，如果只涉及到轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，此時(shí)發(fā)射出小拉曼光譜；如果涉及到振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)，就會(huì)發(fā)射出大拉曼光譜[1]。分析拉曼光譜的特征，可反映出物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)、成分、濃度，是開展相關(guān)檢測(cè)的技術(shù)原理。相關(guān)研究稱，拉曼光譜技術(shù)的應(yīng)用，可對(duì)農(nóng)藥殘留進(jìn)行快速、準(zhǔn)確檢測(cè)，明確農(nóng)藥種類，成為該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向[2]。

1 材料與方法

1.1 樣本來(lái)源

本次研究對(duì)象選擇紅富士蘋果，采購(gòu)于農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)，大小、形態(tài)和顏色基本一致。

1.2 儀器與試劑

試驗(yàn)中使用的儀器工具主要是激光顯微拉曼光譜儀，光譜范圍為100～3 200 cm-1，分辨率＜1cm-1；激光波長(zhǎng)為780 nm，物鏡和目鏡分別放大50倍、10倍。農(nóng)藥類型選擇敵百蟲，呈粉末狀固體，化學(xué)名為O,O-二甲基-(2,2,2-三氯-1-羥基乙基)膦酸酯，化學(xué)式為C4H8Cl3O4P。

1.3 樣品制備

蘋果洗凈待用。在敵百蟲農(nóng)藥中加入去離子水進(jìn)行稀釋，獲得不同質(zhì)量濃度，分別為48 000 mg/kg、4 800 mg/kg、480 mg/kg、48 mg/kg和 4.8 mg/kg。使用移液器分別吸取100 μL的敵百蟲溶液，滴在洗凈的蘋果表面，并在室溫下自然晾干，作為本次試驗(yàn)樣品。

1.4 采集拉曼光譜

（1）采集敵百蟲的拉曼光譜。使用電子天平，準(zhǔn)確稱量0.1 g敵百蟲原藥，將其置于鋁箔片上。使用激光顯微拉曼光譜儀，采集敵百蟲的拉曼特征光譜，主要參數(shù)如下：激光功率為10 mV，積分時(shí)間為10 s，掃描1次。

（2）采集蘋果表面的拉曼光譜。分別選擇洗凈的蘋果、滴入不同濃度敵百蟲溶液的蘋果，置于三維自動(dòng)載物臺(tái)上。對(duì)載物臺(tái)進(jìn)行移動(dòng)，控制手柄聚焦，使用激光顯微拉曼光譜儀采集拉曼光譜，主要參數(shù)如下：激光功率為50 mV，積分時(shí)間為12 s，掃描5次。

1.5 數(shù)據(jù)預(yù)處理

敵百蟲農(nóng)藥的原始光譜見圖1。

圖1 敵百蟲農(nóng)藥的原始光譜和校準(zhǔn)光譜

使用激光顯微拉曼光譜儀采集拉曼光譜時(shí)，會(huì)受到儀器噪聲和熒光的干擾，為了消除這些干擾，需要對(duì)光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理。針對(duì)儀器噪聲干擾，采用小波閾值去噪法；針對(duì)熒光干擾，采用形狀匹配背景去除法[3]。如此，就能得到敵百蟲的校準(zhǔn)光譜，可見校準(zhǔn)光譜的特征峰明顯。

2 結(jié)果與分析

2.1 有、無(wú)殘留農(nóng)藥的蘋果表面拉曼圖像比較

2.1.1 有殘留農(nóng)藥的蘋果表面拉曼圖像

使用拉曼光譜檢測(cè)農(nóng)藥殘留，先要獲得拉曼光譜。圖2中的A曲線是預(yù)處理后的敵百蟲拉曼光譜，由圖2可知，拉曼光譜信號(hào)豐富，6個(gè)頻率處的特征峰明顯，分別是293 cm-1、373 cm-1、441 cm-1、620 cm-1、721 cm-1和786 cm-1，其中441 cm-1處的峰值最大。結(jié)合相關(guān)研究，441 cm-1和786 cm-1處是P-O鍵振動(dòng)，620 cm-1和721 cm-1處是C-Cl鍵振動(dòng)[4]。

2.1.2 無(wú)殘留農(nóng)藥的蘋果表面拉曼圖像

圖2中的B曲線是敵百蟲無(wú)殘留蘋果的拉曼光譜，通過(guò)對(duì)比能明確農(nóng)藥的相關(guān)信息。由圖2可知，≥1 000 cm-1頻率處，有敵百蟲殘留的蘋果和無(wú)殘留的蘋果表皮，拉曼光譜特征相近，原因可能是蘋果表皮中含有果膠、纖維素，均屬于有機(jī)物，和敵百蟲農(nóng)藥的部分基團(tuán)相同，因此表現(xiàn)出相似的特征頻率。而在＜1 000 cm-1頻率處，兩者的拉曼光譜特征有明顯差異，尤其是有殘留的6個(gè)頻率處的特征峰，可以作為識(shí)別敵百蟲農(nóng)藥的依據(jù)。

圖2 蘋果表面拉曼圖像

2.2 不同濃度農(nóng)藥殘留的蘋果表面拉曼圖像比較

不同濃度敵百蟲殘留的蘋果拉曼光譜圖像見圖3。由圖3可知，①隨著敵百蟲濃度降低，蘋果表皮的特征頻率強(qiáng)度逐漸增大，會(huì)覆蓋敵百蟲的特征頻率，影響農(nóng)藥識(shí)別。②識(shí)別敵百蟲農(nóng)藥的6個(gè)特征頻率，均可檢測(cè)到10-3數(shù)量級(jí)的濃度；當(dāng)濃度達(dá)到10-4數(shù)量級(jí)時(shí)，信號(hào)變?nèi)蹼y以辨認(rèn)，因此檢出限為4 800 mg/kg。

圖3 不同濃度敵百蟲殘留的蘋果表面拉曼圖像

3 討論

3.1 試驗(yàn)方法的優(yōu)化

①試驗(yàn)開始前要矯正儀器，一般使用單晶硅進(jìn)行矯正，當(dāng)單晶硅的特征峰位于520.7 cm-1處，說(shuō)明儀器矯正完成。②為了獲得最佳試驗(yàn)效果，還需要合理選擇激光器。本次研究中，設(shè)置相同的試驗(yàn)條件，積分時(shí)間2 s，對(duì)3個(gè)無(wú)農(nóng)藥殘留的蘋果果皮樣品進(jìn)行光譜掃描，分別掃描3次獲得拉曼圖像，并觀察在473 nm、633 nm和785 nm時(shí)的圖像。結(jié)果顯示，473 nm時(shí)的果皮樣本完好，而633 nm和785 nm時(shí)的果皮樣本燒焦。因此，激光器在473 nm下進(jìn)行本試驗(yàn)。

3.2 建立標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)模型

趙琦[5]采用距離匹配和判別分析法，對(duì)蘋果汁中馬拉硫磷、二嗪農(nóng)進(jìn)行定性分析，用偏最小二乘法對(duì)農(nóng)藥的表面增強(qiáng)拉曼光譜進(jìn)行數(shù)學(xué)建模分析。結(jié)果表明：表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)對(duì)分析馬拉硫磷和二嗪農(nóng)具有較高的準(zhǔn)確性，定量分析也具有可行性。HE[6]建立一種快速簡(jiǎn)單的表面擦拭捕獲農(nóng)藥的方法，利用不同濃度的噻苯達(dá)唑建立標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)模型，計(jì)算得到釋放因子后，對(duì)蘋果表面的噻菌靈進(jìn)行回收率計(jì)算和定量檢測(cè)，得到不同水平下噻菌靈的回收率為59.4%～76.6%，擦拭-表面增強(qiáng)拉曼法的計(jì)算準(zhǔn)確率達(dá)到89.2%～115.4%。可見，對(duì)殘留農(nóng)藥進(jìn)行分析時(shí)，因?qū)嶋H工況比較復(fù)雜，檢測(cè)過(guò)程會(huì)受到多種因素的干擾。此時(shí)建立標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)模型，可提高檢測(cè)結(jié)果的精準(zhǔn)度，實(shí)現(xiàn)痕量農(nóng)藥定量檢測(cè)的目標(biāo)。

4 結(jié)論

本研究表明，表面有敵百蟲殘留農(nóng)藥的蘋果，其拉曼圖像特征頻率豐富，檢出限為4 800 mg/kg。檢測(cè)水果農(nóng)藥殘留時(shí)，拉曼光譜技術(shù)是一種有效的技術(shù)方法，具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)損的特點(diǎn)，可推廣應(yīng)用。在今后，應(yīng)進(jìn)一步完善試驗(yàn)方法，優(yōu)化試驗(yàn)參數(shù)，并建立標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)模型，以達(dá)到更低的檢出限，提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。