抗生素掺杂饲料的太赫兹图谱扫描与定性定量检测研究

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作为一种抗菌药物,抗生素为畜禽健康提供了保障,但抗生素滥用会导致畜产品药物残留,增强细菌耐药性,不仅危害畜禽和人类健康,也会环境污染。世界多国先后颁布了一系列禁抗措施来规范抗生素的使用。现有的抗生素检测方法主要有微生物学检测方法、色谱法等,存在样本处理过程复杂、成本高、具有破坏性等缺点,发展一种快速、高效的检测手段成为行业需求。在综述国内外相关研究进展基础上,本研究从畜禽饲料这一源头出发,以典型喹诺酮类抗生素培氟沙星和氟罗沙星为研究对象,借助太赫兹光谱技术结合化学计量学方法对饲料中的这两种抗生素进行了定性定量检测研究,并利用图谱融合技术对不同种类的样本进行了识别研究。研究内容和结论如下:(1)基于太赫兹时域光谱(THz-TDS)技术的不同物料光谱特性研究。首先,利用太赫兹光谱仪得到了两种抗生素以及鱼粉饲料纯净物的太赫兹光谱,然后将这两种抗生素与鱼粉饲料分别按照3%、5%、10%、15%、20%、25%、30%、35%、40%、45%、50%、55%、60%、65%、70%、75%、80%浓度混合,得到其混合物的太赫兹光谱数据,并对其光谱数据进行研究分析。发现培氟沙星在0.775和0.988THz存在吸收峰,氟罗沙星在0.919和1.088THz存在吸收峰;且将两种目标抗生素与鱼粉饲料混合时,吸收峰依然存在,吸收峰处吸收系数强度会随着浓度的增加而增加,说明适合进一步进行定性定量分析。(2)基于THz-TDS技术的饲料掺杂抗生素定性判别研究。先后对培氟沙星-鱼粉饲料、氟罗沙星-鱼粉饲料进行二分类和培氟沙星-鱼粉饲料、氟罗沙星-鱼粉饲料、培氟沙星-氟罗沙星-鱼粉饲料三种混合物进行三分类,分类时每一类物质包括(1)中所述的不同浓度。首先,利用主成分分析法(PCA)进行聚类,然后,分别利用支持向量机(SVM)、反向传播神经网络(BPNN)对特征频率处吸收系数进行建模判别。结果表明,PCA可以对两种二元混合物较好的聚类,加入三元混合物时,三元混合物会被错误的聚类到培氟沙星-鱼粉饲料和氟罗沙星-鱼粉饲料;在二分类中,连续投影算法(SPA)-SVM模型的分类准确率最高,为97.06%;加入三元混合物进行三分类时,分类准确率比二分类准确率降低,判别准确率最高为80.39%。(3)基于THz-TDS技术的饲料掺杂抗生素定量预测研究。分别利用全谱-偏最小二乘法(PLS)、SPA-BPNN、SPA-多元线性回归(MLR)、SPA-最小二乘支持向量机(LSSVM)回归模型结合吸收系数、频域数据对培氟沙星-鱼粉饲料、培氟沙星-氟罗沙星-鱼粉饲料中的培氟沙星含量和氟罗沙星-鱼粉饲料、氟罗沙星-培氟沙星-鱼粉饲料中的氟罗沙星含量进行预测,从单一抗生素存在和两种抗生素共存两种角度对鱼粉饲料中的这两种抗生素添加含量进行分析。得出如下结论:利用不同的模型进行预测时预测值与实际值相关系数均大于0.95,说明利用太赫兹光谱技术对鱼粉饲料中这两种抗生素含量进行同时检测是可行的。(4)基于太赫兹图谱融合技术的样本可视化判别研究。通过培氟沙星、氟罗沙星、鱼粉饲料、聚乙烯四种纯净物质两两之间频域光谱差值最大频率数据进行成像,可以发现,利用差值最大频率处数据进行成像可以较好的将两种物质的区别表现出来,而用其它成像方法则没有这种效果。说明可以利用图谱融合技术对不同物质进行区分。该研究结果表明,典型喹诺酮类抗生素培氟沙星和氟罗沙星在太赫兹波段存在明显的特征吸收峰,对鱼粉饲料中的抗生素添加种类及含量进行检测是可行的。同时,太赫兹图谱融合技术在直观的表征两种物质的差异方面有较大的应用潜力。该研究为利用太赫兹光谱技术在这两种抗生素的同时定性定量检测以及太赫兹成像技术在畜牧业中抗生素的识别方面提供了理论和技术基础。
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