基于太赫兹—衰减全反射光谱的甘氨酸溶液定量研究

程 丽 马 微 刘 祺 小川雄一

(1. 黑龙江大学农业微生物技术教育部工程研究中心，黑龙江 哈尔滨 150500；2. 中华人民共和国东宁海关技术中心，黑龙江 东宁 157299；3. 京都大学农学研究科，日本 京都 6068502)

太赫兹(Terahertz，THz)频段是指频率从0.1～10.0 THz，波长0.03～3.00 mm，波数3.3～330.0 cm-1，介于微波与红外之间的电磁辐射区域，被称之为T射线[1]。研究表明，食品的主要成分如碳水化合物[2]、脂肪[3]、蛋白质[4]、氨基酸[5]、肽[6]、维生素[7]等在THz波段存在特征吸收峰。THz波具有非破坏性、穿透性、低能性，作为食品检测的理想光源，在食品安全检测[8]、储粮品质检测[9]、食品添加剂[10]、食品无损检测[11]等方面具有巨大的应用潜能。但检测样品均为固体，主要是水分在THz波段的吸收极强(水在1 THz处的吸收系数为230 cm-1)[12]，使得THz波无法穿透水溶液，严重限制了THz光谱技术的应用，而多数食品均为含水液态样品。研究发现，将样品进行预处理(如冷冻切片[13]、反胶束制备[14])或使用特殊的检测单元(如可调光程液体池[15]、微流控芯片[16]等)可实现高含水量样品的检测，但难以实现液体样品的检测。

衰减全反射(Attenuated Total Reflectance，ATR)光谱，利用光波的一次或多次全反射形成消逝波，当消逝波接触待测样品时，样品中的某些成分会吸收消逝波，造成全反射光能量的损失，从而得到待测样品的ATR光谱。ATR光谱被广泛用于红外、可见、紫外区域。由于THz波段波长较长，消逝波渗透样品深度大，得到的被测物光谱信息较多，故THz-ATR光谱更适用于THz波段液体样品的检测[17-18]。

甘氨酸是结构最简单的氨基酸，常用作食品添加剂和防腐剂。结晶是甘氨酸生产的关键环节，其影响因素众多，实时浓度测定为其影响因素之一，因此准确、快速、无损获得实时浓度对甘氨酸的生产至关重要[19]。目前，常用的检测甘氨酸方法有激光拉曼光谱法[20]、原子吸收分光光度法[21]、荧光分光光度法[22]、柱前衍生HPLC法[23]等，但其预处理较繁锁。试验拟利用太赫兹—衰减全反射(THz-ATR)系统，以不同浓度甘氨酸水溶液为研究对象，以获得其THz-ATR光谱信息。并将其原始光谱进行二阶导数预处理，借助多元线性回归(MLR)进行定量分析，为THz-ATR光谱应用于水溶液定性定量分析提供有效方法。

1 材料与方法

1.1 样品制备

甘氨酸：纯度≥99.9%，美国Sigma公司。将样品溶于蒸馏水中配制成28个不同浓度(0%～20%)水溶液，随机选取20个样品作为建模样品集，其余8个样品为检验样品集。

1.2 试验装置

试验所采用的THz-ATR装置如图1所示。此THz-ATR 装置为自行设计并由日本JASCO公司完成组装。装置由光源、干涉仪、样品池及检测池4部分组成。光源为高压水银灯，光谱范围20～450 cm-1；分光镜为高抗阻硅分光镜，硅在太赫兹频段具有高折光率、高机械强度、抗腐蚀及低色散，故内部全反射装置选用硅棱镜，如图2所示。接触面光束直径为5 mm，即样品与消逝波接触面直径。检测器采用热电检测器，高灵敏度的氘代L-丙氨酸硫酸三甘肽检测器。为减少由于水蒸气引起的太赫兹波衰减，采用真空度为102Pa。以水为参照测定样品的THz-ATR光谱，光谱分辨率16 cm-1，扫描次数200次，重复测定3次取平均值。消逝波穿透深度按式(1) 进行计算。

1. 抛物面镜 2. 水银灯 3. 固定镜 4. 分光镜 5. 移动镜 6. 硅棱镜 7. 辐射热检测器 8. 热电检测器 9. 转换镜 10. 反光镜

图1 THz-ATR装置图

Figure 1 Schematic of the THz-ATR

1. ATR棱镜 2. THz波 3. 样品 4. 消逝波 5. 检测器

(1)

式中：

λ——入射波波长，mm；

θ——入射角角度，(°)；

n1——ATR棱镜折射率；

n2——样品折射率。

1.3 THz-ATR图谱处理方法

将不同浓度的样品溶液THz-ATR光谱叠加后平均，得出该浓度样品的THz-ATR原始光谱图，利用Origin 8.0软件对原始光谱进行二阶导数预处理。

1.4 数据处理

采用Origin 8.0软件将二阶导光谱数据进行多元线性回归，建立最佳多波数组合回归方程，并用检验样品集对回归方程进行评价，预测均方根误差按式(2)进行计算。

(2)

式中：

RMSEP——预测均方根误差；

ci——第i个样品的预测值；

n——待测样品数。

2 结果与分析

2.1 甘氨酸溶液的THz-ATR光谱图

图3 不同浓度甘氨酸水溶液THz-ATR光谱图Figure 3 THz-ATR spectra of the different concentration glycine solutions

图4 20%甘氨酸水溶液THz-ATR二阶导数预处理光谱图Figure 4 The 2nd derivative of the THz-ATR spectrum of 20% glycine solution

2.2 甘氨酸溶液THz-ATR光谱的二阶导数预处理

由图4可知，甘氨酸溶液的二阶导数光谱图有效地改善了原始THz-ATR光谱的基线漂移问题。

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——分别为65.56，127.28，308.55 cm-1处甘氨酸溶液二阶导数光谱图吸光度值。

模型的真实值与预测值间的关系如图5所示，甘氨酸浓度为0%～20%。真实值与预测值间R2为0.928 8，线性关系较好。

表1甘氨酸水溶液二阶导数光谱及原始光谱多元线性回归分析

Table1Multiplelinearregressionanalysisresultsbasedon2ndderivativeoftheTHz-ATRspectraandoriginalspectraofglycinesolutions

最佳波数/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原始光谱0.832 10.013 63.371 6

图5 预测值与实际值关系图Figure 5 Scatter plot between actual and predicted glycine concentration

3 结论

利用THz-ATR光谱结合多元线性回归对甘氨酸水溶液进行定性、定量分析。结果表明，THz-ATR光谱技术能用于THz波段液态样品的检测，且与其他方法相比，该方法无复杂的样品前处理过程，可直接上样，检测单元简单，为较理想的THz波段液态样品检测方法。为使定量检测更准确，后续应对建模方法进行研究。