水果表面杀菌剂残留的SERS检测研究

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杀菌剂作为水果贮藏保鲜过程中的重要一环,不仅可以预防各种病原微生物对水果的侵害,有效延长水果的保鲜时间,而且可以减少不必要的经济损失,对水果市场以及社会具有重大意义。然而,在使用杀菌剂的过程中仍存在一些安全隐患。比如杀菌剂的内吸性所导致的水果内部形成杀菌剂残留,或不规范使用杀菌剂,都会危害人体健康,甚至污染环境。目前,水果中杀菌剂残留的检测方法,大都存在检测耗时和仪器成本高等缺点。为此,本文采用表面增强拉曼光谱(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)技术结合化学计量学方法,以脐橙表面的噻菌灵(thiabendazole,TBZ)、梨表面的TBZ、梨表面的咪鲜胺(prochloraz,PCZ)、梨表面的抑霉唑(imazalil,IMZ)、苹果表面的甲基硫菌灵(thiophanate-methyl,TM)和苹果表面的IMZ作为研究对象,实现水果表面杀菌剂残留的快速检测。主要的研究内容如下:(1)采用密度泛函理论(density functional theory,DFT)法对TBZ、PCZ、IMZ和TM四种杀菌剂进行分子结构的优化和理论拉曼光谱的计算。发现TBZ、PCZ、IMZ和TM理论光谱的峰位与试验光谱的峰位均有较强的一致性,决定系数(determination coefficient,R~2)值分别为0.9989、0.9978、0.9997和0.9994。结果表明本文采用的DFT计算得到的理论光谱为试验所得光谱提供了可靠的理论支撑。(2)通过比较空白脐橙表皮与含TBZ的脐橙表皮的SERS光谱,得出可鉴别脐橙表面TBZ的特征峰为787 cm-1。将空白梨表皮分别与含TBZ的梨表皮、含PCZ的梨表皮、含IMZ的梨表皮的SERS光谱进行比较,得到1012 cm-1可作为梨表面TBZ残留的鉴别特征峰,1010 cm-1可作为梨表面PCZ残留的鉴别特征峰,1101、1142和1288 cm-1可作为梨表面IMZ残留的鉴别特征峰。将空白苹果表皮分别与含TM的苹果表皮、含IMZ的苹果表皮的SERS光谱进行比较,得出鉴别苹果表面TM残留的特征峰为1165 cm-1,鉴别苹果表面IMZ残留的特征峰为947、1142、1213、1289和1591 cm-1。(3)采用单因素试验法对反应时间、金胶加入量与电解质3个SERS检测条件进行优化。确定了脐橙表面TBZ残留与梨表面TBZ残留的最佳检测条件均为:2 min的反应时间、20μL的金胶量和不加电解质作为增强基底。梨表面PCZ残留与梨表面IMZ残留的最佳检测条件均为:1 min的反应时间、15μL的金胶量和不加电解质作为增强基底。苹果表面TM残留与苹果表面IMZ残留的最佳检测条件都为:1 min的反应时间、10μL的金胶量和不加电解质作为增强基底。(4)对比了不同特征提取方法结合不同的建模算法对模型预测效果的影响。试验结果发现,基于竞争性自适应重加权算法(competitive adaptive reweighting sampling,CARS)-支持向量机回归(support vector regression,SVR)的预测模型对脐橙表面TBZ残留、梨表面PCZ残留、梨表面IMZ残留、苹果表面TM残留和苹果表面IMZ残留有较好的预测效果,其预测集决定系数(coefficient of determination for the prediction set,RP~2)分别为0.9693、0.9887、0.9556、0.8996和0.9743,预测均方根误差(root mean square error of predict,RMSEP)值分别为3.8734、1.3288、3.0113、3.0630和2.2410μg/cm~2,检出限分别可达8 mg/kg、0.0583 mg/kg、0.1167 mg/kg、0.0933 mg/kg和0.1333mg/kg。基于主成分分析(Principle Component Analysis,PCA)-多元线性回归(multiple linear regression,MLR)的预测模型对梨表面TBZ残留有较好的预测效果,RP~2和RMSEP分别为0.9553和3.1194μg/cm~2,检出限达到6 mg/kg。总而言之,将SERS技术与不同化学计量学方法结合,对水果表面TBZ、PCZ、IMZ和TM残留检测具有一定的可靠性与准确性。
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