基于太赫茲—衰減全反射光譜的甘氨酸溶液定量研究

程 麗 馬 微 劉 祺 小川雄一

(1. 黑龍江大學農業微生物技術教育部工程研究中心，黑龍江 哈爾濱 150500；2. 中華人民共和國東寧海關技術中心，黑龍江 東寧 157299；3. 京都大學農學研究科，日本 京都 6068502)

太赫茲(Terahertz，THz)頻段是指頻率從0.1～10.0 THz，波長0.03～3.00 mm，波數3.3～330.0 cm-1，介于微波與紅外之間的電磁輻射區域，被稱之為T射線[1]。研究表明，食品的主要成分如碳水化合物[2]、脂肪[3]、蛋白質[4]、氨基酸[5]、肽[6]、維生素[7]等在THz波段存在特征吸收峰。THz波具有非破壞性、穿透性、低能性，作為食品檢測的理想光源，在食品安全檢測[8]、儲糧品質檢測[9]、食品添加劑[10]、食品無損檢測[11]等方面具有巨大的應用潛能。但檢測樣品均為固體，主要是水分在THz波段的吸收極強(水在1 THz處的吸收系數為230 cm-1)[12]，使得THz波無法穿透水溶液，嚴重限制了THz光譜技術的應用，而多數食品均為含水液態樣品。研究發現，將樣品進行預處理(如冷凍切片[13]、反膠束制備[14])或使用特殊的檢測單元(如可調光程液體池[15]、微流控芯片[16]等)可實現高含水量樣品的檢測，但難以實現液體樣品的檢測。

衰減全反射(Attenuated Total Reflectance，ATR)光譜，利用光波的一次或多次全反射形成消逝波，當消逝波接觸待測樣品時，樣品中的某些成分會吸收消逝波，造成全反射光能量的損失，從而得到待測樣品的ATR光譜。ATR光譜被廣泛用于紅外、可見、紫外區域。由于THz波段波長較長，消逝波滲透樣品深度大，得到的被測物光譜信息較多，故THz-ATR光譜更適用于THz波段液體樣品的檢測[17-18]。

甘氨酸是結構最簡單的氨基酸，常用作食品添加劑和防腐劑。結晶是甘氨酸生產的關鍵環節，其影響因素眾多，實時濃度測定為其影響因素之一，因此準確、快速、無損獲得實時濃度對甘氨酸的生產至關重要[19]。目前，常用的檢測甘氨酸方法有激光拉曼光譜法[20]、原子吸收分光光度法[21]、熒光分光光度法[22]、柱前衍生HPLC法[23]等，但其預處理較繁鎖。試驗擬利用太赫茲—衰減全反射(THz-ATR)系統，以不同濃度甘氨酸水溶液為研究對象，以獲得其THz-ATR光譜信息。并將其原始光譜進行二階導數預處理，借助多元線性回歸(MLR)進行定量分析，為THz-ATR光譜應用于水溶液定性定量分析提供有效方法。

1 材料與方法

1.1 樣品制備

甘氨酸：純度≥99.9%，美國Sigma公司。將樣品溶于蒸餾水中配制成28個不同濃度(0%～20%)水溶液，隨機選取20個樣品作為建模樣品集，其余8個樣品為檢驗樣品集。

1.2 試驗裝置

試驗所采用的THz-ATR裝置如圖1所示。此THz-ATR 裝置為自行設計并由日本JASCO公司完成組裝。裝置由光源、干涉儀、樣品池及檢測池4部分組成。光源為高壓水銀燈，光譜范圍20～450 cm-1；分光鏡為高抗阻硅分光鏡，硅在太赫茲頻段具有高折光率、高機械強度、抗腐蝕及低色散，故內部全反射裝置選用硅棱鏡，如圖2所示。接觸面光束直徑為5 mm，即樣品與消逝波接觸面直徑。檢測器采用熱電檢測器，高靈敏度的氘代L-丙氨酸硫酸三甘肽檢測器。為減少由于水蒸氣引起的太赫茲波衰減，采用真空度為102Pa。以水為參照測定樣品的THz-ATR光譜，光譜分辨率16 cm-1，掃描次數200次，重復測定3次取平均值。消逝波穿透深度按式(1) 進行計算。

1. 拋物面鏡 2. 水銀燈 3. 固定鏡 4. 分光鏡 5. 移動鏡 6. 硅棱鏡 7. 輻射熱檢測器 8. 熱電檢測器 9. 轉換鏡 10. 反光鏡

圖1 THz-ATR裝置圖

Figure 1 Schematic of the THz-ATR

1. ATR棱鏡 2. THz波 3. 樣品 4. 消逝波 5. 檢測器

(1)

式中：

λ——入射波波長，mm；

θ——入射角角度，(°)；

n1——ATR棱鏡折射率；

n2——樣品折射率。

1.3 THz-ATR圖譜處理方法

將不同濃度的樣品溶液THz-ATR光譜疊加后平均，得出該濃度樣品的THz-ATR原始光譜圖，利用Origin 8.0軟件對原始光譜進行二階導數預處理。

1.4 數據處理

采用Origin 8.0軟件將二階導光譜數據進行多元線性回歸，建立最佳多波數組合回歸方程，并用檢驗樣品集對回歸方程進行評價，預測均方根誤差按式(2)進行計算。

(2)

式中：

RMSEP——預測均方根誤差；

ci——第i個樣品的預測值；

n——待測樣品數。

2 結果與分析

2.1 甘氨酸溶液的THz-ATR光譜圖

圖3 不同濃度甘氨酸水溶液THz-ATR光譜圖Figure 3 THz-ATR spectra of the different concentration glycine solutions

圖4 20%甘氨酸水溶液THz-ATR二階導數預處理光譜圖Figure 4 The 2nd derivative of the THz-ATR spectrum of 20% glycine solution

2.2 甘氨酸溶液THz-ATR光譜的二階導數預處理

由圖4可知，甘氨酸溶液的二階導數光譜圖有效地改善了原始THz-ATR光譜的基線漂移問題。

2.3 定量模型的建立

y=-0.16-9 880.89x1-2 279.11x2-7 106.65x3，

(3)

式中：

y——甘氨酸含量，%；

x1～x3——分別為65.56，127.28，308.55 cm-1處甘氨酸溶液二階導數光譜圖吸光度值。

模型的真實值與預測值間的關系如圖5所示，甘氨酸濃度為0%～20%。真實值與預測值間R2為0.928 8，線性關系較好。

表1甘氨酸水溶液二階導數光譜及原始光譜多元線性回歸分析

Table1Multiplelinearregressionanalysisresultsbasedon2ndderivativeoftheTHz-ATRspectraandoriginalspectraofglycinesolutions

最佳波數/cm-1R2AdjRMSERMSEP173.560.983 00.007 52.254 665.56,308.580.989 00.006 02.200 165.56,127.28,308.580.990 30.005 71.658 965.56,127.28,173.56,308.580.989 90.005 81.987 8原始光譜0.832 10.013 63.371 6

圖5 預測值與實際值關系圖Figure 5 Scatter plot between actual and predicted glycine concentration

3 結論

利用THz-ATR光譜結合多元線性回歸對甘氨酸水溶液進行定性、定量分析。結果表明，THz-ATR光譜技術能用于THz波段液態樣品的檢測，且與其他方法相比，該方法無復雜的樣品前處理過程，可直接上樣，檢測單元簡單，為較理想的THz波段液態樣品檢測方法。為使定量檢測更準確，后續應對建模方法進行研究。