使用短波长激光检验蔬菜中的农药残留

使用短波长激光检验蔬菜中的农药残留 北京市第八十中学 杨 洋 青少年科技创新大赛一等奖； 2006 年参加新西兰科技创新大赛。 摘 要 本项目所论述的 使用 40060短波长激光检验蔬菜中农药的残留， 是一种高效实时的针对蔬菜进行检验的方法。有别于传统的化学检验方法，此方法实施简便检验精确及时，可以在各种场所使用而不需特殊的试验环境。 农药在特定的溶剂条件下是能够发荧光的 ,可以通过荧光光谱分析方法来对它们进行直接或间接的分析测定。 首先确定各种对人体有害的农药在 上述激光照射下所产生的荧光光谱的特征峰值波长和荧光结构，将需要检测的蔬菜通过浸泡和压榨取汁获得适合检测的液体样品。将上述激光束照射这些液体样品获得相应的荧光光谱分布，通过分析获得的荧光光谱，确定样品中有无相应的农药和有害物质残留。 此外 ,也为进一步研究开发用于农药的荧光检测仪器提供了可行性。 关键词 : 激光 ，荧光 检验， 蔬菜 ，农药残留 一、前言 随着经济的进步和社会的发展以及 人们生活水平的提高 ，人们的生产活动越来越向自动化和高效方向发展。不仅在工业产品的生产中如此，在农牧业生产中也越来越受到人为的控制和影响 。 农药是防治农作物避免受有害生物危害的重要农业生产资料 ,它在农业生产中具有十分重要的作用。 为了极大限度的提高农产品的产量，广泛使用各种农药也成为现代农业中的必要的手段。 然而农药又是一种典型的有机污染物 , 属于毒物和化学有害物质 , 对人、畜、环境生物和水、大气、土壤等环境要素会产生危害和污染 1 。 所使用的这些农药一方面能够防治农作物的病虫害，但另一方面它们的残留也会对食用它们的人类产生有害的影响。 目前 ,农药已成为世界上主要的污染源之一 ,农药残留问题已受到国际上广泛的关注。为此 ,许多国家制定了农药在食品 中的最高残留限量 (,农作物的进出口都要求农药残留要低于各国的 着我国加入 农作物的进出口将不断扩大 ,农药残留的检测标准与国际标准接轨就变得越来越重要 2。 如何防止有害物质对人们的健康产生影响，国家质检总局相关的研究检验单位会经常对市场上出售的进行检验。 要对农作物表面的农药污染进行控制与治理首先要探测出农药的分布品种以及浓度等信息 3 。 传统的检验方法使用的是化学检验 分析 的 方法对农药污染进行检测 ，检验周期长，程序复杂，对不同的化合物（农药）还需要不同的检验手段。 是一项需要 长时间和巨大人力物力的工作 。这样就不能满足现实生活中需要对大量待检物进行实时检验的需要。 本项目所论述的利用 激光诱导荧光的机理，激光诱导荧光技术研究农药残留物在激光照射下产生的荧光 ,由于不同农药荧光的频谱分布、时间延迟及产生效率等特性往往具有明显差异 4， 5.,因此通过对其激光诱导荧光特性的研究，可以探测农药是否有残留并鉴别其种类。用激光诱导荧光技术进行测量，先测出农药的激光诱导荧光光谱后 ,根据适当的判据来区分、测定各种农药的浓度。用激光诱导荧光技术进行探测 ,其灵敏度较高、简单易行、可以进行实时实地的探测 。是一种高效实时的针对超市和农贸市场所出售的蔬菜进行检验的方法。这种方法实施简便，检验精确及时，可以在各种需要的场所使用而不需要特殊的试验环境。 本项目的创新点： 1、装置简单。不需要复杂的特定的条件下就可进行； 2、成本低廉。装置成本不高并可重复使用，没有一次性用品； 3、无污染。激光检测不会产生废弃物和沉渣，安全环保； 4、检测效率高。可快速检测出农药的所属类型和浓度； 5、准确率高。相对于传统的化学检测法大大提高了效率； 6、操作简单。大部分检测通过电脑程序完成，此方法推广后对操作人员简单培训后既可进 行操作检测； 7、使用性强。可推广到农产品质检部门和超市，并广泛应用。 本项目的研究方法： 1、调查了解。如上所述，在调查了解中发现近年来农产品流通中曾有过大规模出口蔬菜因农药残留不符合标准而造成损失的案例很多，而且人们对环保、健康越来越关注。因此好的检测方法和实用性强的检测设备是具有很好的市场前景的。所以如果此项目能够得以广泛应用对社会生产和人民健康的长远意义是十分重大的。 2、对现有检测方式的了解，现有检测方法成本高，准确率不高，例如现在各省市县的质检部门都在使用化学分析法来检测，其效率远远不及本项目。 了解一些科研人员和从业人员也表示对此项目的期待和需求还是很高的，希望能早日开发出来投入使用。这也给我的研究带来了信心和目标。故在此思路下展开研究工作。 研究步骤： 1、 项目的可行性调研 2、对激光、光谱原理进行分析 3、对常用农药的光谱进行分析 4、对检验装置构造原理分析和实验 5、技术改进的设想 二、方法 _检验装置 本项目所讨论的检验方法中，我使用一个能够发出 40060个盛放被检验蔬菜压榨汁的比色皿（石英玻璃），一个光学镜头组和与之相连接的光纤，和一个安装有光 谱卡的计算机。 激光器用 3 倍频的调 Q 脉冲固体 光器 ,输出波长为 400 460最高输出能量为5脉宽约 10发射角约 10些实验设备由中国科学院物理研究所提供。实验时 ,激光脉冲频率为 5用透镜耦合至光纤 ,光纤收集端 (样品端 ) 每个脉冲的输出能量在 10 - 4J 量级 ,样品表面的能量密度大约在 10 - 4J / 级。荧光产生的效率一般都比较低 ,因而荧光信号通常很微弱 ,这就要求探测系统有较高的灵敏度 5 。 短波长的激光所发出的光 子具有较大的能量，分子（或原子）吸收了高能量光子的能量后会以荧光的方式释放出这些能量。 系统测量原理框图如图 1所示。 比色皿 光纤 镜头组 激光器 安装有光谱卡的计算机 （装置示意图） 系统工作时 , 我将需要检验的蔬菜压榨出汁，并使用滤纸过滤除去纤维和粗大杂质，然后装入比色皿中待检。将盛有蔬菜汁的比色皿置入上述检验装置中， 计算机发出控制信号 ,由于我们首先已经确定了各种主要的有害化学药品在上述装置检验中所发出的各种荧光光谱。 激光照射样品后， 样品发出的荧光与物质的分子结构直接相关，经过此类激光照射的物质中， 被测物质受激发射出荧光 , 荧光信号与部分反射激发光经透镜会聚以后耦合进光纤内由探测光纤收集 , 经聚焦和滤光将光信号转换成电信号 ;再经驱动电路放大后送到 A/D , 这样探测样品被激发 出荧光由采集光纤收集入 计算机处理 系统 , 然后通过识别荧光的光谱特征和结构，就能够确定其中各种成分的组成和每一种成分的相对比例。 最终 ,信号由计算机显示在荧光屏，。蔬菜样品中的农药成分和比例一目了然。 按照上述检验原理和装置，将这些荧光光谱的特征和结构分析清楚，主要是识别和标定相应的波峰和波谷的位置，以及相应的波峰的强度（高低）与化合物浓度的比例关系。在确定了上述特征参数后，通过检验其激光激发荧光光谱。获得这些荧光光谱后，检验其特征峰和光谱结构，通过与光谱图卡的比较，就可以确定有无相应农药化学成分。 三、 讨 论 分析 接下来，我需要分析并说明一下激光检验的原理，然后再对几种农药进行实验性分析。 验原理： 荧光是由具有吸光结构的物质在吸收光能之后所发出的光线 , 它的强度和该物质的吸光能力及荧光效率有关。卡死克农药在激光照射下能发射出荧光 , 其荧光谱只有一个峰带 , 因此可用荧光强度来表征它的浓度 , 而荧光强度 F 与被测物浓度 F = K 1- (1) 式中 , K 为仪器常数 ; 激发光光强 ; c 为被测物质浓度。将 (1) 式取对数并整理得出 c 与 F 的关系式 : c= A - B D - F ) (2) 当被测物质与仪器确定后 ,A , B ,D 均为常数。由 (2) 式可知浓度 c 只与荧光强度 F 有关 , 通过测量农药的荧光强度就可以得出被测农药的浓度。对于很稀的溶液 , 荧光强度与浓度的关系为 F = 2. 303(0. 05) (3) 式中 , 参数 U, E, b 及 c 的意义同上 6 。 所谓激光诱导荧光 ,即介质受到激光激发后 ,先由基态跃迁到激发态 ,然后处于激发态上的分子通过弛豫再下降到基态的过程中 ,以光量子的形式释放出它所吸收的能量 ,这就是荧光。分子荧光辐射都是从第一电子激发态的最低振动能级向基态中各能级跃迁而产生的 ,与分子受激时跃迁到哪个高能级无关 ,所以分子荧光光谱与激发入射光的波长无关 ,只取决于该分子第一电子激发态最低振动能级和基态中各能级的能级结构 ,即分子荧光光谱直接反映分子的结构信息 7 。 在荧光分析中 ,并非所有物质都能产生荧光 , 本文讨论有机农药的分子结构与荧光产生的关系 8 ，有机分子产生荧光主要取决于它自身的化学结构及能量状态 ,由文献 9知道荧光强度与分子结构关系一般具有如下普遍规律 : a. 荧光通常是发生在那些带有延伸的电子轨道的分子或带有共轭双键体系的有机分子中 ,这种体系中的电子共轭度越大 ,能量越低 ,离域 荧光越易产生 ,而且荧光光谱将向长波方向移动。具有芳环或杂环的物质 ,其芳环越大 ,其荧光峰越移向长波方向 (红移 ) ,荧光强度也越强 9 。 b. 具有 强烈荧光的有机分子 ,应具有刚性的、不饱和的、平面型的多烯体系。如果一个有机分子具有共轭双键的非刚性链 ,并且存在着重叠的原子轨道 ,而使其分子处于非平面构型 ,那么这样的有机分子大多不会发射荧光。 c. 在芳香化合物的芳香环上 ,进行不同基团的取代 ,对该化合物的荧光强度和荧光光谱将产生很大的影响。 (1) 给电子取代基 : 当化合物中含有 O 给电子基团时 ,这些基团上的 使共轭体系中电子云密度增大 ,分子基态激发能降低 ,故能增强分子的荧光。但要注意的是 ,这类基团的 荧光强度相应变弱。 (2) 吸电子取代基 : 当化合物中含有 重氮类等基团时 , 由于吸电子基的诱导效应 ,使共轭体系中 削弱了分子的荧光。这类基团也含有 对溶剂的极性和酸碱度敏感。 (3) 取代基的位置 : 邻位及对位取代基对荧光影响较大 ,间位取代基影响不大 ,两种性质不同的取代基共存时 ,其中一个取代基起主导作用。此外 ,有机物分子溶于某些溶剂中后将与溶剂中的水分子形成氢键 ,从而增加分子的平面性 ,则荧光加强。例如苯甲酸虽不发生荧光 ,但羟基苯甲酸却会发生荧光。另外有的物质在碱性条件下发荧光 ,而在酸性条件下不发荧光 ;或者是与其他物质反应 ,由原本不发荧光的物质转变为强荧光的物质。 通常 ,荧光的光谱特性可用以下参量来描述 :荧光的谱分布特性、荧光谱峰值强度、谱线宽度等。由于每种物质的能级结构不同 ,因此 ,在相同的激励条件下其发射荧光的特性也不同。通过对上述荧光特性参量的测量 ,可区分不同物质的种类。 光光谱 的分析 我发现，由于实际农业生产当中使用的农药种类繁 多，生产厂家多而且产品（农药）的质量（成分）参差不齐，因此需要大量和仔细的甄选分析，这样才能获得能够用来作为比较的标准光谱图卡。 从上述的检验原理可以看出， 如果不能够确定各种有害农药的特征光谱，获得有效的标准光谱图卡，就不能实现上述的检验 。下面是我对一些常用农药的特征光谱进行的分析： 维因 西维因 ,化学名为 12萘基 2属于氨基甲酸酯类杀虫剂 ,其分子结构如图 1所示 ,是萘基与氨基甲酰 ( 的结合产物。萘属于稠环芳香化合物 ,由两个苯环构成。由于萘中苯环数量增加 ,其中共轭双键增加 ,萘的荧光强度比苯增强很多。氨基甲酰基 ( 是一个取代基 ,它可通过诱导效应和共轭效应而影响萘环上的电子密度分布 ,使萘环上的电子密度比没有取代基时要高 ,使分子基态激发能降低 ,故能增强分子的荧光。 图 1 西维因的分子结构式 he of 西维因在纯甲醇中的激发光谱和荧光光谱分别如图 2和图 3所示。我从实验结果得知 ,西维因在纯甲醇中具有很强的荧光特性。其激发光谱峰值在 318332 以 318 获得西维因的荧光光谱 ,峰值位于 648, 675 一波峰是由单体西维因分子产生的 ,第二波峰是由西维因与甲醇的羟基相互作用所生成缔合西维因络合物产生的。 图 2 西维因在纯甲醇中的激发光谱 of in 图 3 西维因在纯甲醇中的荧光光谱 of in 根据西维因的理化特性 ,遇水、碱易发生水解生成萘酚 等化合物 ,而萘酚具有更强的荧光特性 2 ,从图 4(a)中可以看出 ,西维因在水与甲醇比为 4 1 的溶剂中其激发光谱的峰值为 325用这一波长激发而得到的荧光光谱如图 4(b) ,图中出现两个波峰 : 1 为西维因水解产物萘酚的荧光光谱 ; 2 为溶液中的残余的西维因的荧光曲线。当西维因在呈碱性溶液中时 ,将发生更彻底的水解反应 ,西维因全部生成萘酚。图 5(a)和 (b)分别是萘酚的激发光谱图和荧光光谱图 ,可见萘酚的激发光谱是一宽带光谱 ,峰值波长为 335而萘酚的荧光光谱是一个宽带谱 ,峰值位于 470近 。可见 ,西维因在不同的溶剂条件下 ,其会产生不同的荧光特性。 图 4 西维因在水 (80% ) +甲醇 (20% )中的激发光谱 ( a)和荧光光谱 ( b) a) b) of in 80%) 20%). 图 5 西维因在 13的水 80% +甲醇 20%溶剂中的激发光谱 ( a)和荧光光谱 ( b) a) b) of in 80%) 20%) 13. 百威和速灭威 克百威和速灭威也是两种常用的农药。它们的分子结构如图 6所示。从分子结构式中可以看出 ,它们的基本骨架也是氨基甲酰部分 ,与之相联的取代基团不同 ,形成了性质各异的物质。因而该类化合物的荧光性质应取决于其构架氨基甲酸酰部分及其不同的取代基 (芳基 )的荧光性质。氨基甲酰部分能否发荧光 ,主要取决于 C 其为双 键平面结构 3 ,因而氨基甲酰可能产生荧光 ,但是应很弱。从分子结构可以看出它们的取代基的主体是芳香族的苯基和萘基。而苯和萘是具有闭环共轭体系的平面刚性结构 ,是能够产生荧光的物质 3 。我通过实验获得了克百威的激发和荧光光谱图 ,如图 7所示。从图中可以看出 ,激发光位于紫外区 ,激发谱的峰值波长为 358 荧光光谱的峰值波长分别在 410440470最大荧光峰值波长为 410 图 6 克百威与速灭威的分子结构式 he of 图 7 克百威在纯甲醇中的激发光谱 (a)和 (b)荧光光谱 a) b) of in 虫脒和吡虫啉 啶虫脒 ,化学名称 : 2氰基 2乙亚胺基 ) 222氯吡啶 252甲胺 (吡啶类农药 )。其分子结构式如图 8所示。我经实验发现啶虫脒在纯甲醇中的荧光很弱 ,无法用于分析。而在碱性条件下不稳定 ,易分解 ,生成羟基吡啶化合物 ,该物质与苯酚的结构相似 ,由于 因而在紫外光照射下发生很强的光吸收 ,从图 10中可以看出 ,它的激发光谱的最大峰激发波长为 351 峰波长为 303 光光谱的峰值波长为 480见 ,通过间接的方法可以对啶虫脒溶液进行荧光分析。与之性质相似的还有吡虫啉 ,其结构式如图 9 所示。化学名称 : 12( 62氯 232吡啶基甲基 ) 222基胺 ,属于 吡啶类农药 。它是杂环化合物 ,构成分子的主体是吡啶和咪唑 ,而吡啶和咪唑的母体分别是苯和环戊二烯 ,二者都是平面的环闭共轭体系 ,本身具有荧光特性。 图 8 啶虫脒分子结构式 he of 图 9 吡虫啉的分子结构式 he of 图 10 啶虫脒在 13 的水 80% +甲醇 20%溶剂中的激发光谱 ( a)与荧光光谱( b) a) b) of in 80%) 20%) 13. 四、结论 有机农药分子能否产生荧光与其化学结构有密切关系 ,我 通过上述对几种常用农药的基本化学结构和其激光光谱的实验及分析，确定了它们能发荧光的基本特性主要取决于分子结构中的荧光基团 ,得到了在甲醇溶液中西维因、克百威和啶虫脒几种常用农药的激发光谱和荧光光谱。这些光谱的准确都表明了用激光测定农药的正确率与效率是很高的。并且，获得这些光谱的简单快捷程度也验证了此方案是可以向全社会推广的。 本文提出了一种使用激光检验蔬菜中残留农药的方法，并对这种方法的实现过程的所涉及的可能因素进行了分析，论述的检验方法能够容易实现对农药的定性检验，但定量的检测还需要确定光谱的当量强度（即单位浓度的化合物在确定能量激光照射下所发出的光谱强度），因此要实现定量检验还需要更