基于表面增强拉曼光谱的农药残留快速检测研究

发布时间：2020-05-22 09:41

【摘要】：农药在作物的生长过程中发挥着重要的作用,可以有效地控制作物生长过程中的病虫害,提高作物产量。但由于不合理的施用,农药在控制虫害的同时,造成了农产品上农药残留超标、水质污染等问题,进而影响食品安全,威胁人体的健康。为了保证人体健康和食品安全,农药残留的检测成为备受关注的问题,农药残留的相关检测分析技术也成为研究的热点。表面增强拉曼光谱检测技术由于具有样本制备简单、检测速度快等优点在农药残留检测的方面得到应用。本文利用表面增强拉曼光谱法结合化学计量学方法探索了农作物生长过程中的灌溉水和作物本体中的农药残留的检测和快速分析方法。主要研究内容如下:(1)研究SERS法快速检测水中亚胺硫磷、氟啶虫胺腈、地虫硫磷三种农药残留。首先,将含有不同浓度的农药残留水样本离心后用于SERS光谱测量。然后,对使用多项式拟合方法扣除基线后的光谱,采用不同的分类建模方法对光谱进行分类,K-最近邻法对三种农药光谱的分类精确度最高,结果均为100%。最后,建立不同的回归模型实现对光谱的量化分析。回归分析结果表明,PLSR模型对地虫硫磷、氟啶虫胺腈具有最佳预测性能,地虫硫磷的PLSR模型RMSEP=0.318和R2p=0.9991,氟啶虫胺腈的PLSR模型RMSEP=0.515和Rg =0.9997,SVR模型对水中亚胺硫磷具有最佳预测性能RMSEP=0.207和R2p=0.9995。(2)研究SERS法准确检测农作物玉米上的杀螟硫磷残留方法。首先,使用乙醇溶剂提取玉米中的杀螟硫磷残留,采集残留提取液的SERS光谱。采用GC-MS法判断农药残留提取的回收率高于92.5%。然后,采用主成分分析法判定农药残留的检测限为0.5 mg/kg。最后,结合SVR与S-G卷积平滑和小波变换对所采集的光谱进行建模,最佳模型的分析误差达到RMSEP=0.1341 μg/mL,决定系数为R2p=0.9996,具有较好的量化分析结果。(3)设计农药残留的SERS光谱分析软件,实现对农药残留光谱的快速解析。检测人员根据界面提示信息导入待分析的光谱数据,选择相应的处理算法,处理结果以图形显示在软件界面上,使之直观便捷的观察到结果。同时,软件中设置了样本和参数的参数设置功能,通过改变参数获取最佳结果。此外,软件的数据管理功能可以保存重要的数据处理结果,便于后续的调用和查看。研究表明,利用SERS光谱可以检测出水体以及玉米中的农药残留,同时结合支持向量机,偏最小二乘法等化学计量学方法实现光谱的分析,农药残留的SERS光谱分析软件的设计与实现进一步方便了光谱的分析处理,满足检测人员更多的需求。
【图文】：

拉曼光谱图,拉曼光谱图,稳态,频率

形成频率低于或高于入射光频率的新谱线，，通过对新谱线的研宄，可以得到逡逑分子结构信息，这种现象被命名为拉曼散射效应，散射光所形成的光谱称为拉曼逡逑光谱ｅｃｕ稳态拉曼光谱图如图２．１所示。逡逑强度逡逑反斯托克斯频率—＊斯托克斯频率逡逑；逦－４５９逡逑Ｉ邋１逦－３１４逦｜逡逑Ｉ邋ＴＩ逡逑ｊ逡逑ｔ２１８逦：逦？！逡逑＋３１４邋；逦／逦＼逡逑＋４５９邋ｈ邋Ｉ邋！逦＼邋Ｈ邋！；逦？逦－７６２邋．７９0逡逑；７９0ｌｌ逦Ｍ逦ｎ逡逑＋７６２邋．ｗ．’逦＼逡逑－二二二“－邋邋—－ｙ－ｉ．．．．逦．了’一广、逡逑拉曼位移／ｅｒｒｒ１逡逑图２．１邋ＣＣＵ稳态拉曼光谱图逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ邋Ｒａｍａｎ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｏｆ邋ＣＣＵ逡逑图２．１中％是入射光的频率，在拉曼光谱图中相对于％重新标记的散射光逡逑频率为拉曼频率或者拉曼位移。图２．２为拉曼散射原理图，当激光照射到物质表逡逑面时，发生弹性散射和非弹性散射。若散射光频率与入射光频率相同时为弹性散逡逑射，即瑞利散射。若散射光频率与入射光频率不同时，入射光与分子之间产生能逡逑量交换，为非弹性散射；非弹性散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，二者逡逑又称为拉曼散射。当散射光频率低于入射光频率时，能量减少，为斯托克斯散射；逡逑当散射光频率高于入射光频率时，能量增加，为反斯托克斯散射；斯托克斯线与逡逑反斯托克斯线在瑞利散射线的两侧呈对称式分布。由于光的非弹性散射而产生的逡逑频率变化与振动能级的差异精确匹配

原理图,拉曼散射,原理图,频率

形成频率低于或高于入射光频率的新谱线，通过对新谱线的研宄，可以得到逡逑分子结构信息，这种现象被命名为拉曼散射效应，散射光所形成的光谱称为拉曼逡逑光谱ｅｃｕ稳态拉曼光谱图如图２．１所示。逡逑强度逡逑反斯托克斯频率—＊斯托克斯频率逡逑；逦－４５９逡逑Ｉ邋１逦－３１４逦｜逡逑Ｉ邋ＴＩ逡逑ｊ逡逑ｔ２１８逦：逦？！逡逑＋３１４邋；逦／逦＼逡逑＋４５９邋ｈ邋Ｉ邋！逦＼邋Ｈ邋！；逦？逦－７６２邋．７９0逡逑；７９0ｌｌ逦Ｍ逦ｎ逡逑＋７６２邋．ｗ．’逦＼逡逑－二二二“－邋邋—－ｙ－ｉ．．．．逦．了’一广、逡逑拉曼位移／ｅｒｒｒ１逡逑图２．１邋ＣＣＵ稳态拉曼光谱图逡逑Ｆｉｇ邋２．１邋Ｓｔｅａｄｙ－ｓｔａｔｅ邋Ｒａｍａｎ邋ｓｐｅｃｔｒａ邋ｏｆ邋ＣＣＵ逡逑图２．１中％是入射光的频率，在拉曼光谱图中相对于％重新标记的散射光逡逑频率为拉曼频率或者拉曼位移。图２．２为拉曼散射原理图，当激光照射到物质表逡逑面时，发生弹性散射和非弹性散射。若散射光频率与入射光频率相同时为弹性散逡逑射，即瑞利散射。若散射光频率与入射光频率不同时，入射光与分子之间产生能逡逑量交换，为非弹性散射；非弹性散射分为斯托克斯散射和反斯托克斯散射，二者逡逑又称为拉曼散射。当散射光频率低于入射光频率时，能量减少，为斯托克斯散射；逡逑当散射光频率高于入射光频率时，能量增加，为反斯托克斯散射；斯托克斯线与逡逑反斯托克斯线在瑞利散射线的两侧呈对称式分布。由于光的非弹性散射而产生的逡逑频率变化与振动能级的差异精确匹配
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：S481.8

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