《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：Quantitative detection modeling of lysine and histidine in animal feed based on terahertz metamaterial sensing technology
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本研究开发基于太赫兹时间域光谱与双环金超材料传感器的快速检测方法，用于赖氨酸和组氨酸及其混合物的定量分析。实验表明，检测灵敏度达198 GHz/RIU，相关系数R2均高于0.96，检测范围1-25 mg/mL，为饲料成分分析提供新方法。
张美轩|赵静波|岳建民|赵文文|贾楠|朱军|王海峰|李斌
中国北京农业科学院智能装备研究中心，北京100097
摘要
本研究开发了一种使用纯标准品快速检测赖氨酸（Lys）和组氨酸（His）的方法。采用太赫兹时域光谱（THz-TDS）系统测量0.1–1.5 THz频率范围内Lys和His标准品的吸收特性。基于密度泛函理论（DFT）分析，确定了与特征吸收峰相关的分子振动模式。设计了一种新型双环金纳米材料传感器，并模拟了该传感器对具有不同折射率样品的表面电场、电流分布以及太赫兹吸收响应。制备了浓度为1、5、10、15、20和25 mg/mL的Lys和His标准溶液，以及9种按等比例混合的溶液（n=21）。定量检测实验结果表明，这两种氨基酸的太赫兹吸收测量结果与DFT理论计算结果吻合良好。在模拟条件下，所提出的纳米材料在0.881 THz频率下表现出最佳传感性能，灵敏度为198 GHz/RIU，Q值为7.436，FOM值为1.678。Lys（R2=0.964，RMSEC=8.933 GHz）、His（R2=0.960，RMSEC=6.251 GHz）及其二元混合物（R2=0.975，RMSEC=6.830 GHz）的定量校准模型显示出线性相关性。这些指标是基于未经独立验证的校准数据得出的。本研究中的实际检测浓度范围为1 mg/mL至25 mg/mL。这是一项基于纯氨基酸标准品的初步研究，未来有望应用于实际饲料基质分析。
引言
精准营养是确保畜禽健康生长、提高饲料转化效率和降低养殖成本的关键因素[1]、[2]。赖氨酸（Lys）和组氨酸（His）作为畜禽饲料中的必需氨基酸，在维持动物代谢平衡和免疫稳态方面起着重要作用[3]、[4]。因此，本研究重点关注纯氨基酸，特别是Lys、His及其二元混合物，以建立方法论并进行初步研究，为复杂饲料基质分析提供参考。
传统技术如高效液相色谱（HPLC）、毛细管电泳（CE）和质谱（MS）已被用于氨基酸的定量分析，这些技术可以获得高灵敏度和准确性[5]、[6]、[7]。Zayed等人[5]使用HPLC结合紫外光谱法检测L-色氨酸、α-酮异己酸和L-缬氨酸，检测限达到10 μg/mL。Yu等人[6]应用CE分析大豆和石斛中的9种氨基酸，检测限可达2.8–25.2 μM。Bruno等人[7]使用LC–MS分析血浆中的27种氨基酸，实现了1.0–900 μmol/L范围内的定量分析。然而，这些技术通常需要专用仪器和复杂的样品预处理过程，成本高昂且耗时，不适合快速检测饲料质量。因此，探索快速且经济高效的氨基酸检测方法仍是一个重要挑战。光谱分析技术因其非破坏性和快速响应特性而在材料成分分析中显示出显著价值[8]。目前，多种光谱技术已被用于氨基酸的检测和表征。Noel等人[9]使用近红外光谱预测猪饲料中的粗蛋白和18种氨基酸的浓度，校准模型的决定系数（R2）范围为0.91至0.99。Chu等人[10]应用中红外光谱预测牛奶中的总氨基酸和游离氨基酸含量，校准集内的残差预测偏差（RPD）值为1.45–2.44。然而，这些方法在灵敏度和重复性方面存在局限性，难以在实际氨基酸检测中应用。
太赫兹（THz）辐射的频率范围通常为0.1至10 THz，对应波长约为3 mm至30 μm[11]。太赫兹时域光谱（THz-TDS）是一种相干光谱技术，利用飞秒激光脉冲生成和检测宽带太赫兹辐射。与传统的傅里叶变换红外光谱不同，THz-TDS直接测量时域电场波形，从而同时提取传输信号的振幅和相位信息。经过傅里叶变换后，可以获得频率域的复数传输系数，进而计算样品的折射率和吸收系数。这些光学参数反映了生物分子的集体振动模式、氢键网络和弱分子间相互作用，提供了丰富的结构和组成信息。因此，THz-TDS越来越多地应用于氨基酸和其他生物相关小分子的定量分析[12]，并成为生物学[13]、[14]、[15]、医学[16]、[17]、[18]、材料科学[19]、[20]、[21]等领域的先进研究工具。2017年建立了一个包含20种L-氨基酸的太赫兹吸收数据库，发现典型氨基酸在太赫兹波段具有独特的特征吸收峰，为氨基酸的定性和定量检测提供了理论基础[22]。近年来，基于纳米材料的传感器为提高太赫兹光谱检测低浓度分析物的灵敏度开辟了新途径。纳米材料是由亚波长单元格人工构建的结构，可以调节电磁响应[23]。通过在目标频率带（例如太赫兹范围）内实现强场限制和共振增强，这些结构可以显著提高传感灵敏度[24]。Zhou等人[25]提出了一种具有双不对称金属交叉结构的太赫兹超表面传感器。通过分析不同浓度L-缬氨酸溶液对太赫兹Fano共振峰的频率变化，实现了5 mM的检测限。Ge等人[26]设计了一种基于金属开环结构的三带太赫兹纳米材料吸收器，该吸收器同时具有折射率传感器和厚度传感器的功能，2 g/mL脯氨酸溶液的吸收率可超过99%。Shu等人[27]设计了一种不对称折叠双孔金属环太赫兹超表面传感器，用于检测不同浓度的L-缬氨酸和L-苯丙氨酸溶液，灵敏度分别为9.98 GHz/(mmol·L)和1.88 GHz/(mmol·L)。尽管这些研究证明了太赫兹纳米材料传感器检测单个氨基酸的可行性，但对饲料配方中常见浓度比的二元氨基酸混合物的系统研究仍有限。这一空白凸显了需要能够同时检测混合系统中多种氨基酸的定量模型的需求。本研究对饲料相关水平下的二元混合物进行了系统的定量研究。
为了探讨两种氨基酸混合检测的可行性，本研究以纯氨基酸Lys和His为模型系统，结合太赫兹光谱技术和纳米材料技术进行了研究。具体目标包括：（1）通过THz-TDS测量和DFT振动分析对Lys和His的太赫兹吸收特性进行表征；（2）设计并评估一种双环金纳米材料传感器以增强共振灵敏度；（3）基于浓度依赖的共振位移建立Lys和His的定量检测模型；（4）开发定量模型以确定固定总浓度下二元混合物中的Lys/His比例。本研究为二元混合氨基酸的定量检测提供了新的见解。
样品制备
L-赖氨酸（纯度>98%，CAS 56–87-1）和L-组氨酸（纯度>98%，CAS 71–00-1）购自中国上海的上海源叶生物技术有限公司。聚乙烯粉末购自中国上海的上海西格玛奥德里奇贸易有限公司。使用前未对试剂和溶液进行额外纯化处理。
片剂制备过程如下：首先，使用电子天平称量每种氨基酸样品和聚乙烯粉末样品各100 mg
Lys和His的太赫兹光谱和DFT分析
本研究首先使用THz-TDS系统对Lys和His样品进行光谱测量。样品采用压片法制备，测量程序的示意图见图2A。实验结果表明Lys的特征吸收峰位于0.956 THz，His的特征吸收峰位于1.363 THz。
理论计算表明Lys和His的吸收峰分别位于1.044 THz和1.400 THz
结论
本研究开发了一种基于太赫兹纳米材料传感的快速检测方法，为未来畜禽饲料中必需氨基酸Lys和His的定量分析提供了模型系统。首先，结合THz-TDS和DFT计算，表征了赖氨酸（0.956 THz）和组氨酸（1.363 THz）的特征吸收峰及其分子振动模式。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2022YFD1302101和2022YFD1301103）的支持。
