基于表面增强拉曼光谱技术检测茶叶中“毒死蜱”含量的研究

2022-09-02 17:45:58, oceanhood 上海如海光电科技有限公司


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8月27日,央视新闻30分栏目报道,陕西省榆林市榆阳区市场监管局认定一个体工商户经营销售的芹菜食品监督抽检不合格。毒死蜱实测值为0.11mg/kg,《食品安全国家标准 食品中农药最大残留限量》(GB2763-2021)中规定,毒死蜱在芹菜中的最大残留限量为0.05 mg/kg,违反规定,给予当事人罚款6.6万元的行政处罚。

视频图片来源:《央视网快看》

毒死蜱的危害

这起社会事件引起大众广泛热议,那么毒死蜱是什么呢?

化学名为O,O-二乙基-O-(3,5,6-三氯-2-吡啶基)硫代磷酸,呈白色结晶,具有轻微的硫醇味,是一种非内吸性广谱杀虫、杀螨剂。毒死蜱具有环境持久性和生物蓄积性,它能通过人们的饮水、食物、住所、甚至呼吸的空气进人体内,分布于血液、唾液,作用于神经、免疫、生殖、内分泌等器官系统,甚至影响胎儿的生长发育;还可能会引起DNA损伤、基因突变、染色体畸变等遗传毒性;诱导细胞癌变,增加肺癌、白血病等癌症的发病风险。

快速检测方法

基于表面增强拉曼光谱技术开发茶叶中毒死蜱快速检测方法。结合ICPA-mRMR算法实现了茶叶中毒死蜱农药残留的快速定量检测,ICPA-mRMR预测值与LC-MS/MS检测值并无显著性差异。

表面增强拉曼光谱(SERS)是拉曼光谱的延伸与发展,SERS=拉曼光谱的高特异性+金属纳米结构提供的局部表面等离子体共振+高灵敏性,故SERS不仅继承了拉曼光谱高特异性的特点,而且能够使待测分子拉曼信号增强几百万倍甚至更大数量级。

图1 金属纳米颗粒表面增强拉曼散射过程示意图

[引自H. Zhang, C. Wang, H. L. Sun, et al. In situ dynamic tracking of heterogeneous nanocatalytic processes by shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy[J]. Nature Communications, 2017, 8:15447.]

图2(A)SERS检测体系示意图;(B)SPL-Raman-785显微拉曼光谱仪

图3 茶叶中毒死蜱农药残留SERS光谱

特征峰(cm-1

特征峰归属

626

ν(P=S)

1085

ν(P-O-R)

1155

δs (C-H)

1260

Ring stretching mode

1455

δs (C-H)

1570

Ring stretching mode

注:ν表示伸缩振动,δS表示对称弯曲振动
1 毒死蜱SERS光谱特征峰的归属

结合ICPA-m RMR算法实现了茶叶中毒死蜱农药残留的快速定量检测,ICPA-mRMR预测值与LC-MS/MS检测值并无显著性差异。

基于SERS检测体系实现了茶叶中毒死蜱农药残留SERS光谱的检测,检测灵敏度至少可达到1.0×10-9g/kg。欧盟针对茶叶中毒死蜱的最大残留限量(MRLs)为0.1mg/kg(1.0×10-5 g/kg)。上述结果表明,该SERS检测体系可以满足欧盟标准的灵敏度要求,且具有构建简单、使用方便、稳定性和可靠性好等优点。基于此,开展茶叶中毒死蜱农药残留SERS光谱的定量研究,如4所示。

图4 茶叶中毒死蜱农药残留快速检测示意图

图5(A)不同波长参与下校正模型的RMSEC和RMSEP值的变化;(B)ICPA-mRMR筛选得到的特征波长的分布;(C)茶叶中的毒死蜱农药残留ICPA-mRMR预测值与LC-MS/MS测定的真实值之间的关系

表2 各算法模型的定量检测结果

本研究基于SERS检测体系和ICPA-m RMR实现了茶叶中毒死蜱农药残留的快速定量检测。首先,提出了新型的特征波长筛选-建模算法ICPA-mRMR,在最优波长子区间筛选阶段,将BMS、EDF和MPA嵌入ICPA中,用于波长子区间的采样、波长子区间的空间收缩以及波长子区间的集群分析。其次,在筛选得到的最优波长子区间的基础上,采用m RMR算法进一步筛选特征波长以去除冗余度。然后,将ICPA-mRMR与PLS、si PLS-GA和CARS-PLS等用于定量检测茶叶中的毒死蜱农药残留,结果对比分析表明,ICPA-m RMR筛选得到的特征波长最少,且预测性能最佳。最后,将ICPA-mRMR的预测值与LC-MS/MS测定的实测值做t检验,结果表明,ICPA-mRMR预测值与LC-MS/MS检测值并无显著性差异。因此,该方法可作为茶叶中单一农药残留快速定量检测的有力工具。

仪器推荐:MR-3CHANNEL-Portman785

本研究中用到的SPL-Raman-785显微拉曼光谱仪,本公司现已升级为MR-3CHANNEL-Portman785。

自动对焦,mapping, 高光谱,自动移动平台,支持多种波长,在生物医疗、光致发光、微塑料、二维材料石墨烯等科研领域中广泛应用。

MR532/785/1064显微拉曼光谱仪是由拉曼三通道模块、LED光源、金相显微镜等部分构成。操作简单,采集速度快,在短时间内观察到样品的微观结构与拉曼光谱信息,能够快速帮助用户对样品进行检测与分析。在生物医疗、光致发光、微塑料、二维材料石墨烯等科研领域中广泛应用。

如海自研的拉曼三通道模块可以支持532nm、633nm、785nm、830nm、1064nm等任意3个不同激发波长的拉曼光谱测量。模块中配置光路切换系统,可以通过软件进行不同波长激发的快速切换,并可对采集的拉曼谱图进行叠加对比分析。模块上的探头可以即插即用,对非常规形态的样品方便检测。可根据用户已有的显微镜定制适配的拉曼三通道模块,组装成显微拉曼光谱仪。

可支持拓展Mapping平台(即拉曼光谱成像功能),可以对样品微区进行拉曼光谱成像。用图像的方式直观显示样品的化学成分分布、表面物理化学性质等更多信息。高精度移动平台,最小步进1μm,可精确探测到样品的拉曼信号。软件功能完善,可实现自动聚焦功能、明场图像拼接以及mapping图像显示。

本文作者:刘瑞

参考文献


[1]戴红梅,邓媛英,张辰,赵玲玲.毒死蜱暴露对健康危害研究进展[J].中国公共卫生,2016,32(07):995-998.
[2]朱家骥. 基于表面增强拉曼光谱(SERS)技术的茶叶中农药残留快速检测方法研究[D].江苏大学,2020.
[3] R.J.C. Brown, M.J.T. Milton, Nanostructures and nanostructured substrates for surface—enhanced Raman scattering (SERS)[J]. Journal of Raman Spectroscopy, 2008, 39:1313-1326.
[4]H. Zhang, C. Wang, H. L. Sun, et al. In situ dynamic tracking of heterogeneous nanocatalytic processes by shell-isolated nanoparticle-enhanced Raman spectroscopy[J]. Nature Communications, 2017, 8:15447.


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上海如海光电科技有限公司是一家专业从事光学仪器、光电类模组、光学部件等设计、研发与生产的研发型企业。

公司拥有专业的光纤光谱仪与半导体激光器制造技术,光学探头研发和光谱检测技术,是专业光学系统定制,光学仪器零部件设计、仪器及理化整体方案的供应商,已和国内多家主流科研、研究机构开展深度合作。

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