金霉素水溶液的表面增强拉曼光谱测定分析

赵进辉，胡 琪，袁海超，洪 茜，肖海斌，刘木华

(江西农业大学 工学院/生物光电及应用重点实验室，江西 南昌 330045)

金霉素是一种广谱四环素类抗生素，分子式为C22H23ClN2O8。它常被用作鱼、猪、鸭等动物治疗和预防疾病的抗生素药物，结果导致一部分药物残留在动物体内，甚至对水体和生物环境也造成一定的污染，进而影响到人们的身体健康。目前，常用的金霉素检测方法有理化检测方法、荧光分析法、微生物法、酶联免疫分析法等［1－7］。表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectrum，SERS)由于具有受水干扰小、检测灵敏度高与快速方便等优点，在生物医药、化学、表面科学等领域得到了广泛的应用和探索，已成为一种现代快速检测方法［8－9］。程劼等［10］利用表面增强拉曼光谱技术实现了对宠物饲料中三聚氰胺的快速测定研究。田中群［11］研究组提出壳层隔绝纳米粒子增强拉曼光谱(SHINERS)方法并将其应用到橘子皮中的农药残留检测中。李言等［12］针对赤藓红的理论计算拉曼、普通拉曼及表面增强拉曼光谱进行了研究，为常规食品样品中的赤藓红的拉曼检测提供了基础。针对表面增强拉曼光谱的技术优势，本研究将其应用到金霉素水溶液的快速检测中有作重要意义。本研究先对比分析了金霉素水溶液的普通拉曼(Raman)光谱和表面增强拉曼光谱，然后对表面增强拉曼光谱进行了基于air－PLS的光谱预处理，最后对金霉素水溶液的表面增强拉曼进行了半定量分析。

1 材料与方法

1.1 材料与试剂

金霉素标准品(纯度约为98.0%，购于中国标准物质网);表面增强试剂OTR103、OTR202(欧普图斯光学纳米科技有限公司);超纯水。

1.2 仪器设备

RamTracerⓇ－200型便携式拉曼光谱仪(欧普图斯光学纳米科技有限公司);实验室超纯水机(科尔顿水务有限公司);JK－50B型超声波清洗器(合肥金尼克机械有限公司);FA1004B型电子天平(精度为0.1 mg，上海上平仪器有限公司)。

1.3 实验方法

称取10.0 mg金霉素标准品，用少量超纯水溶于100mL棕色容量瓶中，超声溶解后再定容至刻度，得到100 mg/L的金霉素标准储备液备用，使用时再逐级稀释至所需质量浓度。

在2mL玻璃进样瓶中依次加入表面增强试剂OTR202500μL、待测液20μL和OTR103100μL，混合均匀后放入样品池中进行测量，共采集了 6 个浓度分别为 0.1，0.5，1.0，5.0，10.0，15.0 mg/L 的金霉素水溶液的拉曼光谱，400～1800 cm－1波段范围内的原始表面增强拉曼光谱如图1所示。拉曼光谱采集参数设置如下:光谱仪激光功率为200 mW，激光波长为785 nm，扫描光谱范围为100～3300cm－1，选择波段为400～1800 cm－1的光谱进行研究，分辨率为6 cm－1，信号相对强度范围为0～60000，积分时间为10 s，积分2次平均。

图1 金霉素水溶液的原始的表面增强拉曼光谱Fig.1 Original SERS spectra of aureomycin solution

2 结果与分析

2.1 金霉素水溶液的普通拉曼光谱与表面增强拉曼光谱

采集金霉素水溶液的普通拉曼光谱(没有加表面增强试剂OTR202和OTR103)和表面增强拉曼光谱(加了表面增强试剂OTR202和OTR103，金霉素水溶液的浓度为15.0 mg/L)，结果如图2所示。从图2可以看出，金霉素水溶液的普通拉曼光谱的光谱信号较弱，存在一定强度的荧光背景，没有明显的金霉素的拉曼特征峰被获取。而加入了表面增强剂OTR202和OTR103的金霉素水溶液的拉曼光谱信号强度大大的增强，且出现了明显的特征峰，这说明表面增强剂OTR202和OTR103对金霉素水溶液的拉曼峰有较好的增强效果。

图2 金霉素水溶液的普通拉曼光谱与表面增强拉曼光谱Fig.2 The normal Raman and SERS spectra of aureomycin solution

2.2 表面增强试剂对拉曼光谱的影响

从图2可知，加入了表面增强试剂的金霉素水溶液的表面增强拉曼光谱信号得到了增强，但其是否受到表面增强剂本身信号的干扰值得进一步探讨。因此本研究对表面增强试剂OTR202、OTR103、OTR202与OTR103混合液、加入了表面增强剂OTR202与OTR103的金霉素水溶液的原始拉曼光谱进行对比分析。图3给出了利用拉曼光谱仪得到的表面增强试剂OTR202、OTR103、OTR202与 OTR103混合液、加入了表面增强剂OTR202与OTR103的金霉素水溶液的原始拉曼光谱。从图3可知，表面增强试剂OTR202、OTR103、OTR202与OTR103混合液的拉曼光谱中存在一定的光谱背景信号，但其并没有影响到金霉素拉曼光谱的拉曼特征峰的鉴别，其强度也相对较小。结合图2和图3可知，当加入了表面增强试剂后，金霉素水溶液的拉曼特征峰得到了显现和加强。因此，将OTR202和OTR103用于金霉素水溶液的拉曼测定的表面增强试剂是可行的。

图3 表面增强试剂的原始拉曼光谱Fig.3 Original SERS spectra of surface strengthening agents

2.3 光谱预处理

从图1可以看出，采集的原始拉曼光谱中包含样本的荧光信号、拉曼信号以及各种背景噪声等，特别是样本自身的强荧光信号对拉曼信号的强度影响较大，因此有必要消除样本荧光背景对拉曼信号强度的影响。目前，常用的荧光背景扣除方法有倒数法、小波分析法、自适应迭代惩罚最小二乘法(adaptive iteratively reweighted penalized least squares，air－PLS)等化学计量学方法［13］。本研究应用 air－PLS 扣除噪声和强荧光等背景信号，图4给出了5.0 mg/L的金霉素水溶液的背景扣除光谱结果。从图4可以看出，原始光谱中的背景信号得到了较好的消除，有利于后续数据分析和处理。

图4 基于air－PLS的背景扣除的结果Fig.4 Result of background subtraction using air－PLS

2.4 金霉素水溶液的表面增强拉曼半定量分析

图5 给出了扣除背景后的不同浓度(0.1，0.5，1.0，5.0，10.0，15.0 mg/L)的金霉素水溶液的表面增强拉曼光谱。从图5可以看出，随着浓度的下降，各拉曼特征峰的强度呈下降趋势。当浓度下降到0.1 mg/L时，某些拉曼特征峰已经不明显甚至消失了，但在1578，1434，1116，996 cm－1等几处的拉曼特征峰的位置较稳定，且还能观察到，可以作为定量或者半定量分析特征拉曼峰。某些拉曼峰(如1312 cm－1处)虽然还能够观察到，但其拉曼峰的位置已经发生了较大变化，因此不适合作为定量或者半定量分析特征拉曼峰。综上所述，采用本研究的表面增强拉曼方法检测金霉素的浓度能够达到0.1 mg/L。

图5 不同浓度的金霉素水溶液的表面增强拉曼光谱Fig.5 SERS spectra of different concentrations of aureomycin solution

3 结论

本研究以金霉素水溶液为研究对象，将表面增强拉曼光谱应用到金霉素水溶液的快速测定中。以OTR202和OTR103作为表面增强试剂，分析了波数范围为400～1800 cm－1的金霉素水溶液的拉曼光谱，应用air－PLS方法以消除原始的表面增强拉曼光谱中的荧光等背景信号，本文研究方法对金霉素水溶液的检测浓度可达到0.1 mg/L。实验结果表明表面增强拉曼光谱技术可用于金霉素水溶液的快速测定中。

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