基于显微拉曼检测蛋白核小球藻鉴别丁草胺及草甘膦
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一
定 的局限性 ， 并且样 品前处理复杂．生物传感器 、 荧光光度法 和免疫分析法 等虽然操作 简
研 究发 现 ， 与 两栖 类 、 鱼 类 、甲壳类 等水 生生 物相 比 ， 藻类对 除草 剂毒 素更 敏感 ， 且对 毒素 响应 阈
单 、方便 ， 但 是 灵敏 度及 准确度 都不 高．因此 ， 需 要开 发简 单 、方便 且准 确 的除草 剂检测 鉴别 方法 ．
气相 色谱 法 （ Ｇ Ｃ）可 以对 多种 除 草剂 一 次 进样 进 行定 性 和 定量 分 析 ；高效 液 相色 谱 法 （ Ｈ Ｐ Ｌ Ｃ） 则 适 用 于不 易气 化或者 受热 易分 解 的 除草 剂 的检 测 ；而色 谱 一 质 谱联 用 （ Ｇ Ｃ — ＭＳ ） 能够 进行 多 种 残 留物进 行定 性 、 定 量分析 Ｊ ．以上 的检测 鉴别 方 法 准确 、方 便 ， 但 是 对检 测 器 的灵 敏 度 要求 高 或 者 检 测有
草剂 草甘膦 、 丁草胺污染水体 以及正常水体 的蛋 白核 小球藻 － 胡 萝 卜素的拉曼光 谱信 息 ， 对 ２种 除草剂 进
行 了鉴别 ．利用预处理后 的光谱信号 ，建立偏 最小二 乘 回归 （ Ｐ Ｌ Ｓ ） 预测 模型及 线性判别 分析 （ Ｌ Ｄ Ａ） 分类 模
型．当阈值为± ０ ． ３时 ， 全波段建立 的 Ｐ Ｌ Ｓ 模 型对 草甘膦 和丁草胺 的预测正确率高达 ８ ３ ． ３ ３ ％， 特 征峰建立 的
基 于 显 微 拉 曼 检 测 蛋 白核 小 球 藻 鉴 别 丁 草 胺 及 草 甘 膦
邵咏妮 ，蒋林军 ，潘 健 ，何 勇
（ 浙 江大 学生 物系统工程 与食 品科学 学院 ， 杭州 ３ １ ０ ０ ５ ８ ） 摘要 以蛋 白核小球藻 （ Ｃ ｈ ｌ ｏ ｒ ｅ ｌ ｌ ａ ｐ ｙ ｒ ｅ ｎ ｏ ｉ ｄ ｏ ｓ ａ ） 作为鉴别载体 ， 利用共 聚焦 显微 拉曼 光谱 仪分 别获取生长在 除
Ｖｏ １ ． ３ ６
２ ０ １ ５年 ６月
高 等 学 校 化 学 学 报
ＣＨＥ ＭＩ ＣＡＬ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｃ ＨＩ ＮＥ Ｓ Ｅ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｉ Ｅ Ｓ
Ｎｏ ． ６
１ ０ ８ ２ ～１ ０ ８ ６
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ７ ５ ０ ３ ／ ｃ ｊ ｃ ｕ ２ ０ １ ４ ０ ９ ３ ８
０ ６ ５ ７ 文献标志码 Ａ 中图分类号
除草剂对促进农业生产发挥着重要的作用． 但是在使用过程中， 大部分除草剂未被利用就 随雨水 及农 田排水流入河流和湖泊．虽然经过河流的稀释， 除草剂的浓度很低 ， 但 同样对生态系统造成巨大 的损 害 Ｊ ．人饮 用残 留有药 剂 的水或 者摄 取残 留有药 剂 的食物 ， 药 剂 毒 素积 累 到一 定程 度 时也 会 对身 体造成伤害．因此 ， 检测水 体除草剂污染对 于维持 良好 的生态环境 和保证人们 的生命健 康十分必 要 ．而鉴 别 除草剂 种类 ， 对 于探 明污染 原 因及提 供水 体污 染 的解 决 方案具 有重 要意 义 ．
值更高¨ ， 是毒性分析的理想实验材料 ． 藻类属于光能 自养型生物 ， 细胞代谢 以光合作用为核心 ，
色 素又是 光合 作用 中重 要 的生 物 催 化剂 ，除草 剂 毒 素 对 藻 类 生 长 抑 制 的 同 时 ，也 对 色 素 积 累 产 生 影 响， 通 过色 素在 藻体 的变化 能够 判定水 中毒 性 物质 的综 合毒 性 ，反 映水 中除草 剂 毒 素信 息 ．蛋 白核 小 球 藻对 除草 剂 的反 应 比其它 藻类更 敏感 ¨ ．
拉曼信号是一种由入射光引起 的分子的非弹性散射信号 ．拉曼光谱技术无需样品准备和制备
过程 ， 简单 ，可重 复且能 够进行 无 损伤定 性 定量 分 析 ．水 的拉 曼 散射 微 弱 ， 拉 曼 光谱 也 因此成 为 研 究 水 溶液 中的生物样 品和化学 化合 物 的理想 工具 ．微 藻生 物分 子有特 定 的官能 团 ， 通过 拉曼 光谱 可 以 获 得相应 的特征 峰 Ｈ ．通过 利用 拉曼光 谱技 术研究 微 藻 的色素 ， 特 别是 叶绿 素 ａ 和 一 胡萝 卜 素， 可 获 得 相应 的色 素信 息 ， 实现 对微 藻生 长状况 和 内部成 分 的分析 ．
基金项 目：国家 自然科学基金 （ 批准号 ： ３ １ ４ ０ ２ ３ １ ８ ） 、高等学校博士学科 点专项 科研基金 （ 批准 号 ： ２ ０ １ ３ ０ １ ０ １ １ ２ ０ １ ４ ９ ） 和浙江省教育
厅 科 研 项 目（ 批准号 ： Ｙ ２ ０ １ ３ ２ ７ ４ ０ ９ ） 资助 ．
Ｌ Ｄ Ａ分类模 型对 ２种除草剂 的分类正确率均达 到了 １ ０ ０ ％．结果表 明， 利 用蛋 白核 小球 藻为载体对 丁草胺 和 草甘膦 ２种除草剂进行鉴别是可行 的 ， 且Ｌ Ｄ Ａ分类模型更适合除草剂 的分类研究．
关键 词 蛋 白核 小球藻 ； 共聚焦显微拉曼光谱仪 ； 偏最小 二乘 回归 ； 线性判别分析 ；除草剂鉴别
本文通过共聚焦显微拉曼光谱仪获取了生长在丁草胺及草甘膦污染水体和正常水体的蛋 白核小球 藻 ． 胡萝 卜 素的拉曼光谱信息 ， 并利用全波段建立偏最小二乘回归（ Ｐ Ｌ Ｓ ） 模型， 利用特征峰建立线性
收稿 １ ３ 期： ２ ０ １ ４ － １ ０ － ２ ３ ．网络 出版 Ｅ ｔ 期： ２ ０ １ ５ ： ０ ５ － ２ ２ ．
联系人简介 ： 何
勇， 男， 博士， 教授 ， 博 士生导师 ， 主要从事数 字农业与农业物ｅ ＠ｚ ｊ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
Ｎ ｏ ． ６
邵咏妮等 ：基于显微拉 曼检测蛋 白核 小球 藻鉴 别丁草胺及 草甘膦
判别式 分 析 （ Ｌ Ｄ Ａ） 分 类模 型 ， 验证 了鉴别 除草 剂方 法 的可 行性 ； 通 过 比较 ２种模 型 的 鉴别 正 确 率 ， 确 定 了除草 剂鉴 别 的可靠 模 型．
定 的局限性 ， 并且样 品前处理复杂．生物传感器 、 荧光光度法 和免疫分析法 等虽然操作 简
研 究发 现 ， 与 两栖 类 、 鱼 类 、甲壳类 等水 生生 物相 比 ， 藻类对 除草 剂毒 素更 敏感 ， 且对 毒素 响应 阈
单 、方便 ， 但 是 灵敏 度及 准确度 都不 高．因此 ， 需 要开 发简 单 、方便 且准 确 的除草 剂检测 鉴别 方法 ．
气相 色谱 法 （ Ｇ Ｃ）可 以对 多种 除 草剂 一 次 进样 进 行定 性 和 定量 分 析 ；高效 液 相色 谱 法 （ Ｈ Ｐ Ｌ Ｃ） 则 适 用 于不 易气 化或者 受热 易分 解 的 除草 剂 的检 测 ；而色 谱 一 质 谱联 用 （ Ｇ Ｃ — ＭＳ ） 能够 进行 多 种 残 留物进 行定 性 、 定 量分析 Ｊ ．以上 的检测 鉴别 方 法 准确 、方 便 ， 但 是 对检 测 器 的灵 敏 度 要求 高 或 者 检 测有
草剂 草甘膦 、 丁草胺污染水体 以及正常水体 的蛋 白核 小球藻 － 胡 萝 卜素的拉曼光 谱信 息 ， 对 ２种 除草剂 进
行 了鉴别 ．利用预处理后 的光谱信号 ，建立偏 最小二 乘 回归 （ Ｐ Ｌ Ｓ ） 预测 模型及 线性判别 分析 （ Ｌ Ｄ Ａ） 分类 模
型．当阈值为± ０ ． ３时 ， 全波段建立 的 Ｐ Ｌ Ｓ 模 型对 草甘膦 和丁草胺 的预测正确率高达 ８ ３ ． ３ ３ ％， 特 征峰建立 的
基 于 显 微 拉 曼 检 测 蛋 白核 小 球 藻 鉴 别 丁 草 胺 及 草 甘 膦
邵咏妮 ，蒋林军 ，潘 健 ，何 勇
（ 浙 江大 学生 物系统工程 与食 品科学 学院 ， 杭州 ３ １ ０ ０ ５ ８ ） 摘要 以蛋 白核小球藻 （ Ｃ ｈ ｌ ｏ ｒ ｅ ｌ ｌ ａ ｐ ｙ ｒ ｅ ｎ ｏ ｉ ｄ ｏ ｓ ａ ） 作为鉴别载体 ， 利用共 聚焦 显微 拉曼 光谱 仪分 别获取生长在 除
Ｖｏ １ ． ３ ６
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高 等 学 校 化 学 学 报
ＣＨＥ ＭＩ ＣＡＬ Ｊ ＯＵＲＮＡＬ ＯＦ Ｃ ＨＩ ＮＥ Ｓ Ｅ ＵＮＩ ＶＥ ＲＳ Ｉ Ｔ Ｉ Ｅ Ｓ
Ｎｏ ． ６
１ ０ ８ ２ ～１ ０ ８ ６
ｄ ｏ ｉ ： １ ０ ． ７ ５ ０ ３ ／ ｃ ｊ ｃ ｕ ２ ０ １ ４ ０ ９ ３ ８
０ ６ ５ ７ 文献标志码 Ａ 中图分类号
除草剂对促进农业生产发挥着重要的作用． 但是在使用过程中， 大部分除草剂未被利用就 随雨水 及农 田排水流入河流和湖泊．虽然经过河流的稀释， 除草剂的浓度很低 ， 但 同样对生态系统造成巨大 的损 害 Ｊ ．人饮 用残 留有药 剂 的水或 者摄 取残 留有药 剂 的食物 ， 药 剂 毒 素积 累 到一 定程 度 时也 会 对身 体造成伤害．因此 ， 检测水 体除草剂污染对 于维持 良好 的生态环境 和保证人们 的生命健 康十分必 要 ．而鉴 别 除草剂 种类 ， 对 于探 明污染 原 因及提 供水 体污 染 的解 决 方案具 有重 要意 义 ．
值更高¨ ， 是毒性分析的理想实验材料 ． 藻类属于光能 自养型生物 ， 细胞代谢 以光合作用为核心 ，
色 素又是 光合 作用 中重 要 的生 物 催 化剂 ，除草 剂 毒 素 对 藻 类 生 长 抑 制 的 同 时 ，也 对 色 素 积 累 产 生 影 响， 通 过色 素在 藻体 的变化 能够 判定水 中毒 性 物质 的综 合毒 性 ，反 映水 中除草 剂 毒 素信 息 ．蛋 白核 小 球 藻对 除草 剂 的反 应 比其它 藻类更 敏感 ¨ ．
拉曼信号是一种由入射光引起 的分子的非弹性散射信号 ．拉曼光谱技术无需样品准备和制备
过程 ， 简单 ，可重 复且能 够进行 无 损伤定 性 定量 分 析 ．水 的拉 曼 散射 微 弱 ， 拉 曼 光谱 也 因此成 为 研 究 水 溶液 中的生物样 品和化学 化合 物 的理想 工具 ．微 藻生 物分 子有特 定 的官能 团 ， 通过 拉曼 光谱 可 以 获 得相应 的特征 峰 Ｈ ．通过 利用 拉曼光 谱技 术研究 微 藻 的色素 ， 特 别是 叶绿 素 ａ 和 一 胡萝 卜 素， 可 获 得 相应 的色 素信 息 ， 实现 对微 藻生 长状况 和 内部成 分 的分析 ．
基金项 目：国家 自然科学基金 （ 批准号 ： ３ １ ４ ０ ２ ３ １ ８ ） 、高等学校博士学科 点专项 科研基金 （ 批准 号 ： ２ ０ １ ３ ０ １ ０ １ １ ２ ０ １ ４ ９ ） 和浙江省教育
厅 科 研 项 目（ 批准号 ： Ｙ ２ ０ １ ３ ２ ７ ４ ０ ９ ） 资助 ．
Ｌ Ｄ Ａ分类模 型对 ２种除草剂 的分类正确率均达 到了 １ ０ ０ ％．结果表 明， 利 用蛋 白核 小球 藻为载体对 丁草胺 和 草甘膦 ２种除草剂进行鉴别是可行 的 ， 且Ｌ Ｄ Ａ分类模型更适合除草剂 的分类研究．
关键 词 蛋 白核 小球藻 ； 共聚焦显微拉曼光谱仪 ； 偏最小 二乘 回归 ； 线性判别分析 ；除草剂鉴别
本文通过共聚焦显微拉曼光谱仪获取了生长在丁草胺及草甘膦污染水体和正常水体的蛋 白核小球 藻 ． 胡萝 卜 素的拉曼光谱信息 ， 并利用全波段建立偏最小二乘回归（ Ｐ Ｌ Ｓ ） 模型， 利用特征峰建立线性
收稿 １ ３ 期： ２ ０ １ ４ － １ ０ － ２ ３ ．网络 出版 Ｅ ｔ 期： ２ ０ １ ５ ： ０ ５ － ２ ２ ．
联系人简介 ： 何
勇， 男， 博士， 教授 ， 博 士生导师 ， 主要从事数 字农业与农业物ｅ ＠ｚ ｊ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
Ｎ ｏ ． ６
邵咏妮等 ：基于显微拉 曼检测蛋 白核 小球 藻鉴 别丁草胺及 草甘膦
判别式 分 析 （ Ｌ Ｄ Ａ） 分 类模 型 ， 验证 了鉴别 除草 剂方 法 的可 行性 ； 通 过 比较 ２种模 型 的 鉴别 正 确 率 ， 确 定 了除草 剂鉴 别 的可靠 模 型．