（测试计量技术及仪器专业论文）应用红外光谱技术进行农药残留快速检测的研究.pdf

中文摘要 对食品中农药残留快速、高效的检测技术是当前食品安全控制关注的重大问 题。现有的各种农药残蜜检测方法存在：样品的前处理过程繁琐、消耗试剂、耗 时长等缺点，无法实现现代快速、绿色检测的需要。本课题是尝试利用中红外光 谱检测技术为蔬菜农药残留的直接检测做基础性研究。研究的意义在于该检测方 法样品前处理简单、对环境无污染、可以实现快速检测。 本研究主要分为对农药溶液样品检测精度的考察和对蔬菜农残进行直接检 测的可行性研究两个方面。 在对农药溶液样品检测精度的考察方面，主要采用中红外透射法和衰减全反 射( a t r ) 方法对检测精度进行各种探索，包括：农药在蔬菜汁载体下吸收特性 分析实验；透射方法敌敌畏样品的最佳过程的理论推导和实验验证；a t r 方法 两种农药梯度浓度样品的检测限分析实验。2 m m 光程下敌敌畏氯仿溶液的检测 精度可达4 4 p p m ，相关系数为0 9 9 9 9 。应用a t r 方法，敌敌畏的s e p 可达 4 6 6 7 p p m ，相关系数为0 9 9 7 8 ：敌百虫建模评价的r m s e p 可达3 2 5 2 p p m ，相关 系数为0 9 6 4 。 在对蔬菜农残进行直接检测的可行性研究方面，主要采用固体a t r 技术考 察对检溅结果产生影确的因素。包括壹接检测蔬菜活体样品的影响因素分析实 验；蔬菜模拟物的选取和模拟物农药残留样品的检测精度分析实验；归一化等数 据预处理方法评价固体a t r 重复性实验。模拟物农药残留样品的检测精度可达 1 0 5 2 8 p p m ，相关系数为0 9 9 9 8 。重复性情况，保鲜膜能量数据的c v 值由原始 数据的0 0 0 6 7 ，经1 5 次均值后降至o 0 0 4 6 ；蔬菜样品的c v 值由0 0 2 6 ，经平滑 处理后降至0 0 2 4 ，经3 2 5 7 c m 1 水峰处进行归一后的结果可达o 0 0 5 9 。 研究表明，中红外光谱法可以应用于农药残留检测精度要求不高的场台，如 超标施用农药样品的快速粗筛选。通过对特定农药( 如：敌敌畏或敌百虫) 建立 模型可以实现快速、直接检测蔬菜样品；但限于红外仪器本身的灵敏度不够该 方法尚无法实现对蔬菜样品精确的定量检测。 关键词：中红外光谱，衰减全反射，农药残留，蔬菜。速测 a b s t r a c t h o wt od e t e c tp e s t i c i d er e s i d u a li nf o o dq u i c k l ya n de f f i c i e n t l yi sak e yp r o b l e m i nf o o d s a f e t yc o n t r o l l i n gs y s t e m t h e c o n v e n t i o n a lm e t h o d sn e e dc o m p l i c a t e d s a m p l ep r e t r e a t m e n t ，c o n s u m e b i o c h e m i c a lr e a g e n t sa n dl a s tal o n gm e a s u r i n g p e r i o d s ow e a t t e m p t t oa c h i e v et h ep e s t i c i d er e s i d u a lm e a s u r e m e n tb yo p t i c a lm e t h o d t h i s p a p e r i sc o n c e n t r a t e do nt h em e t h o d o l o g ys t u d yf o rd i r e c tm e a s u r e m e n to nv e g e t a b l e p e s t i c i d er e s i d u a l ，f o r i tn e i t h e rn e e d s a m p l ep r e t r e a t m e n t n o rc a u s ep o l l u t i o n ， t h e p a p e r c o n s i s t so f t w o a s p e c t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , as e r i e so fs p e c t r a le x p e r i m e n t sb y t r a n s m i s s i o nm e t h o da n da t rm e t h o d h a v e b e e nc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h ep r e c i s i o no ns o l v e n t sa n dn e a t p e s t i c i d e sm a d e s a m p l e s ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i s o fp e s t i c i d e s a b s o r p t i o n i n v e g e t a b l ej u i c e ；t h e t h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o na n de x p e r i m e n t a la n a l y s i sd i c h l o r v o s so p t i m i s t i cp a t h l e n g t hb y t r a n s m i s s i o n ；t h ep e s t i c i d e sd e t e c t i o na c c u r a c yo ns o l v e n ts a m p l e sb ya t r m e t h o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e d ：a t2 m mp a t h l e n g t h ，t h ed e t e c t i o na c c u r a c y o f d i c h l o r v o s i s4 4 p p m ，c o r r e l a t i o ni s0 9 9 9 9 ；u s i n ga t rm e t h o d ，d i c h l o r v o s ss e pi s4 6 6 7 p p m a n dc o r r e l a t i o ni so 9 9 7 8 t r i c h l o r f o n ss e pi s3 2 5 2 p p ma n dc o r r e l a t i o ni so 9 6 4 s e c o n d l y , s o m ee x p e r i m e n t sa p p l y i n gf i a tp l a t ea t rs y s t e mh a v eb e e nc a r r i e do u t t oi n v e s t i g a t et h ef e a s i b i l i t yo fd i r e c tm e a s u r e m e n to nv e g e t a b l es a m p l e s ，i n c l u d i n g t h ea n a l y s i so fd i r e c tm e a s u r e m e n t e f f e c t i n ga s p e c t so nv e g e t a b l e ；v e g e t a b l es i m u l a t o r c h o o s i n ga n dd e t e c t i o na c c u r a c ye v a l u a t i o n ；a p p l y i n gd a t ap r e t r e a t m e n tm e t h o d st o e v a l u a t et h e r e p e t i t i o n o fa t rs y s t e m e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e d ：v e g e t a b l e s i m u l a t o r ss e pi s 1 0 5 2 8 p p m ，c o r r e l a t i o ni so 9 9 9 8 ；a b o u tr e p e t i t i o n ，t h es i m u l a t o r s c vv a l u ec h a n g e df o r mt h eo r i g i n a l0 0 0 6 7t oo 0 0 4 6t h o r o u g ha v e r a g i n g15t i m e s t h ev e g e t a b l es a m p l e sc vv a l u ec h a n g e df o r mt h eo r i g i n a l0 0 2 6t o0 0 2 4t h r o u g h s m o o t ha n dt oo 0 0 5 9t h r o u g hn o r m a l i z a t i o na t3 2 5 7 c m “w a t e r sa b s o r p t i o n p e a k w ec o m et ot h ec o n c l u s i o nt h a t ，m i d i n f r a r e ds p e c t r o s c o p yc a nb ea p p l i e dt of a s t r o u g hs e l e c t i o no fo v e ru s e ds a m p l e s b yb u i l d i n gm o d e l sf o rs o m ec e r t a i nk i n do f p e s t i c i d e s ，t h er a p i da n d d i r e c td e t e c t i o nc a nb ea c h i e v e d b u tr e s t r a i n e db yt h er a t h e r l o w s e n s i t i v i t yo f i ri n s t r u m e n t ，a c c u r a t eq u a n t i t i v ed e t e c t i o nc o u l d n tb er e a l i z ey e t k e y w o r d s ：m i d - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , a t t e n u a t e dt o t a l r e f l e c t i o n ( a t r ) ， p e s t i c i d er e s i d u a l ，v e g e t a b l e ，r a p i dm e a s u r e m e n t 独创性声明 本人声明所里交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：套文否 签字目期：泖当年j 五月弓口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 鸯支为 签字日期：研弓年，月a o 日 导师签名：彳i 孝秤乏 签字日期：伽弓年7 月；日 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 中国是世界上最早使用农药防治农作物有害生物的国家之一，至今已有 2 0 0 0 多年历史。中国有国土1 4 4 亿多亩，耕地1 5 亿多亩，由于幅员辽阔，地理 环境和气候条件复杂，农作物品种繁多，病虫草鼠害种类也很多。每年发生受害 面积达3 0 多亿亩次，给农业生产造成了严重威胁。人们以农药为武器，在与病 虫草鼠害长期斗争实践中，已积累了丰富的经验。 中国是农药生产和使用的大国。全国约有1 0 0 0 家生产厂( 点) ，每年生产 农药( 有效成分) 2 0 多万吨，可加工成制剂8 0 i o o 万吨，仅次于美国，居世 界第二位，约占全世界总产量的1 l o 。现已在中国登记的农药产品有2 4 1 6 个。 每年常用农药1 5 0 1 6 0 种，用量2 0 万吨左右】。 农药已广泛应用于农、林、畜牧业等，在保证农业丰收，促进高产、优质、 高效现代化农业的发展，以满足人们对农副产品的需求等方面所发挥的突出作用 众所周知。使用农药每年可挽回1 5 3 0 的农产品损失，总价值为3 0 0 多亿元。 农药已成为农业生产中不可缺少的生产资料。但是，绝大多数农药都是有毒的。 年复一年将几十万吨农药施于农田和各种作物上，将会带来重大的影响。科学试 验结果表明，农药臆于农作物上，l o 2 0 的农药附着在作物体上，其他8 0 - 9 0 的农药散落到土壤、水中，漂移到大气中。农作物还可通过根和叶的吸收、 传导以及降雨等途径，将土壤、水、大气中的一些农药再转移到体内。残存在环 境中和生物体内的微量农药，称作农药残留。它包括农药原体及其有毒代谢物、 降解物和杂质。农药残留量与农药本身的理化性质、作物种类、施药因素、环境 条件和气候等有关。如果人们长期、大量施用农药，特别是滥用农药，农作物、 土壤、水和大气中的农药残留量会超过规定的限量标准，导致农药污染。农药污 染农产品和环境，对入畜造成毒害，称作农药残毒。农产品是人类的食物，动物 的饲料，土壤、水和大气是人类赖以生存的环境，若人们长期生活在被农药污染 的环境中，食用被农药污染的动植物食品，那将时时、处处受到农药的威胁，必 然会影响人们的身体健康，甚至给后代带来潜在的危害。 中国加入w t o 后欧美、日本等国在“绿色”的名义下，对中国一些 “菜篮子”产品频频亮出“红色”禁牌。今年以来，日本不断对中国蔬菜等农产 品加强检验检疫，造成中国对日农产品出口量大幅度下降。国内一些地方生产出 口到国外的蔬菜，因残留农药超标问题禁止进口。据有关部门估算脚，自2 0 0 2 年以来，国外的绿色壁垒，造成中国农产品出口的直接和间接损失已达1 0 0 多亿 第一章绪论 美元以上。前不久，北京、武汉、苏州等地纷纷出台全面封杀高毒高残留农药的 禁令，禁止销售和使用：如甲胺磷、对硫磷、六六六、敌敌畏、敌百虫、敌杀死 等高毒高残留农药及其混配剂。之所以要禁止使用上述高毒、高残留农药，一方 面由于使用这些高毒、高残留农药过程中，一些易挥发的高毒农药以及有机磷农 药等极易引起操作者中毒，而且残留在农产品上的农药对人体十分有害；另一方 面，国皮近年来出口的蔬菜类，屡匿农药残留超标丽被退货，造成很大的损失。 但中国作为农业大国，许多农民还习惯于以往的农业生产方式，大量施用 农药，其产出品的农药残留值远远高于限量标准数十倍甚至更多。这不仅会遭遇 “绿色壁垒”被拒之于国际市场之外，而且会随着国内人们生活水准的提高和辨别 力的增强，在国内市场也会遭受拒绝。 在许多发达国家，蔬菜生产基地相对集中，农药残留的抽样检测早已制度 化。在我国则不同，蔬菜生产相对分散，蔬菜要保持新鲜，即采即卖，由采收到 市场销售所经历的对闽很短，监控部门没有足够的对问把市场上的蔬菜作为样本 用气相色谱仪等分析仪器进行分析，因此只有找到适合我国蔬菜产销特点的监 测、检测方法，在较短的时间内检测较大量的样本才能适应现状。 i 2 现有方法及检测状况 现在广泛或部分用于农药残留检测的方法有：色谱法、质谱法、免疫分析 法( e l i s a ) 、酶抑制法、红外光谱分析法等。 1 2 1 色谱法 色谱技术的发展已有近2 0 0 年的历史【3 】，它是农药残留检测最成熟、稳定 的方法。由于色谱法检测农药残留具有很高的检测精度，故常用于对其他农药残 留检测方法定标的方法。但作为一种实验室检测方法，色谱法需要较长样品前处 理时间。目前对色谱法的研究方向主要是在配合发展高效、快速、低消耗有机试 剂的样品前处理提取净化技术 4 1 。传统的液液萃取( l l e ) 技术使用了大量有毒 溶剂，对环境和操作人员的身体健康形成威胁，并且其有进行提取净化费时费力， 不能进行及时检测等缺点。固相萃取( s p e ) 方法费用较高，柱子用过之后就被 废弃。现在超临界流体萃取( s f e ) 方法正在迅速发展。s t e y e n jl e h o h y ee ta t 【5 l 对蔬菜水果中的5 6 种农药残留进行了分析检测，先用s f e 进行萃取，然后再用 s p e 进行进一步净化，所每个样品的处理时间仅需2 h ，而其他方法( 如l l e ) 则需十几个小时。与传统的提取净化方法相比，s f e 有着巨大的发展潜力。但是， 目前它只在固体类农作物的农药残留分析中有应用，由于蔬菜水果的含水量较 高，在蔬菜水果的农药残留分析中应用还有很大的限制。但近几年来，随着技术 的发展，已逐渐将色谱法用于在线检测，多与硅管探头取样装置或流动注射( f i a ) 第一錾绪论 电场增强，反应在红外光谱上的吸收信号增强。由r k e l l n e r d 的研究表时”1 ， 在z n s n 型a t r 晶体表面沉积6 n m 厚的金膜检测农药去草净( t e r b u t r y n e ) ，增 强系数约为4 0 ，基本上农药所以主要波段都观测到了5 个数量级的增强。各特 征吸收峰彼此分离，特征性强，检测限降低至传统a t r 方法的2 0 。 红外光纤传感器为一种十分方便快速的测量工具，经多年来学者的改良， 已可以快速检测各种环境样品。无覆膜的a t r 光纤的灵敏度约在千分之一的浓 度范围，而结合固相微萃取法的a t r 在测量上可达百万分之一的灵敏度p k “j 。 另外，中空光纤口3 1 还可以大量快速地测量有机毒物，其灵敏度可以提高至a t r 式光纤的百倍。如，聚异丙稀覆膜的中空光纤检测水中1 - c h l o r o n a p h t h a l e n e 可达 数十个p p b 的检测极限 3 4 1 。在选择性的改进、测头物理形式的改进、仪器小型 化、定性、定量的系统建立等问题上，仍有很大的改进空间。台湾中原大学的杨 吉斯【3 5 ” 进行了应用光纤红外技术快速检测有害物方面的研究。as h a v i ve ta 1 m j 利用卤化银混合物特种红外光纤传感器，原位实时检测环境中( 水源、土壤、 废物处理地点、工农业排污处) 的污染物。0 2 m m 光纤检测硝酸盐中n 离子的 1 检测限可以达到l p p m ，是使用传统a t r 附件得到检测限的圭。应用红外纤传 z u 感器进行农药残留检测，在选择性的改进、测头物理形式的改进、仪器小型化、 定性、定量的系统建立等问题上，仍有很大的改进空问，是很有前景的一种检测 技术。 i 3 本文主要内容 农药残留分析是- - l 综合性很强、涉及面很广的分析科学。随着科学技术的 不断发展残留分析技术也在不断地更新、完善和迅速发展，尤其是速测技术更 能适应现代高效、快速的节奏和满足社会的需要。在蔬菜批发市场建立了快速检 测试验室，对进入批发市场的蔬菜定期抽样检测。对上市的蔬菜进行粗筛，将一 部分含农药残留量高的蔬菜控制在交易市场之外，尽量减少农药残留对人们的危 害，避免中毒事故发生。 针对农药残留检测分析技术的研究现状，本课题的目的是应用多种红外 光谱检测技术对配制的标准试剂样品及蔬菜农药残留样品进行研究分析，寻 找种适于现代快速、绿色检测需要的方法，为今后开发出快速、简单、灵 敏度高、样品需要量少，且适合现场筛选的分析仪器奠定基础。进而拓宽光谱 分析技术的应用领域。 本论文的主要研究内容如下： 一红外检测技术对农药残留检测的基础研究 1 从分析和确定农药特征吸收峰位置入手，进行红外光谱方法检测农 第一章绪论 药残留的可行性分析。 2 研究分析农药在蔬菜汁中的光谱特性。 3 进行标准试剂样品的中红外透射实验，评价分析检测限，及最佳光 程长理论推算和实验验证。 4 进行标准试荆样品的中红外衰减全反射( a t r ) 实验和检测限分析。 二 中红外衰减全反射检测技术对蔬菜农药残留检测的尝试 1 固体a t r 装置直接检测蔬菜农药残留样品的可行性分析。 2 尝试用a t r 装置直接检测蔬菜样品，分析可能影响测量重复性的各 种因素。 3 为减小分析的复杂性，以测量重复性为标准寻找适合的蔬菜模拟物 样品。 4 对蔬菜农药残留模拟物样品进行定量分析检测，评价出检测精度。 5 对蔬菜样品和保鲜膜模拟物样品分别进行5 0 次重复性检测。使用均 值、平滑、归一化等方法处理重复性实验数据，分析评价结果。 第二章测量原理 第二章测量原理 本章对采用中红外光谱法检测农药残留所涉及到的基本原理和方法进行总 体的介绍，内容主要包括：分子振动基本知识、红外光谱测量原理、傅立叶变换 光谱法基本原理、衰减全反射测量原理、单变量光谱分析中最佳光程长选择原理 以及评价检测精度采用的数据处理分析方法。 2 1 分子振动基本知识 红外波段按波长不同可划分为三个区域，根据美国材料实验协会( a s t m ) 的定义，波长7 8 0 n m 2 5 0 0 n m ( 1 2 8 2 0 4 0 0 0 c m - 1 ) 的区域称为近红外区，波长 2 5 0 0 n m 2 5 0 0 0 n m ( 4 0 0 0 4 0 0 c m l ) 的区域称为中红外区，绝大多数有机化合 物和无机化合物的化学键振动基频均在中红外区域出现。 分子在红外谱区的吸收主要是由于分子振动状态的变化或者按量子的观点 是分子的振动状态在不同振动能级之间的跃迁而形成的。 由量子力学的相关理论，分子振动的频率包括基频、各级倍频与各种台 频。分子可以通过共振吸收，对环境中频率与分子的基频、倍频与合频相同的电 磁波产生吸收，这就是分子的基频吸收、各级倍频吸收与各种合频吸收。由有机 物中不同键伸缩振动和弯曲振动的力常数范围可以推算出，有机物基频吸收的波 数范围约在中红外区。中红外谱区与分子的基频频率相致，而近红外谱区与分 子的倍频、合频振动频率相一致。分子在中红外谱区的吸收是由于振动状态在相 邻振动能级之间的跃迁而形成的，而近红外谱区的吸收是由于分子振动的倍频或 合频组合吸收所造成的。中红外光谱的各种信息特征都是由于这个基本特征所决 定的。 2 2 红外光谱分析与朗伯一比尔原理 红外光谱定量分析的理论基础是朗伯一比尔定律( l a m b e r t b e e r ，sl a w ) 【3 8 】。 当一束平行单色光照射到溶液时，光的部分被吸收称为吸收光厶，一部分透过 溶液称为透射光厶，一部分被器皿反射称为反射光，若入射光为o ，n l o = 1 。+ + 矗。一般情况下，器皿反射光恒定，且可减, b n 极小值，则而“厶十五。 朗伯定律：一束一定波长的单色光通过一定浓度的均匀溶液时，光强度的减 弱与液层( 光吸收层) 厚度西的增加成正比： 第二章测量原理 h 1 ，f ) = a 1 6 ( 2 1 ) 比尔定律：一束一定波长的单色光通过溶液层厚度一定且均匀的可吸收光的 溶液时，光强度的减弱与溶液浓度的增加c 和入射光强度成正比： l n ( z o i , ) = 口2 c ( 2 2 ) 两定律合并，即称为朗伯一比尔定律，可以将它看作是上述分子振动原理的 宏观表示，对于含雄种物质成分的混合溶液而言，其完整的数学表示式为： 其中： a = i n ( t o z ，) = i n ( i t ) = a 。( 丑) = 口。( a ) g ( 2 3 ) 爿：吸光度，是波长的嚣数 而：入射辐射强度 五：透过辐射强度 g ：成分以的浓度( m g d l ) 三：吸收层厚度( m ) ：成分作的吸光系数( m g d l m ) 兀透过率= , o 对于吸光系数d ，它是物质本身的固有性质。实验证明，不同浓度的同一物 质在相同波数处具有相同的吸收系数：对于每一物质，不同波数处其吸光度系数 不同。 公式( 2 3 ) 的适用条件为： ( 1 ) 吸收过程中各物质间无相互作用，但各物质的吸光度具有可加合性： ( 2 ) 辐射与物质的作用仅限于吸收过程，无荧光、散射光等化学现象i 口，两者呈正比关系，叫正相关：， o 两者呈负相关。r 的值接近于0 ，两者 没有线性相关关系。r 的计算公式为： 三、预测集样本的标准偏差 其中 h ：建模用的样品数 五、0 的估计： r = 藤 r m s e p ：属手 毋= 豚= e 1 2 一 ( 2 2 8 ) ( 2 - 2 9 ) ( 2 3 0 ) 彦给出了回归方程的精度，它称为残差标准差，若随机误差遵从正态分布n ( o 子) ，则y 的预报落在矿2 子之内的概率大约为9 5 。 六、c v 值： 盯= 辱 ( 2 3 1 ) c v = 詈 ( 2 3 2 ) 璺三童! ! 里堕墨 标准差盯刻画测量重复性绝对离散程度的指标，变异系数c v 值是刻画测量 重复性相对离散程度的指标。 2 7 小结 光谱测量涉及的知识范围较广，因此不可能全面地进行介绍，本章只针对本 文中所涉及到的基本原理和方法进行了较为详细的介绍，包括从分子振动的基本 知识、红外光谱定量分析的理论基础朗伯一比尔定律、f t - i r 光谱仪的基本原理 傅立叶变换光谱法以及本文采用的主要测量方式衰减全反射测量原理，单变量光 谱分析的最佳光程长理论，数据预处理方法，数据分析方法则主要对：一元线性 回归分析、多元线性回归分析、p l s 以及模型的评价指标进行了叙述。 第三章红外检测技术对农药残留检测的基础研究 第三章红外检测技术对农药残留检测的基础研究 3 1农药理化特性简介及红外检测方法可行性论证 本研究选用农业上常用有机磷类农药：敌百虫、敌敌畏作为研究对象。这两 种农药在国内的生产量大，为常用杀虫剂。近年来，国内一些大省市纷纷出台蔬 菜安全卫生要求等相应的法规禁止使用敌敌畏等农药。但仍有一些不法商贩超标 施用此类农药，且高出标准要求许多倍，甚至一两个数量级【1 3 i 。故对这两种农 药的检测对检查超标使用禁用农药有一定的积极意义。 3 1 1 农药理化特性简介4 7 】 一、敌敌畏： 原油，纯度9 8 3 ，天滓农药股份有限公司提供。 理化性质：原油是无色至琥珀色液体，有芳香昧，沸点3 5 。c 0 0 5 m m h g ，2 0 。c 下 蒸气压t 6 p a ，相对密度1 4 1 5 。室温下，于水中的溶解度约为i o g ，l ，在煤油中溶 0 2 - - 0 3 ，能与大多数有机溶剂合气溶胶推进剂混溶。对热稳定，但能水解。 在室温下，饱和的敌敌畏水溶液转化成磷酸氢二甲酯合二氯乙醛，其水解速度每 天约3 在碱性溶液中水解更快。我国对农药敌敌畏规定的农产品中农药最 商残留限量标准m r l ( p p m ) 是：原粮0 1 ，蔬菜、水果0 2 ，食物油不得检出 ( g c 的最低检出浓度以下) 【4 8 】。 二、敌百虫： 原药( 固体粉末) ，纯度9 6 ，天津农药股份有限公司提供。 理化性质：纯品是白色结晶粉末，熔点8 3 8 4 。c ，相对密度1 7 3 ，2 0 下蒸气 压低于1 0 m p a 。2 5 c 时在水中的溶解度为1 5 4 e , m ，溶于苯、乙醇和大多数氯代 烃类，微溶于四氯化碳和乙醚，不溶于石油。在室温下贮存是稳定的。但在热水 中和p h 5 5 时变成敌敌畏。我国对农药敌百虫规定的农产品中农药最高残留限 量标准m r l ( p p m ) 是：原粮、蔬菜、水果0 1 e 4 刖。 根据两种农药的理化性质和在各种常规试剂中的溶解度情况，为方便配制样 品，选择常用试剂氯仿作为制备敌敌畏样品的溶剂：蒸馏水作为制备敌百虫样品 的溶剂。 3 1 2 农药残留量分析方法的衡量指标1 1 农药残留量检测方法是否符合要求和可行，主要以方法的灵敏度、准确度和 第三章红外检测技术对农药残留检测的基础研究 精确度作为重要的衡量指标。 1 准确度 在农药残留量检测工作中，待测试样中农药残留量真实值是未知的，因此， 无法判断所采用方法的准确度，人们通常采用模拟的方法，在空白样本中添加一 定量的代测农药标准样品，制成已知含量的样本，然后按拟订的方法对样本进行 提取、净化和测定，所得到的实测值与已知值比较，实测值对已知值的百分率即 为添加回收率。它是衡量农药残留量检测方法准确度的重要指标。 2 精密度 精密度又称重现性，是指重复同样的试验，所得结果相似的程度。它反映了 用该分析方法对同一试样进行多次测定时，其测定值的波动幅度的大小。它是对 分析方法偶然误差的描述。一般，偶然误差是遵循正态分布的。精密度又进一步 细分为：再现性( r e p e a t a b i l i t y ) 一同一各人分析结果的精密度，重现性 ( r e p r o d u e i b i l i t y ) 不同人分析结果的精密度。 3 灵敏度( s e n s i t i v i t y ) 分析方法的灵敏度，是指方法本身能测得被测成份的最低限量。般，用最 小检出量或最低捡出浓度表示( 色谱法计算最低检出浓度的公式如3 1 所示) 。 微量分析方法要求灵敏度越高越好。方法灵敏度的高低，除操作环节，农药丢失 情况以外，主要取决于方法中所用分析仪器。仪器的检出量越低，方法的灵敏度 相应越高。灵敏度指标主要取决于1 ) 限量的规定要求；2 ) 仪器的最低检出量； 3 ) 试样中农药残留含量和取样量。 最低检出浓度c 埘g ，堙，= 量杀巢蕃曩葚舞亲蓑笺譬雾蔫肇豁。，一， 4 关于农药残留量单位 依据国际惯用f 4 9 j ，本研究各章节均采用p p m 作为农药残留量单位。p p m 是 一个比率浓度单位，大小与m g k g 相等均为百万分之一，常用于微小浓度的度量。 对溶液浓度常用1 0 0 万分的溶剂中某一种物质所占溶液的分数表示，如，将l m g 葡萄糖溶于l k g 水中，该糖水溶液的浓度即为l p p m 。 3 1 3 农药残留红外检测方法的可行性论证 一、两种农药的谱带归属 各种化合物的红外光谱虽然谱带的表现各式各样，但它所代表的各种振动形 第三章红外检测技术对农药残留检测的基础研究 式的频率都有规律可循。这是因为谱带的波数与化学键强成正比，与振动涉及原 子的折合质量成反比，因此，价键越强吸收频率越高。因此，由两种农药的分子 结构式可以分析出它们大致的谱带归属 5 0 ，5 ”，如表3 1 所示。 表3 - 1 两种农药的谱带归属情况 农药名及其分子结构式结构归属红外吸收位置 v h 3 0 7 0 ，3 0 0 0 c m 。1 v c h 3 2 9 6 0 ，2 8 5 0c m 1 1 6 3 9c m 。 0 6 c h 1 4 4 0c m ；= c t 卜p r i i o c r h 咋1 0 1 2 6 3c m “ 0 l c 他 p 卜。一c h j 1 1 5 0 c m l 敌敌畏 v p - o - ( c h ，) 1 0 3 0c l e f t “ o 一( c ；c ) 9 6 3c m q + y h 8 4 0c m 1 6 i m 5 1 0 。4 7 5c m ” v c h ， 2 9 6 0 ，2 8 5 0c m 一 5 c h 。 1 4 4 0g i n l c lo h 0 ii 咋 1 2 6 3c m “ m f 一6 卜f o 吣 9 1 1 。 v ( p k - o c i q ， 1 1 5 0 c m l c h 3 v p 。o - ( c l t 】) 1 0 3 0c m 1 敌百虫 吩c h - o h 1 0 6 5 1 1 0 5c m 一1 v c c | 6 5 0 8 5 0c m 。 二、两种农药的红外特征吸收情况 将适量农药( 敌敌畏和敌百虫) 分别溶于强挥发性溶剂丙酮，将适量的农药 丙酮溶液分别涂于液体a t r 晶体表面( 有关a t r 装置的介绍参见第二章测量原 理) ，待丙酮完全挥发后，将有一层农药薄膜附着于晶体表面。检测这层薄膜得 到的光谱信息可以视作农药纯品的光谱。这种获取红外光谱的方法称作涂片法。 第三章红外检测技术对农药残留检测的基础研究 由涂片法实测获得了农药敌敌畏和敌百虫纯品的中红外谱图如图3 - 1 所示。 可以列出它们在中红外波段的特征吸收位置，如表3 - 2 所示。 表3 - 2 农药敌敌畏和敌百虫的典型吸收带 图3 1 敌百虫c a ) 与敌敌畏( b ) 纯品中红外谱图 同样地，用涂片法检测了两种农药纯品的近红外光谱( 在石英窗上涂 片) 。但没有观测到明显的特征吸收，见图3 2 。 图3 2 敌百虫( a ) 与敌敌畏( b ) 纯品的近红外谱圆 由实际检测到的农药纯品光谱可见，两种农药在近红外波段的吸收很 第三章红外检测技术对农药残留捡测的基础研究 弱，由于分予振动的倍频、合频吸收及其线性组合，吸收光谱曲线平缓，特 征性不强。而在中红外波段，敌敌畏在1 2 5 9 2 c m ，1 1 4 7 2c m - 1 ，1 0 5 5 7c m - 。， 9 8 4 3c m ，8 6 3 4c m ，1 1 8 9 5c m l 处，敌百虫在1 2 2 5 0c m 一，1 1 8 6 ，0c m ，1 0 9 7 9 c m ，1 0 4 7 7c m 1 位置均出现了特征吸收。并且能与由农药分子的化学键官能 团的谱带归属基本可以吻合。且在敌敌畏在1 2 5 9 2 c m ，1 1 4 7 2c m 一，1 0 5 5 7c m l ， 9 8 4 3c m o 处，敌百虫在1 2 2 5 0c m ，1 0 4 7 7c m l 位置的特征蜂吸收强烈。可见， 这两种农药在中红外波段指纹区特征信息强，可以实现红外方法的检测。 三、对仪器的精度要求 当用单变量校正方法测量溶液浓度时，可检测到的最小浓度变化出i 。与 仪器的信噪比( s n r ) 、光程长，以及被测成份在测量波长处的吸光系数有如下 关系【4 4 】： d c k ；m = i 而1 石 ( 3 - 2 ) 由公式( 3 2 ) 可知，测量精度与仪器的信噪e l ( s n r ) 、光程长，以及被测成 份在测量波长处的吸光系数成反比。如果已知光程长和被测成份在测量波长 处的吸光系数，通过公式可以计算出实现预期的浓度预测精度所必需的仪器 精度。以敌敌畏为例，若在l m m 光程长情况下，在1 1 4 9 c m 1 处采用单变量校 正方法实现o 2 p p m 的测量精度，则此波长处仪器信噪比至少应达到1 5 0 0 0 ：1 。 由估算已知，本研究采用仪器的在该实验条件下1 1 4 9 c m l 处的信噪比为5 0 0 0 ：l ， 这与能够检测o 2 p p m 的残留量标准值要求的仪器精度还有一个数量级的差距。 因此，要实现实用上的精度，对仪器的精度指标还有待提高。 3 2 农药在蔬菜汁载体下的吸收特性分析 水是蔬菜叶片组织主要组成部分。成熟白菜组织中水含量约为7 0 。8 0 【5 2 1 。 可以预测，检测蔬菜体内残留农药的吸收情况在很大程度上可以视作检测农药在 水溶液中的吸收。水在中红外波段的吸收强烈，当透射光程大于o 1 m m 时，波 数小于1 7 0 0 c m 。的光几乎完全被吸收。因此，对蔬菜汁样品的检测需在折合光 程小于o 。i m m 的a t r 装置下进行。本实验通过比较分析标准试剂和蔬菜汁溶剂 中的两种农药样品的红外吸收情况，对实际生物样品中的农药残留状况作出3 5 u 断和估计。 第三章红外检测技术对农药残留检测的基础研究 一、蔬菜中色素的吸收情况 蔬菜汁是一个复杂的溶液体系，除水外，还含有：色素、生物碱、纤维素与 半纤维素、多糖、蛋白质等多种成分口2 1 。某些成分也具有一定的红外吸收特性。 从简化模型的角度出发，把蔬菜汁视为一个包含这些复杂信息的单一背景。 蔬菜汁原汁由市场出售的新鲜大白菜的内层叶片经榨汁机榨取、纱布过滤大 颗粒悬浊物而得。用滤纸过滤蔬菜汁，视经滤纸过滤两遍后颜色清澈的蔬菜汁不 含色素。分别检测了蔬菜汁原汁和不含色素的蔬菜汁的光谱数据。如图3 8 所示。 酗3 - 8 蔬菜汁的吸光皮光谱 a 一不含色素的蔬菜汁b 一蔬菜汁原汁 两条谱线几乎重合，仅在3 3 0 0 c m 。附近有微小的差异。它们之间的这些微小 差异可以视作由仪器噪声和进样误差造成。可以认为，在中红外波段范围，蔬菜 中的色素几乎没有吸收。即在检测农药在蔬菜中的吸收时，可以完全忽略在该范 围内色素对农药吸收的干扰。 二、 农药在不同类型溶剂下的吸收特生比较 分别检测相同浓度( 1 0 0 0 0 p p m ) 的敌百虫蔬菜汁溶液和水溶液的吸光度数据， 如图3 - 9 所示。可见，敌百虫的特征吸收峰位置在两种溶剂中均能够得到良好的 反映。实验结果显示，农药敌百虫在两种溶剂中的吸收峰位置完全吻合；在蔬菜 汁中的吸光度略低于在蒸馏水溶液中的，认为是未滤除的蔬菜纤维等杂质的吸收 造成的影响。 第三章红外检预岐术对农药残留检测自基础研究 图3 - 9 敌百虫在蔬菜汁( 8 ) 和蒸馏水溶剂( b ) 中的吸光度光谱 近似相同浓度( 7 0 0 0 p p m ) 的敌敌畏蔬菜汁溶液和氯仿溶液的吸光度数据如 图3 1 0 所示。由实验结果可见，敌敌畏在蔬菜汁溶剂下的吸收峰位置能够与中 红外的特征吸收一一对应( 参见表3 2 ) ，而在氯仿溶剂下，1 2 5 9 2 c m l 处和 8 6 3 4 c m l 处的峰位置发生了偏移。 图3 - 1 0 敌敌畏在氯仿溶剂( a ) 和蔬菜汁溶剂( b ) 中的吸光度光谱 图3 1 l 两种溶剂的吸收光谱a 一蔬菜汁b 一氯仿 这是由于溶剂氯仿的极性较强，影响了敌敌畏的基团吸收频率 5 0 l ，造成敌 敌畏的吸收峰位置发生移动。此外，两条吸光度曲线并不重合。这除了上述蔬菜 中杂质吸收的原因外，分析两种溶剂本身的透光能力可看到，蔬菜汁在1 4 0 0 一 8 0 0 c m 1 波段( 除1 2 1 5 e r a - 1 附近外) 的吸收比氯仿强许多( 见图3 - 1 1 ) 。因此扣 除溶剂背景时，敌敌畏在蔬菜汁中的吸光度低于在氯仿中的吸光度。 因此，可以得出：在中红外波段，蔬菜体内的色素对农药的吸收基本没有影 响：农药在蔬菜汁中基本可以完全反应出其在标准试剂中的特征吸收的结论。即， 可以用农药在标准试剂中的吸收情况反应其在蔬菜体中的吸收。 3 3应用透射技术检测农药样品 透射方法是红外检测最常用的检测方法，原理简单，易于实现。透射光谱一 般用于均匀透明的真溶液或固体样品，测量得到的吸收光谱符合比尔一胡伯定 率。吸收峰的强度主要取决与特定波长下样品的摩尔吸光系数和光程。为不丢失 笙三里堑! ! 丝型垫查翌查堑壁里垫型竺墨壁堡壅 样品信息，得到合适的吸光强度，采用透射光谱分析样品时，根据选用的波长范 围不同，样品池的尺寸选择也不相同。本节采用中红外透射技术对用标准试剂配 制的农药样品进行检测，分析出适于透射方法检测的最佳光程，并评价出在该光 程下的检测精度。 3 3 1 农药溶液在中红外范围的最佳光程理论值估算 根据单变量光谱分析的最佳光程理论( 相关理论参见第二章) ：在被测样品 浓度、各成份吸光系数和入射光强已知的情况下，由公式2 1 0 可以推算出溶 液样品在各特征吸收位置处的最佳光程。 由两组已知浓度样品在已知光程下的吸光度光谱数据根据公式2 3 可以 推算出敌敌畏和氯仿的吸光系数( d 和q ) ，再根据样品的浓度g 由公式2 1 0 即可以估算出检测c j 浓度样品适宜的最佳光程。 选择1 0 0 - - 1 0 0 0 p p m 样品浓度范围估算口，和口，取c j = 5 0 0 p p m ，估算出：检 测5 0 0 p p m 样品在敌敌畏各特征吸收波长处的最佳光程。由表3 3 易知，在 1 2 8 2 c m 等各特征吸收位置估算出的最佳光程从o 8 m m 至4 m m 不等。 位置 口。( m v m l m m )g ( p p m )口，( m t , t m l 。m m )o ( p p m ) l j 。n ( r a m ) ( c m - 1 ) 1 0 5 03 5 3 7 5 5 0 00 0 4 4 2 59 9 9 5 0 0l _ 9 6 2 8 8 7 1 1 4 92 0 8 4 2 9 55 0 003 4 5 1 59 9 9 5 0 00 9 6 6 1 7 9 i 1 2 8 21 5 8 ，4 3 7 5 55 0 00 4 6 7 8 79 9 9 5 0 007 9 3 6 2 9 i 9 8 01 6 6 2 4 8 3 55 0 00 0 2 6 8 4 59 9 9 5 0 03 9 4 7 0 4 2 3 3 2 农药溶液最佳光程的实验验证 为验证上一节推倒的理论最佳光程值，本节选用了涵盖最佳光程理论推导值 范围的9 个光程( o 2 m m 、0 6 m m 、0 8 r a m 、l m m 、2 m m 、3 m m 、4 m m 、5 r a