CN109115748A

CN109115748A - 基于激光诱导击穿光谱技术的不同产地葛根粉的鉴别方法

Info

Publication number: CN109115748A
Application number: CN201811178709.5A
Authority: CN
Inventors: 乔宝鑫; 孔汶汶
Original assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Current assignee: Zhejiang A&F University ZAFU
Priority date: 2018-10-10
Filing date: 2018-10-10
Publication date: 2019-01-01

Abstract

本发明公开了一种基于激光诱导击穿光谱技术的不同产地葛根粉的鉴别方法，属于激光光谱技术领域，包括：1)选取不同产地的纯葛根粉样本，并对葛根粉样本添加不同产地的分类标签；2)对所有葛根粉样本进行烘干和研磨，并制备成压片；3)利用激光诱导击穿光谱技术采集压片中葛根粉样本的谱线；4)对葛根粉样本的光谱数据进行主成分分析，采用主成分分析法选择特征波长；5)按照统一比例，将不同产地的葛根粉样本分为建模集与预测集；6)以所述特征波长作为输入，以产地分类标签作为输出，分别建立判别分析模型，对比不同判别分析模型的建模集与预测集的正确率，获取最优判别分析模型；7)利用最优判别分析模型对待检测葛根粉进行产地鉴别。

Description

基于激光诱导击穿光谱技术的不同产地葛根粉的鉴别方法

技术领域

本发明涉及激光光谱技术领域，具体地说，涉及一种基于激光诱导击穿光谱技术的不同产地葛根粉的鉴别方法。

背景技术

激光诱导击穿光谱技术(laser-induced breakdown spectroscopy，简称LIBS)是一种新兴的原子分析技术，它具有快速、预处理简单、多元素分析和在线远程分析的特点。该技术利用激光烧蚀样本产生等离子体，通过分析等离子体发射的光谱信号进行定性与定量检测。与高效液相色谱法、原子吸收光谱法、原子荧光光谱法、电感耦合等离子体质谱法等传统中药检测方法相比，激光诱导击穿光谱具有快速、简便、准确、微损、多元素同时分析、不需要对样本进行复杂预处理等优点，已广泛应用于植物材料中大量元素与微量元素的定量定性分析，为LIBS应用于中药材道地性及真伪鉴别提供依据。

激光诱导击穿光谱技术通过超短脉冲激光聚焦样品表面形成等离子体，进而对等离子体发射光谱进行分析以确定样品的物质成分及含量。超短脉冲激光聚焦后能量密度较高，可以将任何物态(固态、液态、气态)的样品激发形成等离子体，LIBS技术(原则上)可以分析任何物态的样品，仅受到激光的功率以及摄谱仪&检测器的灵敏度和波长范围的限制。再者，几乎所有的元素被激发形成等离子体后都会发出特征谱线，因此，LIBS可以分析大多数的元素。如果要分析的材料的成分是已知的，LIBS可用于评估每个构成元素的相对丰度，或监测杂质的存在。在实践中，检测极限是：a)等离子体激发温度的函数，b)光收集窗口，以及c)所观查的过渡谱线的强度。LIBS利用光学发射光谱，并且是该程度非常类似于电弧/火花发射光谱。

自从LIBS技术问世以来，该技术就被公认为是一种前景广阔的新技术，将为分析领域带来众多的创新应用。LIBS作为一种新的材料识别及定量分析技术，既可以用于实验室，也可以应用于工业现场的在线检测。其主要特点为：

快速直接分析，几乎不需要样品制备；

可以检测几乎所有元素；

可以同时分析多种元素；

基体形态多样性-可以检测几乎所有固态样品。

葛是豆科葛属多年生草质藤本药食两用植物，盛产于中国南方山区，其根部呈块状，通称为葛根。葛根作为名贵中药材，常与我国北方的人参相提并论，享有“南葛北参”之美誉。葛根具有极高的营养价植与药用价植，其主要组成成分为淀粉、膳食纤维、蛋白质、粗脂肪与黄酮类物质，含有多种人体必需的氨基酸及K、Ca、Mg等丰富的矿质元素。不同产地的同种药材，通常会因气候和地理位置的差异而使药效产生差异。因此，鉴别葛根的道地性对于保障葛根的安全性与真实性具有重要意义。

目前，已有研究结合化学计量学方法，利用激光诱导击穿光谱技术对黄连、附片、茯苓等中药材进行定量定性分析。然而，基于LIBS技术的不同产地葛根粉的鉴别研究仍处于空白阶段。本研究基于LIBS技术并结合化学计量学方法建立鉴别模型，研究利用LIBS技术的可行性。

发明内容

本发明的目的为提供一种基于激光诱导击穿光谱技术的不同产地葛根粉的鉴别方法

为了实现上述目的，本发明提供的基于激光诱导击穿光谱技术的不同产地葛根粉的鉴别方法包括以下步骤：

1)选取不同产地的纯葛根粉样本，并对葛根粉样本添加不同产地的分类标签；

2)对所有葛根粉样本进行烘干和研磨，并制备成压片；

3)利用激光诱导击穿光谱技术采集压片中葛根粉样本的谱线；

4)对葛根粉样本的光谱数据进行主成分分析，采用主成分分析法选择特征波长；

5)按照统一比例，将不同产地的葛根粉样本分为建模集与预测集；

6)以所述特征波长作为输入，以产地分类标签作为输出，分别建立判别分析模型，对比不同判别分析模型的建模集与预测集的正确率，获取最优判别分析模型；

7)利用最优判别分析模型对待检测葛根粉进行产地鉴别。

通过以上技术方案，可快速检测出葛根粉的产地，从而鉴别葛根的道地性，该方法简单方便，只需将所有产地的葛根粉汇总建模，即可实现后续鉴别。

作为优选，步骤3)中，利用激光诱导击穿光谱仪采集光谱信号的参数是：波长为532nm，激光能量为60mJ，焦深为2mm，延时时间为2.323μs，门宽为10μs。为获得较好的信背比和重复性，激光击打点位于压片表面2mm以下。

为了防止样本内部成分差异及表面杂质造成影响，作为优选，步骤3)中，每个葛根粉样本通过移动位移平台采集16个位置的光谱数据，并且每个点累积采集10次，取平均值作为该葛根粉样本的光谱数据。

作为优选，步骤2)中，压片时，每片取葛根粉样本约0.5g，在20MPa压力下压制1min，制成直径约15mm，厚约2mm的圆片。为防止样本在激光击打过程中位置发生移动，圆片由双面胶固定于XYZ电动位移台的表面。

作为优选，步骤2)中，每种葛根粉样品各压制50片。

作为优选，步骤5)中，以3：2的比例将不同产地的葛根粉样本分为建模集与预测集。

作为优选，步骤6)中，判别分析模型为ELM、SMICA、KNN和RF。

作为优选，步骤6)中，基于选择的18个特征波长分别建立ELM、SMICA、KNN和RF判别分析模型。其中，ELM与SMICA模型的预测效果很好，其建模集准确率均达到100％，预测集准确率分别为99.3％与98％；KNN与RF具有同样优秀的鉴别结果，二者对不同产地葛根粉建模集与预测集的判别正确率均达到100％。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)实现了不同产地葛根粉的快速鉴别方法。

(2)利用LIBS技术进行不同产地葛根粉的快速鉴别，具有成本低，检测快速，操作简单等特点，为LIBS应用于中药材道地性及真伪鉴别提供了依据。

(3)选择了具有代表性的特征波长，有利于便携仪器的开发。

附图说明

图1为不同产地葛根粉的全谱数据；

图2为不同样本的PC1、PC2、PC3的分布散点图，其中(a)为PC1的分布散点图，(b)为PC2的分布散点图，(c)为PC3的分布散点图；

图3为PC1，PC2，PC3的载荷图，其中(a)为PC1的载荷图，(b)为PC2的载荷图，(c)为PC3的载荷图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合实施例及其附图对本发明作进一步说明。

实施例

参见图1至图3，本实施例的基于激光诱导击穿光谱技术的不同产地葛根粉的鉴别方法具体步骤下：

1、实验样品选取5种市面上常见的不同产地的纯葛根粉，分别为浙江纯葛根粉(佳惠)、湖北纯葛根粉(国森源)、湖南纯葛根粉(葛西施)、云南纯葛根粉(轩庆)、安徽纯葛根粉(他山她水)。

2、对所有葛根粉样本进行烘干和研磨，使用台式粉末压片机将葛根粉压片。压片时，每片取约0.5g，在20MPa压力下压制1min，制成直径约15mm，厚约2mm的圆片。5种样品各压制50片。

3、为防止样本在激光击打过程中位置发生移动，圆片由双面胶固定于XYZ电动位移台的表面。为了防止样本内部成分差异及表面杂质造成影响，每个样本通过移动位移平台采集16个位置的光谱数据，并且每个点累积采集10次，取平均值作为该样本的LIPS数据。为获得较好的信背比和重复性，激光击打点位于圆片表面2mm以下，波长为532nm，激光能量为60mJ，延时时间为2.323μs，门宽为10μs。经过上述步骤，获得5种葛根粉的全谱数据如图1所示。

4、基于样本集的LIBS光谱，进行PCA分析。不同产地葛根粉的PC1、PC2和PC3的分散点分布如图2所示，其中PC1、PC2和PC3分别解释了98.16％，0.79％和0.48％的总方差，前3个主成分共解释了99.13％的总方差。

5、采用PCA loading选择特征波长。根据PC1，PC2，PC3的载荷图，如图3所示，选出图中处于波峰波谷的18条谱线作为关键变量。根据美国NIST的ASD和Kurucz数据库的标准谱线确定所选18条特征谱线对应的元素如表1所示。

表1 特征谱线

序号	波长(nm)	元素	序号	波长(nm)	元素	序号	波长(nm)	元素
									1	247.86	C I	7	317.93	Ca II	13	656.28	H I
2	251.61	Si I	8	388.22	CN 0-0	14	777.54	O I
									3	279.55	Mg II	9	393.37	Ca II	15	821.58041	Fe I
4	280.27	Mg II	10	396.85	Ca II	16	844.8	Fe II
									5	288.158	Si I	11	422.67	Ca I	17	854.21	Ca II
6	315.89	Ca II	12	616.38	Ca I	18	868.02	N I

6、以3：2比例分为建模集与预测集，共得到建模集样本150个，预测集样本100个。

7、基于选择的18个特征波长，分别建立ELM、SMICA、KNN和RF判别分析模型。判别分析效果如表2所示。

表2 基于特征波长的判别分析模型结果

8、对比不同模型建模集与预测集的正确率，获取最优的判别分析模型，由表2可知，基于18个特征波长的判别分析模型中，ELM与SMICA模型的预测效果很好，其建模集准确率均达到100％，预测集准确率分别为99.3％与98％；KNN与RF具有同样优秀的鉴别结果，二者对不同产地葛根粉建模集与预测集的判别正确率均达到100％。因此本发明可用于不同产地葛根粉的快速鉴别方法，具有成本低，检测快速，操作简单等特点，为LIBS应用于中药材道地性及真伪鉴别提供了依据。

9、利用判别分析模型对待检测葛根粉进行产地鉴别。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种基于激光诱导击穿光谱技术的不同产地葛根粉的鉴别方法，其特征在于，包括以下步骤：

2)对所有葛根粉样本进行烘干和研磨，并制备成压片；

7)利用最优判别分析模型对待检测葛根粉进行产地鉴别。

2.根据权利要求1所述的不同产地葛根粉的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤3)中，利用激光诱导击穿光谱仪采集光谱信号的参数是：波长为532nm，激光能量为60mJ，焦深为2mm，延时时间为2.323μs，门宽为10μs。

3.根据权利要求1所述的不同产地葛根粉的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤3)中，每个葛根粉样本通过移动位移平台采集16个位置的光谱数据，并且每个点累积采集10次，取平均值作为该葛根粉样本的光谱数据。

4.根据权利要求1所述的不同产地葛根粉的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤2)中，压片时，每片取葛根粉样本约0.5g，在20MPa压力下压制1min，制成直径约15mm，厚约2mm的圆片。

5.根据权利要求4所述的不同产地葛根粉的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤2)中，每种葛根粉样品各压制50片。

6.根据权利要求1所述的不同产地葛根粉的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤5)中，以3：2的比例将不同产地的葛根粉样本分为建模集与预测集。

7.根据权利要求1所述的不同产地葛根粉的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤6)中，判别分析模型为ELM、SMICA、KNN和RF。

8.根据权利要求7所述的不同产地葛根粉的鉴别方法，其特征在于，所述的步骤6)中，基于选择的18个特征波长分别建立ELM、SMICA、KNN和RF判别分析模型。