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近红外光谱法(NIR)快速诊断蔬菜中有机磷农药残残留

发表时间:2016-08-01 13:11来源:仪器信息网网址:http://www.instrument.com.cn

 近二十年来,随着计算机技术及化学计量学科的迅速发展,近红外光谱学理论和应用技术研究的不断深入,已经逐步形成一整套 NIR 光谱学的理论体系和技术体系,实现了测量信号的数字化、分析过程的绿色化、智能化,使该项技术构成了鲜明的时代特征,堪称为现代近红外光谱分析技术的开端。先后十一届国际 NIR光谱学会义,上千篇高水平学术论文,集中反映了现代近红外光谱学发展的成就。该项技术已经在工、农、医、石化、食品、纺织等各个领域推广应用,带来了巨大的经济效益,引起人们的广泛注意。

  农药及其残留对人体健康的危害和造成对环境的污染是人所共知的,特别是蔬菜中由于使用高毒农药或禁用农药而引起中毒事件时有发生。目前,采用的检测手段,主要是 G C 、HPLC 和 CG-MS 等经典方法,费时长、检测费用高、技术条件复杂,难于实现即时监控,作为辅助手段的酶联免疫速测卡方法,起到了一定的粗筛作用,但由于酶的质量、活性、时间等因素而影响速测效果,寻找简便快捷的速测技术仍是人们的迫切期望。

 Pierre billeen等曾利用近红外检测拌种用杀虫剂的含量,取得了较好的结果。本文介绍用 NIR 光谱法无损判别叶菜中有机磷农药残留的方法研究,并取得了满意的效果。为实现蔬菜无公害化流通和上市提供一种新的检测手段。

1 材料与方法

 1.1 仪器设备及参数设置

  采用 Nicolet 公司 Nexus670 傅立叶变换近红外光谱仪 TRS-50MHz 检测器,测定范围 4000~10000cm-1,扫描次数 3 2 次,分辨率 8cm - 1。

 1.2 样品来源及农药测定

  蔬菜样品:共二十多个品种,分别来自深圳市蔬菜生产基地、大型蔬菜批发市场和部分大中型超市。

  农药样品:甲胺磷标准品(99%) ,甲胺磷乳油(50%)、甲基异柳磷、毒死蜱、辛硫磷均为市购农药品种 。

  农药残留测定:GC-MS 美国 Agilent 公司产品 6890/5973 型,采用美国通用的 CDFA 法分析,提供农药残留值数据。

1.3 样品光谱测量

  每处取 5 株菜,每株取 2 个成熟叶片,在每个叶片前半部中脉两侧采集 NIR 光谱,每样共采集 2 0 个光谱,平均后作为该试样的标准光谱。

2 结果与讨论

 2.1 农药甲胺磷残留的 NIR 分析

  含磷基团在 NIR 光区的表征是甲胺磷残留得以快速检测的基础。NIR 光谱属于振动光谱,是基频分子振动的倍频与组合频,主要反映含氢基因(C-H 、O-H、N -H、P-H、S-H 等键)的特征信息,由于 NIR 光谱中大多数含氢基团可以在多个波段取得,特征性不强,一般不用它作化合物基团识别、类别鉴定和结构分析,但根据 Osborne 等人的研究“近红外在食品分析”一书中详细描述了从 14000~4000cm-1 的整个近红外光区中各类含氢基团谱带的归属,只有倍频区的5241cm-1 附近为含磷基团的特信号(在标准情况下,当选用分辨率为 8cm-1 时,可以把 5237~5245cm-1 之间出现的吸收均视为含磷基团的吸收)。为此,本文采用NIR 光谱法,把5241cm- 1附近吸收峰的有无和强弱作为主要指认目标峰,探讨鉴别有机磷残留的可能性。

  甲胺磷的化学名称为 O ·S 一二甲基氨基硫代磷酸酯,结构比较简单,高毒性,为蔬菜上禁用的有机磷农药品种,图 1~2 是甲胺磷标准品的 NIR 光谱图及二阶导数谱图,说明该物质在 5241cm- 1 处有特征吸收,通过对甲胺磷乳油 NIR 谱图的分析,特征吸收在 5241cm- 1 处取得较好的重现性,为了解甲胺磷在蔬菜上的 NIR 光谱信息,采取模拟农药喷施试验,方法是选用小油菜( 经GC-MS 分析确认为无农药污染) ,从中脉处一分为二,一半喷施一定浓度的甲胺磷溶液,另一半为对照,分别扫描采集 NIR 光谱,通过差谱及二阶导数处理,发现施药样品在 5241cm- 1 有强吸收,未喷药样品无此吸收峰出现,经多次反复比较研究证明,油菜中含磷基团的出现是由于农药甲胺磷的引入而造成的,并非是植物本身的产物。继而在大量试验的基础上,研制出油菜中甲胺磷残留定性乃至定量检测的分析模型。

2.2 蔬菜品种对检测的影响

  为研究磷基团在倍频区 5241cm-1 附近的特征吸收在不同品种蔬菜中的表现,先后对小油菜、小白菜、青椰菜、芥兰、菜心等分属不同科的 2 0 多种叶菜类蔬菜进行分析比较,在供试样品中,小油菜 7 6 份、芥兰、青椰菜、小白菜、菜心等其它各菜均为 3 0 份,每样品在用一定浓度甲胺磷处理前后,分别采集光谱( 处理前均经过 GC-MS 分析确认为无农药污染)。研究观察上述各蔬菜的近红外图谱在倍频区的特征吸收及其变化,结果表明用甲胺磷处理的各菜在 5241cm- 1 附近均有较强吸收,获得 100% 的有效检测结果。这就证明在该波数范围内的特征吸收不受蔬菜品种的干扰。2.3 该方法检出限浓度,分别用10.0×10-6、5.0×10-6、3.0 × 10-6、1.0× 10-6、0.5× 10-6、0.2× 10-6、0.1×10-6 甲胺磷溶液按2.2的方法进行处理和检测,结果见表1。

   从表中结果可以看出,用 0.2 × 10-6 以上浓度处理的样品,其特征吸收几乎没有偏差,但用 0.1 × 10- 6 及以下浓度处理其特征波长发生一定的变化,甚至在5241cm- 1 附近无吸收。可以认为用近红外技术检测的下值 0.2 × 10-6,换言之,当残留量值为 1.0 × 10-6 以上浓度时,其特征峰的出现在5241 ± 2.0cm-1 之间,而低于1.0×10- 6 浓度时,特征吸收略有偏移。在此基础上我们先后对常见的15种叶菜类进行了分析检验,并与 GC-MS 检测结果相比较,获得一致的分析结果,从而建立起一套分析各种叶菜类的数学模型。至止,采用 NIR 技术分析一个叶菜样品中农药甲胺磷残留,只需 2 ~3min 即可完成。

2.4 其他有机磷农药残留的 NIR 分析

  本研究除以甲胺磷农药作特征靶物外,还对甲基异柳磷、毒死蜱和辛硫磷(见图3)等三种有机磷类农药进行残留分析,其中甲基异柳磷(硫逐磷酰胺酯)在 NIR 光区的特征吸收峰在波数 5240cm-1 附件;毒死蜱和辛硫磷(均属硫逐磷酸化合物) ,在 NIR 区的特征吸收峰在波数5238~5239cm- 1 之间,同属有机磷类农药,而在 NIR 区的表征上的差异,主要是他们的分子结构上的差异造成的,分别用这三种农药模拟喷施,各处理 3 0 个样品,研究结果表明在5237.6~5239.5cm-1和5242.6~5244.5cm-1之间都能观察到较强的特征吸收,这就进一步说明了用NIR 光谱法快速检测蔬菜中有机磷农药残留是可行的。

  残留分析,其中甲基异柳磷(硫逐磷酰胺酯)在 NIR 光区的特征吸收峰在波数 5240cm-1 附件;毒死蜱和辛硫磷(均属硫逐磷酸化合物) ,在 NIR 区的特征吸收峰在波数5238~5239cm- 1 之间,同属有机磷类农药,而在 NIR 区的表征上的差异,主要是他们的分子结构上的差异造成的,分别用这三种农药模拟喷施,各处理 3 0 个样品,研究结果表明在5237.6~5239.5cm-1和5242.6~5244.5cm-1之间都能观察到较强的特征吸收,这就进一步说明了用NIR 光谱法快速检测蔬菜中有机磷农药残留是可行的。

2.5 准确度与应用效果评价

 为进一步检验 NIR 法的可行性,用所建立的 NIR 数字模型进行实际应用效果的考察,以常见蔬菜品种为检测对象,并用 GC-MS 分析方法作为验证。分别从 2 个大型农批市场、4 个蔬菜生产基地和近 20 个大中型超市蔬菜部共随机取样 508 个,结果表明,NIR 光谱法检出79 个样品受有机磷农药污染,而 GC-MS 方法检出 8 1 个样品受农药污染,检出农药品种达 1 5 个,其中有机磷农药占 98.8%,两法相比,其吻合率为 97.5%,说明两者的结果非常接近,同时还发现,甲胺磷等高毒有机磷农药污染的样品,其 NIR 区的特征吸收峰多出现在5239.6~5242.5cm-1范围内,中低毒有机磷农药污染的样品,其特征吸收峰略向两边偏移,多在 5239.5~5237.6cm-1 及5242.6~5244.5cm-1之间。

3 结论

  采用近红外光谱倍频区的特征信息,结合差谱及导数处理,可快速对叶菜中有机磷农药残留的污染与否进行鉴别。目前国内外有关蔬菜有机磷农药残留快速筛测的新技术报道不多,利用 NIR 快速无损检测农药残留更为鲜见,该法具有方便、快捷、无损、准确等优点,通过大量样品的实际检验,具有很好的可靠性、准确性和实用性,为农药残留的快速分析提供一种新的手段,具有广阔的应用前景。

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