CN109612972B - 一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法，检测不同原料等级茶叶样本的碳氮比值，建立不同等级茶叶样本碳氮差别比值与碳量子点反应的响应曲线，得到不同等级茶叶样本的荧光光谱响应强度值；基于不同原料等级茶叶样本的荧光光谱，构建不同原料等级茶叶样本的碳量子点荧光光谱判别模型；选取不同时节下采制的具有代表性的不同等级茶叶样本对所建判别模型进行校验，建立不同原料等级茶叶验证样本的碳量子点荧光光谱定性预测模型。本发明基于量子点判别茶叶等级的方法，可有效解决人工审评过程中由于主观因素影响而导致的审评结果缺乏一致性问题；可较好地消除不同审评人员间的判别结果误差，提高滋味等级审评结果的稳定性和准确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种茶叶等级判别方法，尤其涉及的是一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法。
背景技术
感官审评是一门较为科学的评价方法，具有直接、全面、快速等优点，在茶叶品质评价中应用广泛，是高校、科研院所及茶业企业从事茶叶品质控制的技术人员主要的评价手段。但该法易受审评者的主观意识和经验影响，存在审评评分表征评语不客观，感官指标制定不科学，审评结果受审评环境(温度、光照、噪音等)和审评设备(器具、水质)影响较大以及同类分析方法间缺乏可比性等问题，迫切需要一种客观、准确、便捷的茶叶品质与等级评价技术。
碳量子点是近年来发现的以碳为骨架结构的新型纳米材料，是一种分散、尺寸小于10nm的类球形纳米颗粒。由于碳量子点表现出荧光性好、稳定性强、耐光性和耐漂白性好，可调控发射波长等优越的荧光性能以及毒性低、生物相容性好、相对分子量低和颗粒粒径小等特点，在替代传统的荧光染料和量子点而应用于光学、生命科学、农学领域的研究中极具发展前景。碳量子点具备的高灵敏度特点，在样品识别领域具有广阔的应用前景。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于：现有技术无法实现客观准确的不同茶叶等级的分级，提供了一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括以下步骤：
(1)检测不同原料等级茶叶样本的碳氮比值，建立不同等级茶叶样本碳氮差别比值与碳量子点反应的响应曲线，得到不同等级茶叶样本的荧光光谱响应强度值；
(2)基于不同原料等级茶叶样本的荧光光谱，构建不同原料等级茶叶样本的碳量子点荧光光谱判别模型；
(3)选取不同时节下采制的具有代表性的不同等级茶叶样本对所建判别模型进行校验，建立不同原料等级茶叶验证样本的碳量子点荧光光谱定性预测模型。
所述步骤(1)具体过程如下：
(11)水合法制备碳量子点
取硫脲、尿素和柠檬酸钠溶于超纯水中，搅拌使其充分溶解；将混合溶液转移到反应釜中，于烘箱中加热，待反应结束冷却至室温，过滤得到的黄棕色的液体即为碳量子点溶液；
(12)制备不同等级茶叶的茶样
对特级、一级、二级、三级、四级、五级、六级和级外的待检茶叶样本分别加入乙醇进行超声浸提，然后离心过滤，得到不同原料等级茶叶的茶样；
(13)将碳量子点与茶样进行反应
将碳量子点、钴离子溶液和乙醇溶液萃取得到的茶样混合后，离心反应取上层液体；
(14)利用荧光分光光度法采集荧光光谱检测信息
将步骤(13)得到的上层液体放入荧光比色皿中，测定320nm激发波长下的荧光峰型和荧光发射峰强度。
所述荧光光谱检测信息中，钴离子-碳量子点体系对茶多酚类物质具有较高的响应，即茶叶样本中茶多酚类物质总量高，反应体系的荧光光谱强度弱，反之亦然。
所述步骤(2)具体过程如下：
(21)对采集的不同原料等级茶叶样本荧光数据进行主成分分析，得到可涵盖光谱有效信息的主因子数；
(22)经主成分分析后，对不同原料等级的茶叶样本进行数学判别分析，构建数学判别函数模型，得到不同等级茶叶样本的荧光光谱判别模型。
对于未知等级的样品进行分类时，将对应波长的荧光强度数值带入荧光光谱判别函数模型表达式，所得表达式数值最大的等级，即为该未知等级样品的判别等级。
所述数学判别函数模型为贝叶斯判别分析模型。
收集不同时期、季节采制的具有代表性的不同原料等级茶叶，代入上述茶叶样本等级的荧光光谱判别函数模型中进行交叉校验，检验判别模型正确性。
茶叶中的碳氮比是反映不同茶原料的嫩度和内含物比例及品质成分丰富度的关键指标，利用不同等级茶叶碳氮比差别化值结合碳量子点荧光检测技术实现对茶叶等级的判别，引入数学分析与判别方法对碳量子点所捕捉的荧光光谱数据进行降维、特征变量提取，建立分类预测判别函数模型，进而可实现对茶叶等级科学有效的评价。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明基于量子点判别茶叶等级的方法，可有效解决人工审评过程中由于主观因素影响而导致的审评结果缺乏一致性问题；
本发明判别标准客观、稳定，判别精度高，准确性强，可较好地消除不同审评人员间的判别结果误差，提高滋味等级审评结果的稳定性和准确性；
不同原料等级茶叶的碳量子点荧光光谱判别模型构建能够实现茶叶分级标准的一致性、客观性和通用性。该判别方法的应用对茶叶生产过程中品质控制技术的升级与终端茶产品品质的综合评价具有至关重要的开创性意义，提供了一个切实可行评判茶叶等级的新方法。
附图说明
图1是本发明的碳量子点体系与滇红乙醇萃取样反应后的荧光光谱图；
图2是钴离子-碳量子点体系与茶多酚类物质(EGCG)的反应对比图；
图3是不同等级滇红茶样共计120份的主成分空间分布图。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例具体过程如下：
(1)利用水合法制备碳量子点：
取0.42mmol硫脲、1.26mmol尿素和0.28mmol柠檬酸钠溶于30mL超纯水中，搅拌15min使其充分溶解。将混合溶液转移到体积为50mL的聚四氟乙烯为内衬的反应釜中，于烘箱中加热，反应温度为185℃，反应时间6h。待反应结束冷却至室温，过0.22μm滤膜，得到的一种黄棕色的液体即为碳量子点溶液，备用；
(2)称取0.2g不同等级(特级、一级、二级、三级、四级、五级、六级和级外)待检滇红茶样品120份，加入70％乙醇8mL，超声45min进行浸提，超声温度70℃，每隔15min将离心管摇匀，防止茶粉积淀在管底影响浸提效果。待超声结束后，将超声浸提液转入低速离心机以3500r/min转速离心10min，再使用针管将液体抽出，过0.22μm的滤膜，即为样液备用；
(3)以碳量子点(CDs)、钴离子溶液、乙醇溶液萃取得到的茶样溶液进行反应。使用移液枪移取2.75mL超纯水至5mL离心管中，加入0.1mL CDs溶液、0.1mL10-3mol/L钴离子溶液和0.05mL通过乙醇溶液萃取得到的不同等级滇红茶样试液，将离心管在5000r/min转速下离心5min，取上层液体供荧光强度检测使用；
(4)采用Aglient Carry Eclipse荧光分光光度计采集不同等级滇红茶样品的荧光光谱检测信息。将待测样品放入荧光比色皿中，测定320nm激发波长下的荧光峰型和荧光发射峰强度，如图1所示；
(5)钴离子-碳量子点体系与茶多酚类物质(EGCG)的反应比对见图2和表1。图2结果显示，建立的钴离子-碳量子点体系对茶多酚类物质(EGCG)具有较高的响应，利用茶多酚含量对检测体系的响应情况的差异性，可实现对滇红茶等级的判别。
表1为对不同等级滇红茶样品茶多酚总量的检测结果
由表1和图2可以看到，表1和图1实验结果显示，不同等级茶叶样本的茶多酚总量与碳量子点体系荧光谱图信息呈现一定的反向负相关性，即茶叶样本的茶多酚总量高，其相应反应体系荧光光谱强度弱，反之亦然。
(6)荧光光谱主成分分析(PCA)。
应用SPSS软件对120份不同等级滇红茶样品的荧光光谱进行主成分分析，求得主成分数及其贡献率。不同等级滇红茶样品前8个主成分的贡献率见表2。
表2为不同等级滇红茶样品前8个主成分的贡献率
从表2可以看出，PC1贡献率最大，为99.842％，从PC1～PC8主成分贡献率急剧降低。其中，PC1，PC2和PC3三个主成分的累计贡献率为99.965％，能够涵盖上述光谱的有效信息，用于后续数据分析。
根据上述主成分分析法计算出样品荧光光谱数据的得分Scorel1值、Scorel2值和Scorel3值信息，得到其特级、一级、二级、三级、四级、五级、六级和级外样品的空间位置分布图，详见图3；
从图3可以看出，分布于三维空间中的特级、一级、二级、三级、四级、五级、六级和级外样品能够较为明显的被区分开，每个等级均有属于各自等级的聚集区域。
(7)对不同等级的滇红茶样品进行贝叶斯判别分析，构建贝叶斯判别函数模型；
计算得到贝叶斯判别函数模型的表达式分别为：
特级：
Y1＝-1824.903+456.846X1-328.685X2+6.040X3-74.539X4-58.226X5+282.021X6+665.671X7；
一级：
Y2＝-1626.083+464.204X1-319.689X2-17.431X3-68.944X4-40.354X5+254.927X6+603.998X7；
二级：
Y3＝-1508.008+435.134X1-278.207X2-30.396X3-66.146X4-42.075X5+259.010X6+603.119X7；
三级：
Y4＝-1818.324+496.710X1-337.825X2-18.356X3-79.489X4-33.808X5+263.090X6+639.320X7；
四级：
Y5＝-1729.896+475.929X1-314.492X2-20.121X3-76.056X4-40.880X5+261.312X6+665.300X7；
五级：
Y6＝-2129.954+541.882X1-388.712X2-35.500X3-73.033X4-26.187X5+254.666X6+656.509X7；
六级：
Y7＝-1958.496+489.223X1-334.444X2-24.145X3-78.133X4-33.087X5+268.274X6+643.912X7；
级外：
Y8＝-1743.528+490.493X1-334.217X2-55.411X3-57.301X4-21.377X5+225.965X6+580.644X7；
X1、X2、X3、X4、X5、X6和X7分别是光谱信息上第2、3、9、17、43、63、81个数值，即396nm，398nm，410nm，426nm，478nm，518nm和554nm处的荧光强度数值。对未知等级样品进行分类时，将对应波长的荧光强度数值带入上述公式，所得Y值最大的等级，即为该未知等级样品的判别等级。
得到不同等级的滇红茶判别率为P特级＝100％、P一级＝93.3％、P二级＝100％、P三级＝100％、P四级＝100％、P五级＝100％、P六级＝93.3％和P级外＝100％。综合结果表明，98.3％个原始分组观察值已被正确分类，该方法能够实现对不同等级滇红茶的准确判别。
为对不同等级的滇红茶判别结果的交互验证实验
实施例2
为考察本方法的可行性，对已知的不同等级的滇红茶判别结果观察值进行交叉验证。在交叉验证中，每一个观察值均依据从该观察值之外的所有观察值衍生的函数进行分类，分类结果见表3。表3结果显示，95％个交叉验证分组得到正确的分类，分类正确率分别是P特级＝100％、P一级＝86.7％、P二级＝100％、P三级＝100％、P四级＝93.3％、P五级＝86.7％、P六级＝93.3％和P级外＝100％。表明，基于碳量子点纳米材料结合主成分分析法与贝叶斯判别法构建的滇红等级判别方法是可行的。
表3不同等级的滇红茶贝叶斯判别的分类和验证结果
本发明通过检测茶叶碳氮比值进行判别，该比值反应茶叶内含物质的丰富程度，同时适用其他茶类。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获得不同原料等级茶叶样本的荧光光谱响应强度值
(11)水合法制备碳量子点
取硫脲、尿素和柠檬酸钠溶于超纯水中，搅拌使其充分溶解；将混合溶液转移到反应釜中，于烘箱中加热，待反应结束冷却至室温，过滤得到的黄棕色的液体即为碳量子点溶液；
(12)制备不同原料等级茶叶样本
对特级、一级、二级、三级、四级、五级、六级和级外的待检茶叶样本分别加入乙醇进行超声浸提，然后离心过滤，得到不同原料等级茶叶样本；
(13)将碳量子点与茶样进行反应
将碳量子点、钴离子溶液和乙醇溶液萃取得到的茶样混合后，离心反应取上层液体；
(14)利用荧光分光光度法采集荧光光谱检测信息
将步骤(13)得到的上层液体放入荧光比色皿中，测定320nm激发波长下的荧光峰型和荧光发射峰强度；
(2)基于不同原料等级茶叶样本的荧光光谱，构建不同原料等级茶叶样本的碳量子点荧光光谱判别模型；
(3)选取不同时节下采制的具有代表性的不同原料等级茶叶样本对所建判别模型进行校验，建立不同原料等级茶叶验证样本的碳量子点荧光光谱定性预测模型。
2.根据权利要求1所述的一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法，其特征在于，所述荧光光谱检测信息中，钴离子-碳量子点体系对茶多酚类物质具有较高的响应，即茶叶样本中茶多酚类物质总量高，反应体系的荧光光谱强度弱，反之亦然。
3.根据权利要求1所述的一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法，其特征在于，所述步骤(2)具体过程如下：
(21)对采集的不同原料等级茶叶样本荧光数据进行主成分分析，得到可涵盖光谱有效信息的主因子数；
(22)经主成分分析后，对不同原料等级的茶叶样本进行数学判别分析，构建数学判别函数模型，得到不同原料等级茶叶样本的荧光光谱判别模型。
4.根据权利要求2所述的一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法，其特征在于，对于未知等级的样品进行分类时，将对应波长的荧光强度数值带入碳量子点荧光光谱判别模型表达式，所得表达式数值最大的等级，即为该未知等级样品的判别等级。
5.根据权利要求3所述的一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法，其特征在于，所述数学判别函数模型为贝叶斯判别分析模型。
6.根据权利要求2所述的一种基于碳量子点判别茶叶等级的方法，其特征在于，收集不同时期、季节采制的具有代表性的不同原料等级茶叶，代入上述茶叶样本等级的碳量子点荧光光谱判别模型中进行交叉校验，检验判别模型正确性。
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