烟叶中化学成分检测方案(近红外光谱仪)

美国 BRIMROSE 公司 AOTF/NIR中国总代理&技术支持中心--济南金宏利实业有限公司 美国 BRIMROSE公司LUMINAR 5030 便携式AOTF-NIR 光谱仪 烟叶检测 济南金宏利实业有限公司 烟草行业目前状况： 目前，烟草行业尚没有直接无损检测烟叶化学成分的方法。实验室常规检测仪器分析烟叶化学成分需要对烟叶进行烘干、研磨、浸提和检测多个步骤，检测完后，烟叶将不复存在。该方法分析时间长，需要对样品进行复杂的处理，消耗大量的试剂，不同的指标要不同的通道进行测试。 AOTF-NIR 检测方案： 采用 Luminar 5030 便携式近红外光谱仪直接对烟叶扫描，进行无损检测，几分钟就可快速得到烟碱、总糖、还原糖、钾和氯等各指标的检测结果。 三. 目的： 不需要对烟叶进行复杂的处理，实现直接对烟叶各种成分的快速无损检测，寸节省时间、降低成本、增加效益。 四. 意义： 考虑到烟叶粉末的制备仍需要经过烘干，粉碎和研磨过程，然后制成40目或60目样品，大约需要3小时，不能满足烟叶采购现场检测的需要，也不能充分发挥近红外分析技术优势，因此建立一套或几套与当前烟叶发展形式相适应的，能够适用于现场的近红外检测模型，具有非常重大的意义。采用 AOTF-NIR 光谱仪对烟叶化学成分进行快速无损检测，验证检测的结果完全能够达到实际应用的要求。 五. 仪器条件和样品处理： 仪器：美国BRIMROSE 公司产的 Luminar 5030 型便携式 AOTF 技术近红外光谱仪，主要部件包括：光学部分、控制部分、电源适配器、笔记本电脑。仪器波长范围为 1100nm 到2500nm，2nm的波长增量，扫描次数为100，采用 InGaAs检测器。挪威 CAMO 公司 The Unscrambler 分析软件。 样品：不同产区不同年度的烟叶，在恒温恒湿箱中进行24个小时的水分平衡，使烟叶的水分保持在17%左右，与烟叶收购时烟叶的水分基本一致。 六、 测量方式： 一片烟叶可沿主脉分成左右相等的两部分，化学成分含量基本一致；因此采集一半烟叶的光谱即可，得到光谱数据。另一半拿去做化学分析，得到该片烟叶的化学值数据。扫描光谱时，烟叶样品的下面要垫一个不锈钢制 1-2mm 厚的垫板，，l以减少背景的干扰。手持仪器光学部分的手柄将光学探头对准采集点进行光谱的采集。在光谱的扫描过程中，仪器探头尽量保持静止。烟叶样品光谱的采集采用多点扫描取平均的方法，即：在烟叶上按照一定规律采集多次光谱，使这几次光谱的采集位置尽量包括烟叶上的所有位置，然后将这几次采集的光谱平均为1张光谱，l以该张光谱作为这个烟叶样品的光谱。 图2-1.扫描烟叶样品 烟叶叶片测量点的选取： 在一张叶片上，在哪些位置上，选择几个点能够有效代表该叶片的信息呢?针对这个问题我们进行了深入的研究。 图2-2.烟叶选点定位图 首先选取不同产区不同年度烟叶叶片，使其水分保持在16%--18%之间，与国标对原烟收购的水分要求一致。根据烟叶叶片左右对称的特性，将一片烟叶沿主叶脉平均分为左右两部分，测试的时候，取其中的右半部分即可。将右半部分进行三等分，分为叶尖(兰色)、叶中(红色)、叶基(绿色)三个部位。如图2-2所示，叶尖部位取三个点呈正立的一个三角形，叶中部位取5个点呈一个十字的形状，叶基部位取三个点呈一个倒立的三角形，共计11个点。 为了验证取几个点合适，我我分别选取其中的3、4、5、6、、7、8、9、10、11个点，每部分点的选择尽可能使其在右半部分平均分布，然后求平均光谱，再合并这9个平均光谱，查看其光谱位置。这9个平均光谱分别命名为 p3、p4、p5、p6、p7、p8、p9、p10、p11。流程如下： 采集该烟叶11个采样点的光谱，再利用软件功能有选择的将其中某些光谱求平均光谱 分别得到编号为P3~P11的9张平均光谱图，再将这9张平均光谱数据合并成一个文件 将合并的光谱图的三个局部进行放大观察 5 统计该片烟叶合并光谱三个部位在最上、最下和中间三个位置的平均光谱的编号 按照同样方法分析其他的烟叶，最后统计分析这些结果得出结论 选取具有代表性烟叶叶片样品6个，编号为：B2F01、B2F02、B2F03、B2F04、C3F01、C3F02。各段合并光谱的位置如以下图表所示： 前段合并光谱的放大位置如图： 编号光谱位置 B2F01 B2F02 B2F03 B2F04 C3F01 C3F02 最上 P3 P6 P7 P6 P6 P3 中间 P7 P10 P9 P10 P10 P11 最下 P5 P3 P8 P3 P5 P7 传真：0531-88028728/88908915 中段合并光谱的放大位置如图： 编号 光谱位置 B2F01 B2F02 B2F03 B2F04 C3F01 C3F02 最上 P3 P6 P11 P4- P6 P3 中间 P10 P11 P10 P9 P10 最下 P5 P9 P4 P11 P5 P7 尾段合并光谱的放大位置如图： 编号 光谱位置 B2F01 B2F02 B2F03 B2F04 C3F01 C3F02 最上 P3 P6 P11 P4 P3 P3 中间 P9 P7 P7 P7 P7 P10 最下 P5 P9 P6 P11 P11 P7 平均光谱在最上位置出现频率统计表格如下： P3 P6 P11 P4 P7 出现次数 7 6 2 2 1 平均光谱在最下位置出现频率统计表格如下： P5 P7 P11 P3 P9 P4 P6 P8 出现次数 5 3 3 2 2 1 1 1 平均光谱在中间位置出现频率统计表格如下： P10 P7 P9 P11 出现次数 7 6 3 2 分析如下： ①最上位置统计： 分析： 由图可以看出， P3出现的频 率最高，P6出现的频率次之，这两个平均光谱占了整个最上位置的72%，P3、P6所取的采样点较少，所以代表性不足，因此在最上位置 出现的光谱对样品的代表性不好。 ②最下位置统计： 分析： 由图可以看出，P5出现的频率最高，P7次之，他们占了整个最下位置的44%，同样原因，P5、P7所取的采样点少，代表不足。因此，最下位置出现的光谱对样品的代表性也不好。 ③中间位置统计： 分析： ]出现次数 通过以上的分析得知，在上下的位置出现的光谱对样品的代表性都不好，中间位置出现的光谱是对样品最有代表性的。由左图的分析也可以看出，P9、P10、P11所取采样点的数量足够多。P7 虽然所占比率比较高，但是P7在最上最下的位置都出现过，所以P7虽然比较好，但是不够稳定。P10在中间位置出现的频率最高，它自己就占了整个中间位置的38.9%，而且在最上最下的位置从没有出现过。 结论：每张烟叶的采样点数取10个是最合适的。 取名为1234双三角菱形10点定位测量法：心 图2-3.最终确定的烟叶叶片测试点定位图 将一片烟叶沿主叶脉平均分为左右两部分，测试的时候，取其中的右半部分即可。将右半部分进行三等分，分为叶尖(兰色)、叶中(红色)、叶基(绿色)三个部位。其中叶尖部位取三个点呈正立的一个三角形，叶中部位取四个点呈一个菱形的形状，叶基部位取三个点呈-一个倒立的三角形，共计10个点。每个部位进行四 等分，需测量的各点的坐标定位如图2-3所示。黄坐标是指该点所在直线长度的比例，纵坐标是指该点所在部位主叶脉长度的比例。 实际测试过程中，若所选点之处有异物或损伤，则在其附近另选一点，对测量的最终结果几乎没有影响。另外，在测试时尽量避开比较粗的枝脉。 七、 烟叶叶片模型的建立 1.原始吸收光谱图 用多点扫描求平均的方法得的典型 AOTF-NIR 原始吸收光谱图(图2-4)，图中烟叶样品光谱的排列比较紧密，光谱与光谱之间的相似性较强，采集到的光谱信息量大，由于每个烟叶采集了10个点的光谱，使得平均后的光谱比较具有代表性。 图2-4.烟叶叶片样品的原始吸收光谱 2.光谱数据的预处理 在建立模型前，，首先需对扫描得到的原始吸收光谱进行光谱预处理，以消除噪 美国 BRIMROSE公司 AOTF/NIR 中国总代理&技术支持中心--济南金利利实业有限公司音和基线的影响。我们采用的预处理方法为一阶导数9点平滑(savitzky-golay 法)。一阶导数处理可以很好的消除样品由于颜色差别引起的光谱基线偏移和漂移。 图2-5.烟叶叶片样品的一阶微分光谱图 3. AOTF-NIR定量分析模型的建立 将经过预处理后的光谱数据导入到 The Unscrambler 化学计量学软件中，与烟叶样品中的烟碱、总糖、还原糖、钾、氯等化学成分的基础数据进行关联，采用偏最小二乘法(PLS1)，交叉一验证法(cross-validation)，用 The Unscrambler定量分析软件建立模型。光谱和化学值异常值 (outlier) 分别采用光谱影响值Leverage 和化学值误差 Residual 这两个统计量来检验剔除。经过异常值的剔除进行逐步优化，最后得到了较为理想的校正模型。所得的烟草总烟碱、总糖、还原糖、钾和氯的PLS1 回归模型图如图2-6~图2-10所示。 图2-6.烟叶叶片NIC 模型 图 2-7.；烟叶叶片 TS 模型 图2-8.烟叶叶片 RS模型 图2-9.烟叶叶片K模型 电话：0531-88908933/88028728/88908915 fC模 图2-10.烟叶叶片CL 模型 八、 结果： 由以上烟叶叶片样品各个指标的模型中可以看出，每个模型均有非常好的线性关系，除K的R’=0.9342稍低外，其余各项指标的相关性R'都在0.95以上。建立模型的样品足够多，各指标的数据梯度分布也比较好，因此，可得到很好的验证偏差。 表2-1.烟叶叶片模型参数汇总表 模型 主成分数 相关性 验证偏差 Nic 16 0.9795 6.28% Ts 18 0.9788 3.10% Rs 15 0.9745 3.04% K 21 0.9342 0.144 Cl 23 0.9526 0.039 注： Nic、Ts、Rs三项指标为相对偏差， K、Cl两项指标为绝对偏差。 实践证明， AOTF-NIR 光谱分析技术可以应用于烟叶叶片样品常规化学成分的快速分析。 采用手持 AOTF 便携式近红外光谱分析仪采集烟叶叶片样品的光谱，并按照一定的规律多点定位，最终取得了烟叶叶片比较有代表性的光谱。利用该光谱与化学成分含量之间的相关性建立模型，实际结果显示模型各项参数非常好，取得了很好的效果。通过改善采样条件以及扩大校正样品集的数量，模型可以进一步优化。可以预见，该项技术的推广应用将大大提高烟叶常规检测的工作效率，企业能够取得更多的经济效益。 九、 应用情况： 2006年10月烟叶收购期间，在收购现场用于检测烟叶化学成分，为烟叶采购提供数据支持。 图2-11.ILUMINAR 5030用于烟叶收购现场的检测 http：//www. jhlsoft. com www. jhlaotf. com 址：济南历城区洪楼西路电话：真：_mail： jinhongliohu. comhttp：//www. jhlsoft. com www.jhlaotf. com