CN113884465A - 一种树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型及其建立方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于重金属检测领域，具体涉及一种树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型及其建立方法和应用。建立方法包括：(1)制备多个不同铅镉浓度比的小龙虾消解液，以树脂分别进行吸附；分别测定经树脂吸附后过滤获得的滤液中的铅、镉浓度，计算得到各个树脂中的铅、镉吸附浓度；分别采集吸附了不同铅镉浓度比小龙虾消解液的树脂的近红外光谱；(2)应用Matlab软件，采用小波变换方法对步骤(1)得到的近红外光谱进行光谱预处理，根据预处理后的光谱及光谱对应的树脂中的铅、镉浓度，利用偏最小二乘法建立回归模型。本发明提高了分析灵敏度，缩短了建模时间，提高了检测效率，降低了试剂的消耗。
Description
技术领域
本发明属于重金属检测领域，更具体地，涉及一种树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型及其建立方法和应用。
背景技术
重金属通常是指密度＞5g/cm3，对人体有害的金属和类金属元素的总称，主要有铅(Pb)、镉(Cd)、砷(As)、铬(Cr)、汞(Hg)和铜(Cu)等。重金属能使蛋白质和酶发生不可逆转的变性，丧失部分或全部生理功能，扰乱生物体的正常新陈代谢。铅是典型的积累性毒物，可以通过呼吸道和消化道等途径进入生物体内，损害肠胃、肾脏和神经系统，并影响人体的造血功能、免疫功能和智力发育，表现为血红蛋白合成不畅、血压过高、血管易发生痉挛等临床症状。长期暴露在较高浓度的铅环境中，人体中枢神经系统会受到损害，甚至引起不可逆的脑损伤。镉是人体非必需金属元素，具有很强的毒性，镉中毒对人体的影响仅次于汞，已被列为强致癌物。且镉无法被生物降解，易在生物体内蓄积。镉蓄积在人体内，会导致人体急性或慢性中毒、骨质疏松、骨头萎缩，甚至引起精子畸形，诱发细胞癌变，对人体肺部、骨骼、生殖系统和免疫系统造成巨大伤害。食品安全直接影响人民的身体健康及国家的发展，目前食品中铅、镉超标现象层出不穷，因此检测食品中的铅、镉含量具有重要意义。
小龙虾肉蛋白质含量较高，含有人体所需的8种必需氨基酸，同时脂肪含量较低，具有较高的食用价值。小龙虾经加工后，风味独特，味道鲜美，深受广大消费者的喜爱，是一种世界性消费淡水虾类。水底沉积物是从自然和人为来源引入水体环境的重金属的主要聚集地，与中上层鱼类相比，小龙虾因其底栖性及食腐性，更容易富集重金属。目前小龙虾重金属铅、镉超标现象的报道较多，已成为影响我国小龙虾产业发展的主要问题之一，对于小龙虾中重金属含量的检测越来越受到广大消费者的关注。然而传统的重金属铅、镉的检测方法大都操作繁琐，要求较高，很难满足小龙虾大批量生产中重金属快速检测要求，因此迫切需要开发小龙虾重金属铅、镉的快速检测技术。
发明内容
发明人通过研究发现，鳃的呼吸渗透作用是重金属铅、镉进入小龙虾体内的主要途径。小龙虾的生存环境受到铅、镉污染后，通过其自身呼吸作用和摄取食物等直接或间接方式，铅、镉会逐渐累积在特定的器官组织。且一旦进入体内，很难代谢排出。人们在食用小龙虾时，铅、镉被传递到人体内，对身体健康产生危害。
重金属在近红外光谱中几乎没有特征峰。因此，近红外光谱无法直接对铅、镉进行检测。但是铅、镉通过螯合或络合的方式与有机物质形成螯合物或络合物，而这些化合物在近红外光谱区有相应的响应与吸收，从而使得采用近红外光谱间接检测铅、镉成为可能。
发明人将清洗干净的鲜活小龙虾置于-50℃冰箱中冻藏12h后取出，经冷冻干燥机干燥36h，粉碎后进行微波消解。利用有机吸附材料-树脂富集小龙虾消解液中的痕量铅、镉，一方面使铅、镉吸附在树脂上形成络合物，另一方面也可以增加铅、镉的浓度，提高分析灵敏度。基于上述发现，完成了本发明。
本发明的目的在于解决上述问题，在保证检测精确性的前提下，根据建立的近红外光谱模型，同时检测小龙虾重金属铅、镉含量，以期找到一种迎合市场需要，缩短检测时间，实现小龙虾中重金属快速检测的检测技术，为小龙虾产业的绿色、健康和可持续发展提供技术支撑。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法，该建立方法包括：
(1)制备多个不同铅镉浓度比的小龙虾消解液，以树脂分别进行吸附；
分别测定经树脂吸附后过滤获得的滤液中的铅、镉浓度，计算得到各个树脂中的铅、镉吸附浓度；
分别采集吸附了不同铅镉浓度比小龙虾消解液的各个树脂的近红外光谱；
(2)应用Matlab软件，采用小波变换方法对步骤(1)得到的近红外光谱进行光谱预处理，根据预处理后的光谱及光谱对应的树脂中的铅、镉浓度，利用偏最小二乘法建立回归模型。其中，预处理是为了降低噪声和减少系统误差的光谱预处理功能，提高光谱中的有效信息。
作为优选方案，小龙虾消解液的获得方法包括：
将小龙虾洗净，经冷冻干燥、粉碎、消解后，以超纯水定容，测定其铅、镉含量，然后添加铅、镉标准溶液，获得目标浓度的小龙虾消解液。根据本发明，在一个具体的实施方式中，设定小龙虾消解溶液的一个目标浓度为Pb：0.3mg/kg，Cd：0.3mg/kg，将小龙虾洗净，经冷冻干燥、粉碎、消解后，以超纯水定容，测定其铅含量为0.05mg/kg、镉含量为0.08mg/kg。然后向该溶液中添加铅、镉标准溶液，使得该溶液中铅含量为0.3mg/kg、镉含量为0.3mg/kg，进而获得小龙虾消解液。
作为优选方案，小龙虾消解液中铅镉浓度比的取值包括0.1:0.9、0.5:1.2、0.9:0.1、1.0:1.0和1.2:0.5中的至少三个。
作为优选方案，不同铅镉浓度比的小龙虾消解液包括：
溶液1：Pb：0.1mg/kg，Cd：0.9mg/kg；
溶液2：Pb：0.3mg/kg，Cd：0.3mg/kg；
溶液3：Pb：0.5mg/kg，Cd：1.2mg/kg；
溶液4：Pb：0.7mg/kg，Cd：0.7mg/kg；
溶液5：Pb：0.9mg/kg，Cd：0.1mg/kg；
溶液6：Pb：1.0mg/kg，Cd：1.0mg/kg；
溶液7：Pb：1.2mg/kg，Cd：0.5mg/kg。
根据本发明，除采用上述不同铅镉浓度比的溶液外，本领域技术人员可根据需要选择其他铅镉浓度的溶液。
作为优选方案，树脂为D113、D402或D405，最优选为D405大孔吸附树脂。D405是聚苯乙烯骨架的大孔型螯合树脂，由于其独特的毛细孔结构，利于金属离子颗粒的载入；含有-CH2-S-C-NHNH2配位基，具有较高的与二价金属离子之间构成稳定结构的键和能力，选择性的与二价金属离子发生配位反应，能够形成类似小分子螯合物的稳定结构。用于吸附重金属铅、镉，吸附效果较佳。
作为优选方案，步骤(1)中，控制吸附时小龙虾消解液的pH为2.0～8.0，进一步优选为：控制吸附时小龙虾消解液的pH为6.5～7.5。在6.5～7.5的浓度范围内，可有效同时提升树脂对铅和镉的吸附率。
作为优选方案，步骤(1)中，吸附温度20～50℃，进一步优选为35～45℃。在上述温度范围内，可有效同时提升树脂对铅和镉的吸附率。
作为优选方案，步骤(1)中，吸附时间为30～120min，进一步优选为60～120min。
根据本发明，可通过电感耦合等离子体质谱仪(ICP-MS)或者石墨炉原子吸收光谱法或者本领域技术人员常规采用的其他方法测定经树脂吸附后过滤获得的滤液中的铅、镉浓度。
本发明的第二方面提供由上述的树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法获得的预测模型。
本发明的第三方面提供一种小龙虾待测消解液中铅、镉浓度的测定方法，该测定方法应用上述的预测模型，该测定方法包括：
将未知铅、镉浓度的小龙虾待测消解液以树脂进行吸附，采集吸附后的树脂的近红外光谱，代入回归模型，获得小龙虾待测消解液中的铅、镉浓度；其中，树脂的种类、吸附条件与步骤(1)中相同，以确保树脂吸附率相同。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明通过将待测小龙虾中铅、镉富集于树脂中，测定吸附树脂的近红外光谱，实现铅、镉含量的间接测定，同时树脂吸附增加了铅、镉的浓度，提高了分析灵敏度；采集同时吸附铅、镉的树脂的近红外光谱，建立模型，避免了单一吸附铅镉、分别建模，减少了工作量，缩短了建模时间；应用MATLAB建模软件，对采集树脂的近红外光谱进行在线分析，结合化学计量学方法建立模型，预测重金属含量，避免了传统重金属检测方法中绘制标准曲线进行分析等步骤，缩短了检测时间，提高了检测效率，且降低了试剂的消耗。
本发明的其他特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
图1示出了偏最小二乘(PLS)模型预测的铅浓度与实际铅浓度值的相关图。
图2示出了PLS模型预测的镉浓度与实际镉浓度值的相关图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明实施例中：
小龙虾由湖北莱克现代农业科技发展有限公司提供；
D405树脂为江苏苏青水处理集团有限公司提供的大孔吸附树脂；
铅、镉标准溶液均为100μg/mL，购于国家有色金属及电子材料分析测试中心；
微波消解仪为Anton Paar型微波消解仪(上海捷祥测控技术有限公司)；
冷冻干燥机为FDI-50型冷冻干燥机(北京博医康实验仪器有限公司)；
ICP-MS为NexlON 350X型电感耦合等离子体质谱仪(美国PerkinElmer公司)；
近红外光谱仪测器积分球检测器为Frontier型近红外光谱仪(美国PerkinElmer公司)；
稀盐酸、氢氧化钠均为优级纯(GR)，购于国药集团化学试剂有限公司。
前期实验：
1、不同型号树脂(D113、D402、D405)吸附率
称取1g吸附树脂置于依次编号的烧杯中，分别加入相同浓度(100μg/L)的铅、镉标准溶液100mL。用氢氧化钠调节溶液pH为7.0，设置吸附温度40℃，吸附时间为90min。通过ICP-MS测定吸附前后样品中重金属铅、镉的浓度值。
D113、D402、D405树脂吸附率结果见表1。
表1不同型号树脂(D113、D402、D405)吸附率
2、不同pH条件下树脂吸附率
称取1g大孔吸附树脂D405置于依次编号的烧杯中，分别加入相同浓度(100μg/L)的铅、镉标准溶液100mL。用氢氧化钠调节溶液pH为6.0、7.0、8.0，设置吸附温度40℃，吸附时间为90min。通过ICP-MS测定吸附前后样品中重金属铅、镉的浓度值。
不同pH条件下树脂吸附率见表2。
表2不同pH条件下树脂吸附率
3、不同吸附温度条件下树脂吸附率
称取1g大孔吸附树脂D405置于依次编号的烧杯中，分别加入相同浓度(100μg/L)的铅、镉标准溶液100mL。用氢氧化钠调节溶液pH为7.0，设置吸附温度35℃、40℃、45℃，吸附时间为90min。通过ICP-MS测定吸附前后样品中重金属铅、镉的浓度值。
不同吸附温度条件下树脂吸附率见表3。
表3不同吸附温度条件下树脂吸附率
4、不同吸附时间条件下树脂吸附率
称取1g大孔吸附树脂D405置于依次编号的烧杯中，分别加入相同浓度(100μg/L)的铅、镉标准溶液100mL。用氢氧化钠调节溶液pH为7.0，设置吸附温度40℃，吸附时间为60min、90min、120min。通过ICP-MS测定吸附前后样品中重金属铅、镉的浓度值。
不同吸附时间条件下树脂吸附率见表4。
表4不同吸附时间条件下树脂吸附率
实施例1
本实施例提供一种树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型及其建立方法，建立方法包括：
(1)制备多个不同铅镉浓度比的小龙虾消解液(分别为溶液1：Pb：0.1mg/kg，Cd：0.9mg/kg；溶液2：Pb：0.3mg/kg，Cd：0.3mg/kg；溶液3：Pb：0.5mg/kg，Cd：1.2mg/kg；溶液4：Pb：0.7mg/kg，Cd：0.7mg/kg；溶液5：Pb：0.9mg/kg，Cd：0.1mg/kg；溶液6：Pb：1.0mg/kg，Cd：1.0mg/kg；溶液7：Pb：1.2mg/kg，Cd：0.5mg/kg。)，以D405树脂分别进行吸附(控制吸附时小龙虾消解液的pH为7.0，吸附温度为40℃，吸附时间为90min。)，吸附完成后真空泵进行过滤；
其中，小龙虾消解液的获得方法为：将重量相当(约10～15g)的鲜活小龙虾用软毛刷刷洗干净，置于-50℃冰箱中冻藏12h，取出，经冷冻干燥36h后粉碎；准确称取粉碎后的小龙虾样品0.300g(精确至0.001g)27份于干净的微波消解罐中，按照国标中的消解步骤《食品中多元素的测定》(GB2009.268-2016)进行消解；冷却后取出以超纯水定容，经ICP-MS准确测定其铅、镉含量。然后添加铅标准溶液和镉标准溶液至不同浓度梯度，混匀备用，同时做空白试验，获得多个不同铅镉浓度比的小龙虾消解液(可根据实际情况选择对其以超纯水进行稀释)；
分别通过ICP-MS测定经树脂吸附后过滤获得的滤液中的铅、镉浓度，计算得到树脂中的铅、镉吸附浓度，同时将树脂用鼓风干燥箱烘干；
分别采集吸附了不同铅镉浓度比小龙虾消解溶液的树脂的近红外光谱，具体为：将吸附后的树脂放入直径为1cm的石英皿中，将石英皿放置于近红外积分球上使其完全遮盖光束；设置近红外波长范围4000～10000cm-1，测其近红外光谱，每组树脂重复扫描3次，取其平均值作为个样品的平均光谱值；
(2)应用Matlab软件，采用小波变换方法对步骤(1)得到的近红外光谱进行光谱预处理，根据预处理后的光谱及光谱对应的树脂中的铅、镉浓度，利用偏最小二乘法建立回归模型。
根据光谱采集及铅、镉浓度的变化，随机选取1/3样本为训练集，2/3样本为验证集，经小波进行波长预处理后使用竞争性自适应重加权算法(CARS)进行波长筛选，选择出的波长建立PLS模型。PLS模型预测的铅浓度与实际铅浓度值的相关图如图1所示，镉浓度与实际镉浓度值的相关图如图2所示。
实施例2
本实施例提供一种小龙虾待测消解溶液中铅、镉浓度的测定方法，包括：
将未知铅、镉浓度的小龙虾待测消解溶液各三份(经冷冻干燥、粉碎、消解、定容获得，具体条件参考实施例1。)以D405树脂进行吸附(吸附条件与实施例1相同)，采集吸附后树脂的近红外光谱，代入实施例1的回归模型，获得小龙虾待测消解液中的铅浓度为0.617mg/kg、0.618mg/kg、0.692mg/kg，镉浓度为0.463mg/kg、0.491mg/kg、0.493mg/kg。
以上已经描述了本发明的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。
Claims (9)
1.一种树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法，其特征在于，该建立方法包括：
(1)制备多个不同铅镉浓度比的小龙虾消解液，以树脂分别进行吸附；
分别测定经树脂吸附后过滤获得的滤液中的铅、镉浓度，计算得到各个树脂中的铅、镉吸附浓度；
分别采集吸附了不同铅镉浓度比小龙虾消解液的树脂近红外光谱；
(2)应用Matlab软件，采用小波变换方法对步骤(1)得到的近红外光谱进行光谱预处理，根据预处理后的光谱及光谱对应的树脂中的铅、镉浓度，利用偏最小二乘法建立回归模型。
2.根据权利要求1所述的树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法，其中，小龙虾消解液的获得方法包括：
将小龙虾洗净，经冷冻干燥、粉碎、消解后，以超纯水定容，测定其铅、镉含量，然后添加铅、镉标准溶液，获得目标浓度的小龙虾消解液。
3.根据权利要求1所述的树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法，其中，
小龙虾消解液中铅镉浓度比的取值包括0.1:0.9、0.5:1.2、0.9:0.1、1.0:1.0和1.2:0.5中的至少三个。
4.根据权利要求3所述的树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法，其中，不同铅镉浓度比的小龙虾消解液包括：
溶液1：Pb：0.1mg/kg，Cd：0.9mg/kg；
溶液2：Pb：0.3mg/kg，Cd：0.3mg/kg；
溶液3：Pb：0.5mg/kg，Cd：1.2mg/kg；
溶液4：Pb：0.7mg/kg，Cd：0.7mg/kg；
溶液5：Pb：0.9mg/kg，Cd：0.1mg/kg；
溶液6：Pb：1.0mg/kg，Cd：1.0mg/kg；
溶液7：Pb：1.2mg/kg，Cd：0.5mg/kg。
5.根据权利要求1所述的树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法，其中，树脂为D113、D402或D405。
6.根据权利要求1所述的树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法，其中，步骤(1)中，
控制吸附时小龙虾消解液的pH为2.0～8.0；
吸附温度20～50℃；
吸附时间为30～120min。
7.根据权利要求6所述的树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法，其中，步骤(1)中，
控制吸附时小龙虾消解液的pH为6.5～7.5；
吸附温度35～45℃；
吸附时间为60～120min。
8.由权利要求1-7中任意一项所述的树脂结合近红外光谱检测小龙虾中铅、镉浓度的预测模型的建立方法获得的预测模型。
9.一种小龙虾待测消解液中铅、镉浓度的测定方法，其特征在于，该测定方法应用权利要求8所述的预测模型，该测定方法包括：
将未知铅、镉浓度的小龙虾待测消解液以树脂进行吸附，采集吸附后的树脂的近红外光谱，代入回归模型，获得小龙虾待测消解液中的铅、镉浓度；
其中，树脂的种类、吸附条件与步骤(1)中相同。
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