蔡 祥，馬瑞峻，陳 瑜，顏振鋒，黃 麗

(華南農(nóng)業(yè)大學(xué) 工程學(xué)院，廣東 廣州 510642)

有機(jī)磷農(nóng)藥發(fā)展至今已有70多年歷史，在各國(guó)農(nóng)業(yè)發(fā)展中均起到了重要的防治病蟲害作用，具有高效、快速、廣譜殺蟲、經(jīng)濟(jì)和殘效期短的特點(diǎn)[1]。隨著人口數(shù)量的不斷增加，對(duì)農(nóng)產(chǎn)品的需求也逐漸增加，人們?cè)谵r(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)的過(guò)程中會(huì)加大農(nóng)藥的使用量來(lái)保證農(nóng)產(chǎn)品的供應(yīng)量；而噴灑的有機(jī)磷農(nóng)藥大部分會(huì)殘留在土壤或漂浮在空氣中，通過(guò)降雨、沉降和徑流的沖刷流入地下水、河流、湖泊和海洋，從而危及生態(tài)環(huán)境、生態(tài)系統(tǒng)和人類健康[2]。

檢測(cè)水體中有機(jī)磷農(nóng)藥最常用的方法有色譜法和生物傳感器法。其中色譜法檢測(cè)靈敏度高，定量分析準(zhǔn)確，但預(yù)處理過(guò)程(提取、純化、濃縮等步驟)繁瑣，檢測(cè)成本高，檢測(cè)時(shí)間長(zhǎng)[3]；生物傳感器法前處理要求低、經(jīng)濟(jì)、快速，但重復(fù)性差、回收率低、較難進(jìn)行定量分析[4]。

光譜法因其可以快速無(wú)損檢測(cè)且無(wú)二次污染的特點(diǎn)，近年來(lái)廣泛應(yīng)用于水質(zhì)參數(shù)檢測(cè)、食品檢測(cè)、生物醫(yī)療等領(lǐng)域[5-8]。使用光譜法檢測(cè)自然水體中硝酸鹽氮、化學(xué)需氧量和生化需氧量等化合物時(shí)，通常對(duì)水體進(jìn)行預(yù)沉淀和過(guò)濾處理[9-11]。目前采用光譜法檢測(cè)水體中有機(jī)磷農(nóng)藥大多停留在實(shí)驗(yàn)室階段[12-15]，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥的研究鮮有報(bào)道。自然水體中含有黏土、泥沙和藻類等大量的懸浮顆粒物，采用光譜法檢測(cè)自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥時(shí)，不同自然水體中引起濁度的固體懸浮物與光相互作用會(huì)產(chǎn)生光的折射、散射等現(xiàn)象，會(huì)降低光譜的信噪比，極大地影響光譜法的檢測(cè)精度[16]。因此在光譜檢測(cè)前需要對(duì)自然水體中的有機(jī)磷農(nóng)藥溶液做預(yù)處理(過(guò)濾)。

本文以甲基對(duì)硫磷農(nóng)藥為研究對(duì)象，通過(guò)比較分析甲基對(duì)硫磷溶液在不同過(guò)濾條件、不同溶液背景下的光譜圖和濃度預(yù)測(cè)模型，探究不同過(guò)濾條件對(duì)自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥吸收光譜與濃度預(yù)測(cè)模型的影響。

1 材料與方法

1.1 自然水體采樣信息

本文選擇了池塘水(取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)西湖，23°9′47.394 0″N、113°20′27.876 3″E，2020 年 12 月 1 日采樣)、農(nóng)田水(取自華南農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)事訓(xùn)練中心，23°9′56.106 0″N、113°21′57.848 4″E，2020 年 12 月15日采樣)、河涌水(取自車陂涌華南農(nóng)業(yè)大學(xué)段，23°9′49.669 2″N、113°21′46.918 8″E，2020 年 12 月18日采樣)3種典型水體用作試驗(yàn)用水。每次采集8 000 mL 表層 (0～50 cm)水樣，采集的水樣做好標(biāo)記后，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行后續(xù)檢測(cè)和試驗(yàn)。

1.2 試驗(yàn)儀器和材料

試驗(yàn)搭建的紫外-可見吸收光譜采集系統(tǒng)包括美國(guó)Ocean Optics海洋光學(xué)公司的Maya2000Pro光譜儀 (檢測(cè)范圍：175～1 100 nm，信噪比：450∶1，內(nèi)置探測(cè)器：Hamamatsu S10420，分辨率：1.1 nm)；DTMINI-2-GS氘—鎢鹵燈組合光源以及可調(diào)光程的比色皿支架。使用與光譜儀配套的BiaoQi SpecSuite軟件采集光譜數(shù)據(jù)，打開軟件后設(shè)置積分時(shí)間為9 ms，平滑度為2，每個(gè)樣本掃描20次，取平均值為最終光譜。試驗(yàn)過(guò)程中，甲基對(duì)硫磷試驗(yàn)比色皿光程為 50 mm，選定光譜測(cè)量范圍為 200.4～760.3 nm，共1 234個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)。

過(guò)濾紗布材質(zhì)為尼龍，濾膜材質(zhì)為聚四氟乙烯，使用RMD-Z6濁度傳感器(瑞蒙德公司，上海)檢測(cè)3種自然水體過(guò)濾前后的濁度。

1.3 試驗(yàn)樣本和試驗(yàn)內(nèi)容

甲基對(duì)硫磷農(nóng)藥的試驗(yàn)樣本配制過(guò)程如下：用1/10 000電子天平稱取98%(w)有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)品(0.040 8±0.000 2) g 置 100 mL 燒杯中，用50 mL 甲醇超聲溶解，然后轉(zhuǎn)移至試劑瓶中，準(zhǔn)確量取350 mL甲醇，并轉(zhuǎn)移至試劑瓶，搖勻，配制成100 mg/L的有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液。使用3種自然水體和純凈水作為有機(jī)磷農(nóng)藥標(biāo)準(zhǔn)液稀釋劑配制試驗(yàn)樣本，每種水體試驗(yàn)樣本質(zhì)量濃度為0.1～6.0 mg/L(質(zhì)量濃度梯度為0.1 mg/L)，合計(jì) 60 個(gè)試驗(yàn)樣本。

對(duì)以3種自然水體為稀釋劑的甲基對(duì)硫磷溶液樣本進(jìn)行4種不同的處理：原始狀態(tài)(不做過(guò)濾處理)，40 μm 紗布、5 μm 濾膜、0.45 μm 濾膜過(guò)濾處理，當(dāng)過(guò)濾得到1個(gè)50 mL樣本時(shí)，平均需要的過(guò)濾時(shí)間分別約為 13、22、28 s。

1.4 數(shù)據(jù)處理

使用Savitzky-Golay卷積平滑一階導(dǎo)消除自然水體-有機(jī)磷農(nóng)藥光譜數(shù)據(jù)中的噪聲和基線漂移[17]。按 3∶1 的比例采用 SPXY(Sample set partitioning based on joint x-ydistance)方法[18]從 60 個(gè)樣本中選取45個(gè)樣本作為校正集樣本，剩下的15個(gè)樣本作為預(yù)測(cè)集樣本。使用主成分分析結(jié)合馬氏距離(Principle component analysis-Mahalanobis distance，PCA-MD)進(jìn)行異常樣本檢查[19]。使用競(jìng)爭(zhēng)性自適應(yīng)重加權(quán)采樣 (Competitive adaptive reweighted sampling，CARS)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)壓縮和特征波長(zhǎng)篩選[20]。采用偏最小二乘 (Partial least squares，PLS)法建立多元回歸模型[21]。本文中的數(shù)據(jù)處理都基于 The UnscramblerX10.4 和 MATLAB 2020a軟件平臺(tái)進(jìn)行。

1.5 模型評(píng)價(jià)

對(duì)PLS模型的評(píng)價(jià)采用決定系數(shù)(Determination coefficient，R2)、均方根誤差 (Root mean square error，RMSE)、剩余預(yù)測(cè)殘差 (Residual predicted deviation，RPD)和潛變量數(shù)量 (Latent variables，LVs)[22]。其中R2越大，RMSE越小，表明模型的精確度越高。一個(gè)好的模型應(yīng)具有合理的LVs。RPD反映了模型的分辨能力和穩(wěn)健性，當(dāng)RPD≥3，模型可用于定量分析和實(shí)際檢測(cè)。

2 結(jié)果與分析

2.1 過(guò)濾前后自然水體濁度

池塘水、農(nóng)田水和河涌水過(guò)濾前后濁度見表1。由表1可知，使用40 μm紗布過(guò)濾3種自然水體，對(duì)濁度影響不大，使用5 μm和0.45 μm濾膜過(guò)濾，3種水體濁度明顯下降，表明3種水體中泥沙和藻類等懸浮物的大小多分布在5～40 μm之間。

表1 不同過(guò)濾條件下3種自然水體濁度Table 1 Turbidity of three kinds of natural water under different filtration conditions NTU

2.2 3 種自然水體光譜圖

3種自然水體原始光譜圖如圖1所示。3種自然水體在220～230 nm之間有明顯吸收峰，且吸收帶在200～250 nm之間，這是由于自然水體中存在硝酸鹽等離子以及有機(jī)物[23]。自然水體中固體懸浮物和雜質(zhì)的光散射引發(fā)的濁度干擾導(dǎo)致光譜曲線整體抬升[24]。由表1、圖1可知，河涌水原始濁度遠(yuǎn)大于池塘水濁度，但光譜曲線卻有相近的基線抬升量；農(nóng)田水濁度大于池塘水濁度，但基線抬升量卻相反。這表明自然水體中不同物質(zhì)光散射所引起的濁度干擾也是不同的。

圖1 3 種自然水體原始光譜Fig. 1 Original spectra of three kinds of natural water

2.3 甲基對(duì)硫磷溶液光譜圖

甲基對(duì)硫磷在純凈水中不同質(zhì)量濃度梯度的吸收光譜如圖2所示，當(dāng)甲基對(duì)硫磷質(zhì)量濃度在0.1～3.0 mg/L時(shí)，純凈水-甲基對(duì)硫磷溶液光譜在204、215和275 nm左右有3個(gè)特征波峰；當(dāng)甲基對(duì)硫磷質(zhì)量濃度在 3.1～6.0 mg/L 時(shí)，204 nm 左右的第一特征波峰消失，第二特征峰和第三特征峰位置未發(fā)生改變。

圖2 60 種不同質(zhì)量濃度 (0.1～6.0 mg·L-1)純凈水-甲基對(duì)硫磷溶液光譜Fig. 2 Spectra of pure water-methyl parathion solutions with 60 different mass concentrations of 0.1-6.0 mg·L-1

池塘水-甲基對(duì)硫磷溶液、農(nóng)田水-甲基對(duì)硫磷溶液、河涌水-甲基對(duì)硫磷溶液不同質(zhì)量濃度梯度的原始光譜圖以及不同過(guò)濾條件下溶液光譜圖見圖3～5。無(wú)論濃度高低，甲基對(duì)硫磷溶液在自然水體中的紫外-可見光譜在204 nm處均無(wú)特征峰。不同過(guò)濾條件處理前后，甲基對(duì)硫磷溶液光譜中的2個(gè)特征波峰位置均分布在225 和275 nm左右。溶液的光密度值均未超過(guò)2.0，整體光譜曲線未出現(xiàn)過(guò)飽和現(xiàn)象。

圖3 不同過(guò)濾條件下 60 種不同質(zhì)量濃度 (0.1～6.0 mg·L-1)池塘水-甲基對(duì)硫磷溶液光譜Fig. 3 Spectra of pond water-methyl parathion solutions with 60 different mass concentrations of 0.1-6.0 mg·L-1 under different filtration conditions

圖4 不同過(guò)濾條件下 60 種不同質(zhì)量濃度 (0.1～6.0 mg·L-1)農(nóng)田水-甲基對(duì)硫磷溶液光譜Fig. 4 Spectra of farmland water-methyl parathion solutions with 60 different mass concentrations of 0.1-6.0 mg·L-1 under different filtration conditions

圖5 不同過(guò)濾條件下 60 種不同質(zhì)量濃度 (0.1～6.0 mg·L-1)河涌水-甲基對(duì)硫磷溶液光譜Fig. 5 Spectra of canal water-methyl parathion solutions with 60 different mass concentrations of 0.1-6.0 mg·L-1 under different filtration conditions

純凈水/自然水體-甲基對(duì)硫磷質(zhì)量溶液在275 nm處甲基對(duì)硫磷質(zhì)量濃度與光密度的線性擬合圖見圖6。在3種自然水體中，甲基對(duì)硫磷質(zhì)量濃度和光密度仍有較好的線性關(guān)系，符合朗伯—比爾定律，與在純凈水中的線性關(guān)系能夠保持一致。整體上看，過(guò)濾后的自然水體-甲基對(duì)硫磷溶液中質(zhì)量濃度與光密度的線性關(guān)系優(yōu)于未過(guò)濾的。圖6b中，在高質(zhì)量濃度段，未過(guò)濾的甲基對(duì)硫磷溶液光密度低于紗布過(guò)濾后光密度，其原因是試驗(yàn)過(guò)程中未過(guò)濾農(nóng)田水里的泥沙易發(fā)生沉淀，導(dǎo)致測(cè)量時(shí)光譜基線下降。

圖6 甲基對(duì)硫磷質(zhì)量濃度與光密度的線性擬合圖Fig. 6 Linear fitting graphs of methyl parathion mass concentration and optical density

結(jié)合圖3～6可知，通過(guò)不同過(guò)濾條件過(guò)濾之后，自然水體-甲基對(duì)硫磷溶液光譜的基線有不同程度的下降，其中使用5 μm和0.45 μm濾膜過(guò)濾后整體光譜基線下降最多；因?yàn)?種濾膜過(guò)濾掉了水體中絕大多數(shù)的懸浮物和雜質(zhì)，使?jié)岫纫鸬纳⑸涞葴p少，溶液透光性增加。光譜基線的下降使光譜整體光密度值降低，使用小孔徑的濾膜過(guò)濾使甲基對(duì)硫磷溶液過(guò)濾后的光譜曲線效果變好，基本消除了基線的漂移和抬升，增強(qiáng)了質(zhì)量濃度與光密度之間的線性關(guān)系。

2.4 不同過(guò)濾條件下甲基對(duì)硫磷-CARS-PLS 預(yù)測(cè)模型

不同過(guò)濾條件下甲基對(duì)硫磷-CARS-PLS模型預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。未過(guò)濾前甲基對(duì)硫磷溶液在池塘水、農(nóng)田水和河涌水中的光譜模型的RPD均大于3，R2p均高于 0.98，且 RMSEP最高為 0.144 1、最低為0.091 4，表明模型的預(yù)測(cè)性能均較高。

表2 不同過(guò)濾條件下甲基對(duì)硫磷-CARS-PLS模型預(yù)測(cè)結(jié)果Table 2 Prediction results of methyl parathion-CARS-PLS model under different filtration conditions

經(jīng)過(guò)不同過(guò)濾條件過(guò)濾后的自然水體-甲基對(duì)硫磷溶液光譜模型的RPD均遠(yuǎn)大于3，R2p均大于0.99，RMSEP均小于0.14，表明經(jīng)過(guò)不同過(guò)濾條件過(guò)濾后的甲基對(duì)硫磷溶液模型均可用來(lái)做定量分析且模型預(yù)測(cè)精度高，并且過(guò)濾增強(qiáng)了甲基對(duì)硫磷溶液光譜中質(zhì)量濃度與光密度的線性關(guān)系(圖6)，從而加強(qiáng)了模型的預(yù)測(cè)能力。

未過(guò)濾和紗布過(guò)濾后的自然水體-甲基對(duì)硫磷溶液光譜模型具有較好的模型系數(shù)，但光譜中存在大量雜質(zhì)干擾。使用5 μm濾膜過(guò)濾的甲基對(duì)硫磷溶液光譜模型均優(yōu)于未過(guò)濾的自然水體-甲基對(duì)硫磷溶液，模型具有較高預(yù)測(cè)能力，同時(shí)模型中的干擾也較少。使用0.45 μm濾膜過(guò)濾后的甲基對(duì)硫磷溶液光譜模型均優(yōu)于使用40 μm紗布過(guò)濾后溶液的光譜模型，且光譜模型基本排除了濁度帶來(lái)的干擾，但使用0.45 μm濾膜過(guò)濾操作較復(fù)雜且耗時(shí)最長(zhǎng)。

3 結(jié)論

1) 3種自然水體中的懸浮物和藻類的大小多分布在5～40 μm之間，不同水體中的懸浮物產(chǎn)生的濁度對(duì)光譜基線抬升的影響也不同。不同過(guò)濾條件對(duì)濁度有較大影響。

2)無(wú)論質(zhì)量濃度高低，甲基對(duì)硫磷在3種自然水體中的光譜圖只有2個(gè)特征峰，位于225 和275 nm左右。不同過(guò)濾條件不會(huì)改變甲基對(duì)硫磷的特征峰位置，但會(huì)降低溶液光譜曲線的基線。

3)整體上看，過(guò)濾增強(qiáng)了甲基對(duì)硫磷質(zhì)量濃度與光密度間的線性關(guān)系。過(guò)濾后的自然水體-甲基對(duì)硫磷溶液光譜模型均有較高的預(yù)測(cè)精度，可用于定量分析。本文采用的3種過(guò)濾條件中，5 μm濾膜過(guò)濾效果最佳，能夠去除水體中絕大部分固體懸浮物所引起的濁度干擾，同時(shí)有機(jī)磷農(nóng)藥光譜模型也具有較高的預(yù)測(cè)精度。

4)本文采用物理手段(不同過(guò)濾條件)濾除自然水體中的固體懸浮物，減少水體中濁度對(duì)光譜采集的影響，過(guò)濾之后的甲基對(duì)硫磷農(nóng)藥模型更適合實(shí)際應(yīng)用檢測(cè)。該研究為采用紫外-可見吸收光譜法現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)自然水體中有機(jī)磷農(nóng)藥濃度的預(yù)處理方法提供了理論依據(jù)。