同位素质谱及近红外光谱技术在棉花产地溯源中应用进展

王静，刘超子，王铭，连素梅，高欣*

（1.中国海关科学技术研究中心，北京 100026；2.青岛海关技术中心，山东 青岛 266109；3.石家庄海关技术中心，石家庄 050051）

棉花是国际重要的大宗资源性农产品之一，广泛应用于纺织、轻工、医药、军事、建筑等领域；作为世界上最重要的纺织纤维之一，棉纤维使用量占世界纺织用纤维使用总量的1/3 左右；棉花贸易在全球商品贸易中也占有重要地位，全球约有150 多个国家参与了棉花的进出口贸易[1-2]。我国是棉花生产大国，也是消费大国，棉花产量占全球产量的近四分之一，消费量占全球的近三分之一，进口量位居全球第一位。据海关总署海关统计数据在线查询平台（http://stats.customs.gov.cn/）数据，2022 年1-12月我国进口棉花193.6 万t，来自世界37 个国家和地区。 我国棉花进口总体呈现出规模大、来源地集中、依存度较大等特征，来源地主要集中在美国、巴西2 国，其次是印度、贝宁、澳大利亚、苏丹、布基纳法索等[3-4]。 不同产地棉花品质不同[5-6]，个别棉花加工企业受利益驱使人为掺杂掺假、以次充好、伪造原产地等，造成一系列质量不合格的问题[7]，且不同地区所产棉花的性能差异较大[8]。 而棉花品质直接关系下游纺织品的质量和产量[9]，配棉不合理时，容易出现织物横档的情况，给生产企业带来不必要的损失。 此外， 在2018 年中美贸易摩擦背景下，中国提高了从美国进口棉花的关税[10]，然而只有通过检测技术将美国棉花与其他国外棉花区分开来，该政策才能顺利执行。因此，对棉花品质及产地进行鉴别很有必要，有关部门也急切期望发展完善进口棉花原产地鉴别的仪器分析等技术手段。

近年来，随着科技的突飞猛进，产地溯源技术也不断发展与完善，逐步形成了技术体系，目前主要有质谱、光谱、电子鼻等技术[11-12]。 它们通过分析产品中含有的矿物质元素含量、 同位素含量与比率、有机成分的结构组成和官能团、挥发成分的整体信息等特征成分或指标，结合化学计量学研究方法，建立产品特征性指纹图谱，对不同产地的产品进行产地溯源。笔者等对同位素溯源技术以及近红外光谱技术原理及其在部分植源性农产品尤其是棉花产地溯源研究中的应用进行综述，期望为棉花产地鉴别技术的发展提供思路。

1 同位素溯源技术在产地鉴别中的应用

同位素是原子核内质子数相同、中子数不同的一类核素。在自然界中大多数元素普遍存在2 种或2 种以上的同位素，例如碳元素（C）有3 种同位素，分别为14C（有放射性）、13C、12C，锶元素（Sr）则存在84Sr、86Sr、87Sr、88Sr、90Sr（有放射性）等多种同位素。不同地区的大气、土壤、水等环境中的生源要素（如碳、氮、氢、氧等）同位素组成具有差异，这种差异会通过植物与土壤、降水之间的物质交换传导到植物中。通过对农作物中各种元素同位素组成和含量差异进行分析， 可以实现对农产品不同产地的区分。20 世纪80 年代，随着贸易全球化和食品伪造问题增加，稳定同位素技术开始被应用于农产品溯源领域，以证明某些食品的产地和真实性，应用范围从最初的葡萄酒、乳品等特色农产品[13-14]，不断扩大到中药材、茶叶、有机食品等[15-16]，再到现在的动物源食品和植物源食品[17-18]，涵盖了各种类型和形式的农产品。 目前，稳定同位素技术已经成为农产品产地溯源领域的重要技术之一。

稳定同位素溯源技术通常需要使用专业仪器进行检测和计算， 常用仪器主要有热电离质谱仪（thermal ionization mass spectrometry, TIMS）、稳定同位素比质谱仪（stable isotope ratio mass spectrometry, IRMS）、 连续流动同位素比质谱仪（continuous-flow IRMS,CF-IRMS）、元素分析仪- 稳定性同位素比值测量仪（elementary analyzer-IRMS, EAIRMS）、 燃烧-催化还原-稳定性同位素比值测量仪、离子色谱- 连续流动- 稳定性同位素比值测量仪（ion chromatograph CF-IRMS, IC-CF-IRMS）等。稳定同位素分析中通常使用相对量来表述同位素富集程度，如同位素丰度比、同位素比率。以碳元素为例， 其同位素丰度比和比率分别为δ13C/12C、δ13C‰，进而通过对比不同产地农作物中同位素丰度比和比率的差异进行产地鉴别。 例如，马明等[19]利用TIMS 法分析检测不同产地进口大麦的87Sr/86Sr 值、 利用IRMS 法对进口大麦中δ13C 进行测定，发现不同国别大麦中的87Sr/86Sr 和δ13C 有显著性差异，可以100%区分北美、法国和澳大利亚大麦。 赵多勇等[20]借助多接收器电感耦合等离子质谱仪对产自不同省市的库尔勒香梨中87Sr/86Sr 同位素比值进行了测定， 经方差分析， 不同产地梨中87Sr/86Sr 值存在极显著差异（P＜0.01），可作为库尔勒香梨溯源新疆和甘肃2 省的可靠衡量指标。

随着稳定同位素技术的不断发展， 近年来，一些研究者将其应用于棉花产地溯源中。 2019 年Ziegler 等[21]在苏格兰大学环境研究中心（Scottish Universities Environmental Research Centre,SUERC）使用电感耦合等离子体发射光谱仪对11 种金属元素（Al、Cu、Ca、Fe、K、Mg、Mn、Na、Sr、Ti、Zn） 进 行了分析， 使用CF-IRMS 法进行稳定同位素分析（δ2H、δ13C）， 分析不确定度为0.06‰（δ13C）、1.00‰（δ2H）、0.19%（Zn）、1.16%（Mn）；发现印度棉花富含重氢同位素，乌兹别克斯坦的棉花几乎不含重氢同位素，中国棉花的锰元素、土耳其和乌兹别克斯坦棉花的Sr 元素较有特点， 并以这些独特的化学和同位素特征正确分辨出72%的棉花样本的原产国。Ratovo 等[22]采用IRMS 法对乌干达有机棉、吉尔吉斯斯坦有机棉、土耳其有机棉、巴西有机棉、以色列有机棉及以这些有机棉为原料制成的纱线中的δ2H、δ13C、δ18O 进行分析，分析不确定度分别为0.1‰（δ13C）、0.5‰（δ18O）和2.1‰（δ2H）。 该研究结果显示：吉尔吉斯斯坦有机棉和乌干达有机棉的δ2H 值分布在-35.9‰～11.2‰，难以区分；以色列、土耳其、巴西的有机棉测试数据没有受到不同收获季的影响，呈现出了高灵敏性和特异性，在产地溯源中的准确率较高。上海珩渥检测技术服务有限公司[23]在其网站上向潜在客户展示了2 份由美国和德国实验室出具的关于棉花原产地的报告，其中美国某实验室出具的#22-429160“使用稳定同位素报告地理来源”报告中显示，原产地标称为巴西的棉花可能来自巴西也可能来自秘鲁，这表明通过同位素法对棉产地进行溯源的技术在美国和德国商业实验室得到了实际应用。 COTTONUSA已和Oritain公司签订协议[24]， 由Oritain 公司对Supima 棉纤维独特的天然化学成分进行分析， 创建SUPIMA○R棉原产地的化学“指纹”，用于SUPIMA○R棉原产地声明。Oritain 公司通过分析棉花样本中微量元素和同位素，成功地鉴定了15 个样本的原产地，准确率高达100%[25]。 以上研究和实例充分证明了利用同位素质谱技术对棉花产品进行溯源的可行性。

稳定同位素产地溯源方法的优势在于，农产品中稳定同位素的比率不易受到储存时间、储存条件以及化学物质变化的影响，同位素比率可通过分析质谱图简单计算得到，检测结果直观。 然而在实际应用过程中，受不同年份气候变化、土壤类型、生物学因素等的影响，同一产地农产品的稳定同位素丰度也可能存在差异，因此需要建立大量的数据库和模型来提高稳定同位素产地溯源技术的鉴别能力。此外，把该技术与矿物质元素指纹图谱结合起来使用，可以提高结果的准确性。

2 近红外光谱技术在产地鉴别中的应用

不同产地农作物受到不同气候、 环境的影响，会导致同一作物品种农产品的化学、 生物成分组成、含量产生一定差异。通过对成分的检测，可以实现对不同产地农产品的鉴别。近红外光谱分析作为1 种快速、无损的检测技术，是近年来发展迅速的1种成分检测手段。 该技术的原理为，在近红外光（780～2 526 nm 波段，主要利用波段为1 100～2 500 nm）的照射下，有机物质中能量较高的化学键基团（主要为C-H、N-H、S-H、C＝C、C＝O）吸收与其振动、转动频率相一致（主要为倍频和合频）的近红外光，产生近红外透射和反射光谱。 近红外光谱图中含有丰富的分子结构、组成、状态等信息，通过检测不同产地农产品的近红外光谱图，结合化学计量学技术建立模型，可实现对未知样品产地的判别。 在20 世纪90 年代，近红外光谱技术开始被引入农产品的产地溯源领域；如今，近红外光谱技术已经在宝石[26]、中草药[27-28]、水产品[29]、谷物[30-31]、煤炭[32]等产品的产地溯源中得到应用。 例如，刘星等[33]和夏珍珍等[34]分别选取不同产地的普洱茶生（熟）茶、栽培香菇作为样本，利用近红外光谱仪进行扫描获得近红外漫反射光谱后，通过偏最小二乘判别分析（partial least squares discrimination analysis, PLS-DA）建立模型，初步实现了普洱茶生（熟）茶、香菇产地的判别。

2010 年以来， 近红外光谱产地溯源技术逐渐应用于棉花产地溯源。美国科研人员Fortier 等[35]利用近红外光谱技术结合主成分分析（principal component analysis,PCA）方法对来自美国的国内棉及印度、中国、赞比亚、巴拉圭、巴基斯坦和津巴布韦等地的其他棉花进行了初步检测， 通过PCA 方法实现了美国国内棉和其他棉花的良好分离。 在我国，孙武勇等[36]对棉花纤维品质检测和产地溯源的近红外光谱分析技术国内外研究现状进行了阐述，并对需要解决的问题进行了分析。笔者等采集美国棉花和印度棉花各20 份， 通过傅里叶近红外光谱分析技术，由固体分析模块及棉花样品专用分析附件在12 000～3 800 cm-1范围内对样品进行测试，使用Thermo fisher 公司TQ 分析软件建立产地判别模型，另外随机选取25 份棉花用于模型测试验证，测试结果显示“模型分析结果”与“样品实际类别”匹配度均在99%以上（数据未发表）。 由此可见，近红外光谱分析结合化学计量学的方法，也可以应用于棉花产地溯源。

相对于稳定同位素产地溯源方法，近红外光谱产地溯源方法具有许多优势，包括无需样品制备或样品制备方法简单，非破坏性检测，操作简便快速，采样系统灵活多样，仪器设备廉价等，适用于大批量样品的在线或现场检测。但由于近红外光谱区主要为化学键振动、转动的倍频和合频信号，谱带强度是其基频吸收的十万分之一，导致检测灵敏度相对较低，并且谱图通常为多种吸收峰的叠加，加之环境温度、湿度及样品粒度的影响导致非线性和多变性，大大增加了分析难度，需要结合化学计量学方法，利用大量代表性样本建立模型，来提高检测的稳定性和准确性。

3 化学计量学分析方法在产地鉴别中的应用

在产地溯源研究中，无论是同位素技术，还是红外光谱分析技术，都结合了多种化学计量学分析方法。 化学计量学中常用的统计回归方法有很多，如聚类分析（clustering analysis, CA）、PCA、PLSDA、判别偏最小二乘法（discriminant partial least squares, DPLS）法、正交偏最小二乘判别分析法（orthogonal PLS-DA, OPLS-DA）、 线性判别分析（linear discriminant analysis, LDA）等，这些均可用来建立定量数学模型，实际应用时，需要根据研究对象的特点进行选择，选用不同统计学方法会有不同的结果判别率。 孙晓明等[37]利用近红外光谱分析技术对来自不同省份的水蜜桃进行研究后，认为支持向量机（support vector machine, SVM）法对光谱数据有效性差异的识别优于PCA-LDA、DPLS 法，更适用于水蜜桃产地溯源。 姜浩琛等[38]对国内3 省份10 个青萝卜样品进行了碳同位素比值（δ13C）、氮同位素比值（δ15N）、Co、Cd 等18 种矿物质元素测试并进行分析，单因素方差分析结果表明部分矿物元素含量在不同省份间存在显著差异，继而又采用不同的化学计量法进行计量分析， 相对于PLS-DA 法，LDA 法建立的模型对青萝卜样品的判别准确率更高，效果更好。

4 结语

随着化学分析技术分辨率、灵敏度的提升和化学计量学方法的迭代，目前同位素分析、近红外光谱分析等多种成熟的化学仪器分析技术可以辨别产地环境影响导致的农作物化学组成的细微差别，广泛应用于各种农产品的产地溯源。但这些技术在棉花产地溯源上的应用尚较少，还存在检测手段单一、检测样本量较少、检测灵敏度和检测准确率低等问题。目前世界范围内对棉花产地溯源的需求旺盛， 急需借鉴其他农作物产地溯源技术的成熟经验，结合棉花特点，开发高通量、高准确度的棉花产地溯源技术，以满足海关进出口商品监管及市场监管的需要，维护消费者权益。