四环素类抗生素的太赫兹光谱检测技术研究

发布时间：2018-12-13 16:31

【摘要】：抗生素残留在全球范围威胁动物源食品的安全,造成严重的直接或间接经济损失,同时含有抗生素残留的动物源食品可对人体健康产生严重危害甚至死亡,其中尤以四环素类抗生素残留最为严重。传统检测方法如微生物学检测方法、色谱法、毛细管电泳法以及免疫学方法在检测时间、操作、方法建立或分子结构信息提供等方面存在局限。基于光谱的检测方法具有快速、简单的优势,且能反应分子结构信息,是一种潜在的检测手段。其中太赫兹光谱这种新兴的检测技术,因其独特的性质,近年来备受关注。本课题以动物源食品中常见的4种四环素类(Tetracyclines Hydrochloride, TCsH)抗生素：盐酸四环素(Tetracycline Hydrochloride, TCH)、盐酸土霉素(Oxytetracycline Hydrochloride, OTCH)、盐酸强力霉素(Doxycycline Hydrochloride, DTCH)和盐酸金霉素(Chlortetracycline Hydrochloride, CTCH)为检测对象,以太赫兹时域光谱技术为研究主线,建立了TCsH抗生素的检测方法和定量分析模型。首次获得了TCsH纯品压片的太赫兹光谱特征,探索了太赫兹光谱技术检测TCsH抗生素的可行性和方法,为动物源食品中抗生素残留的测定提供了一种新思路。本文的主要内容和研究结果如下：(1)获得并分析了TCsH纯品压片的太赫兹指纹特征。利用压片法进行TCsH样品的制备。TCsH纯品压片在0.3-1.8 THz频段的吸收光谱分析结果显示：TCH有3个吸收峰：0.79、1.40和1.60 THz; DTCH呈现出3个明显的吸收峰：0.76、1.20和1.57THz,以及一个较弱的吸收峰：0.54 THz; CTCH则具有4个吸收峰：0.76、1.00、1.34和1.62THz;而OTCH没有表现出明显的吸收峰,但是可以观察到一个中心频率在～1.3THz处的宽吸收峰,以及3个分别在1.48、1.58和1.70 THz处的极弱吸收峰。T TCsH气相单分子在该频段的密度泛函理论计算结果表明：TCsH在0.3-18 THz频段的特征吸收峰大部分来源于分子间振动或声子模式,少部分来源于分子内原子团的面内或面外摇摆振动。结果表明,TCsH具有太赫兹指纹特征；密度泛函理论能够在一定程度上解释太赫兹光谱,从而明确TCsH特征吸收峰的来源。(2)建立了一种基于液体池太赫兹光谱技术的溶液中TCsH检测方法。利用可调光程液体池作为样品池。聚乙烯和二氧化硅在0.2-1.0THz频段的透过率分别为0.67-0.90和0.41-0.85,对应的吸收系数分别为0.28-1.28和0.54-2.97cm-1,综合考虑,SiO2更适合用作太赫兹波段液体测试的窗片。不同厚度纯水的吸收系数分析结果表明：当光程为0.20 mm时,可以得到可靠、准确的纯水在0.2-1.0THz频段的光学参数,过长或过短的光程均会影响液态样品光学参数的准确性。TCsH溶液在0.2-1.0 THz频段的吸收光谱分析结果表明：4种5mg/mL TCsH水溶液的吸收光谱并没有表现出所含TCsH的特征吸收峰,而是重合在一起,因此,利用这种方法对太赫兹吸收光谱进行直观判断,无法鉴别纯水中TCsH的种类；4种5mg/mL TCsH牛奶溶液和纯牛奶的吸收光谱重合在一起,因此,利用这种方法对太赫兹吸收光谱进行直观判断,无法检测纯牛奶中是否存在TCsH。以TCH为例,不同浓度TCH水溶液在0.45-0.55THz频段的吸收光谱分析结果表明：0、2.5、5、10和20 mg/mL溶液的吸收光谱能够被区分开,且同一频率下,吸收系数随着浓度的增加而减小,因此可以通过观察吸收光谱实现不同浓度TCH水溶液的半定量分析,能检测到TCH的最低浓度为2.5mg/mL。TCH水溶液在该频段的平均吸收系数和TCH浓度之间的简单线性回归(Simple Linear Regression, SLR)模型表明：随着TCH浓度的增加,TCH水溶液的吸收系数减小；回归模型的决定系数(Coefficient of Determination, R2)为0.98,均方根误差(Root-Mean-Square Error, RMSE)为1.15 mg/mL,检测限(Limit of Detection, LOD)为0.73mg/mL。结果表明,基于液体池法的太赫兹光谱技术可实现纯水中TCH的定量分析。(3)建立了一种基于衰减全反射太赫兹光谱技术的溶液中TCsH检测方法。纯水的测试结果表明该技术可以得到可靠、准确的纯水在0.3-20THz频段的复折射率。TCsH溶液在0.3-1.0 THz频段的太赫兹复折射率光谱分析结果表明：不管是纯水还是纯牛奶作为溶剂,4种5 mg/mL TCsH溶液的复折射率光谱重合在一起,但同一频率下,TCsH溶液的复折射率值比对应溶剂(纯水或纯牛奶)的小,因此,利用这种方法对太赫兹复折射率光谱进行直观判断,无法鉴别纯水或纯牛奶中TCsH的种类,但可以检测纯水或纯牛奶中是否存在TCsH。以TCH为例,不同浓度TCH溶液的复折射率光谱分析结果表明：它们的复折射率光谱形状相似,但同一频率下,溶液的复折射率值均随着TCH浓度的增加而减小。TCH溶液在0.5 THz处的复折射率值与TCH浓度之间的SLR模型表明：随着TCH浓度的增加,溶液的复折射率值均减小,且消光系数值的减小速度快于折射率值的减小速度；4个SLR模型的露在0.95-0.98之间,RMSE在0.61-0.99 mg/mL之间,LOD在0.45-1.29 mg/mL之间。结果表明,衰减全反射太赫兹光谱技术可实现纯水或纯牛奶中TCH的定量分析。(4)建立了一种基于金属孔阵列太赫兹光谱技术的TCsH检测方法。实验测得的金属孔阵列在0.43 THz处有一个透射峰,与仿真结果吻合。仿真结果表明：随着电介质厚度的增加,金属孔阵列透射峰的频率发生红移,对应的灵敏度为12.5 IGHz/μ m。当以纯水作为溶剂时,金属孔阵列表面TCsH薄膜的太赫兹透射光谱分析结果表明：4种1000 mg/L TCsH薄膜的透射光谱重合在一起,但是,TCsH薄膜的透射峰振幅值和透射峰频率均比空白金属孔阵列(金属孔阵列表面纯水干燥后得到)的小,因此,利用这种方法对太赫兹透射光谱进行直观判断,无法鉴别纯水中TCsH的种类,但可以检测纯水中是否存在TCsH。当以纯牛奶作为溶剂时,金属孔阵列表面TCsH牛奶薄膜的太赫兹透射光谱分析结果表明：4种1000 mg/L TCsH牛奶薄膜和纯牛奶薄膜的透射光谱重合在一起,因此,利用这种方法对太赫兹透射光谱进行直观判断,无法检测纯牛奶中是否存在TCsH.以TCH水溶液为例,金属孔阵列表面不同浓度TCH薄膜的透射光谱分析结果表明：当浓度低于01mg/L时,透射光谱没有差异；当浓度为0.1-10mg/L时,透射峰振幅值随着浓度的增加而增大；当浓度大于10 mg/L时,随着浓度的增大,透射峰频率出现红移且振幅值减小。金属孔阵列表面TCH薄膜的太赫兹透射光谱主成分分析(Principal Component Analysis, PCA)结果表明：该金属孔阵列方法能检测到纯水中TCH的最小浓度为0.1mg/L,该灵敏度比高阻硅片作为薄膜样品载体时高105倍,与法律规定的四环素类抗生素在动物源食品中的最高残留限量相当。结果表明,基于金属孔阵列的太赫兹光谱技术可实现纯水中TCH的定量分析,且检测灵敏度大大提高。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：S859.84

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