免费文献传递   相关文献

基于近红外漫反射光谱的丁香蓼叶片重金属铜含量快速检测研究



全 文 :第32卷,第12期             光 谱 学 与 光 谱 分 析 Vol.32,No.12,pp3220-3224
2 0 1 2年1 2月             Spectroscopy and Spectral Analysis  December,2012  
基于近红外漫反射光谱的丁香蓼叶片重金属铜含量快速检测研究
刘燕德,施 宇,蔡丽君
华东交通大学机电工程学院,江西 南昌 330013
摘 要 植物中的重金属离子以一定形式与具有近红外吸收的有机分子基团结合,因此可以借助近红外光
谱技术间接检测其重金属离子含量。研究了基于近红外漫反射光谱技术快速检测丁香蓼叶片中重金属铜含
量的方法。通过不同光谱数据预处理方法的对比,结合偏最小二乘法,建立了丁香蓼叶内重金属铜含量近红
外光谱检测定量模型。实验结果为,经过平滑处理的光谱建模效果较理想,其建立的校正相关系数为
0.950,校正均方根误差为5.99;外部验证相关系数为0.923,预测均方根误差为7.38。研究表明,近红外漫
反射光谱技术用于丁香蓼叶片中重金属铜含量的快速检测具有可行性。
关键词 近红外光谱;丁香蓼;重金属;偏最小二乘法;定量检测
中图分类号:O657.3  文献标识码:A  DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2012)12-3220-05
 收稿日期:2012-06-01,修订日期:2012-09-18
 基金项目:国家自然科学基金项目(61178036),江西省学主要学科学术和技术带头人培养对象计划项目(2009DD00700)和赣鄱英才555工
程领军人才培养计划项目
 作者简介:刘燕德,女,1967年生,华东交通大学机电工程学院教授  e-mail:jxliuyd@163.com
引 言
  重金属污染具有富集性特点[1],即使是低浓度的重金
属,也可在藻类和底泥中积累,被鱼和贝类体表吸附[2],产
生食物链浓缩,从而使动植物中毒,甚至死亡。因此,如何
处理重金属污染已经成为了国内外广泛关注的问题[3,4]。植
物修复法[5]因其是一种友好清除土壤重金属的廉价方法而在
土壤重金属污染的治理方面得到越来越广泛的应用[6,7]。国
内外对耐重金属植物的研究工作一直备受关注[8,9]。丁香蓼
作为一种对铜、锌的胁迫表现出较强的耐性和富集性的常见
田间杂草[10,11],成为了植物修复土壤重金属污染的一种理
想植株。
近红外光谱作为一种具有检测速度快、样品预处理简
单、对样品无污染等优点的分析技术[12,13],在检测植物重金
属含量方面有着广阔的应用前景。徐庆贤等[14]利用近红外
光谱技术对甘薯茎叶内的镉、铜、锌含量进行了检测,结果
表明所建模型可用于快速预测甘薯叶和茎样品中镉、铜、锌
含量的趋势。我们利用丁香蓼叶内重金属铜与其叶内有机物
的络合、螯合,一方面采用近红外光谱法对丁香蓼叶内重金
属铜作了间接测定,另一方面也对该方法的准确性作了验
证。
1 实验部分
1.1 仪器设备
利用布鲁克TENSOR37型傅里叶红外光谱仪(OPUS定
量分析软件包,德国Bruker公司)来采集丁香蓼叶的近红外
漫反射光谱,光谱分辨率2cm-1,光谱测定范围12 000~
4 000cm-1,积分时间32s。分析软件为 Unscrambler 8.0,
MATLAB R2010a。
1.2 丁香蓼植株的种植
土壤采自受重金属污染较少的江西南昌梅岭山,经过2
mm大筛将大颗物质去除,并于自然环境下风干后存放于桶
中备用。取5kg土壤于不透水圆桶中,加入去离子水搅拌成
泥状后,分别按铜离子浓度梯度为0,50,250,500,750,
1 000mg·kg-1的量加入硝酸铜溶液,每种梯度种植4桶,
再搅拌使其混合均匀,静置一周后,将由丁香蓼种子温室培
育出的植株幼苗分别植入圆筒内,每桶三株,置于22~30℃
温室中培养,生长期间用去离子水浇灌,并按 KH2PO4 和
NH4NO3 分别为0.9和4.8g·桶-1配制营养液,每隔一个
月加一次营养液,以保证丁香蓼植株能正常生长。
1.3 丁香蓼叶的近红外光谱采集
采集每种铜离子浓度的丁香蓼植株各12株,每株取1
片丁香蓼植株叶片,总共取72个丁香蓼植株叶片样本。将丁
香蓼叶样品洗净烘干后,用玛瑙钵碾磨成粉状,取约1g的
丁香蓼叶粉末置于样品管中,放入积分球上,用布鲁克
TENSOR37型傅里叶红外光谱仪扫描,每个样品扫描3次后
取平均值作为该样品的光谱曲线。
1.4 丁香蓼叶内铜含量的原子吸收测定
取丁香蓼叶粉末样本0.18g于消化管中,加入10mL
的浓硫酸溶液,置于数控消化炉(上海新家电子有限公司
XHL-16C)中消煮约30min,再用滴管加入约10滴双氧水,
边消煮边观察消化管中的颜色,如颜色较深,则继续加入双
氧水,直至消化管中的溶液基本呈现透明色,取出消化管冷
却,定容后摇匀,并用滤纸过滤得到丁香蓼叶样本溶液,每
个丁香蓼叶样本溶液作铜含量的原子吸收测定,重复测定3
次,并以此测量值的平均值作为丁香蓼叶内铜含量的真实
值。
1.5 数学模型的建立与验证
将丁香蓼叶内铜含量的原子吸收测定值与对应的丁香蓼
叶近红外光谱图结合,应用 Unscrambler定量分析软件对光
谱进行预处理,用偏最小二乘法(PLS)[15]建立重金属铜含量
的近红外数学模型。本文比较了移动窗口平滑处理、多元散
射校正(multiplicative scatter correction,MSC)、一阶微分、
二阶微分四种预处理方法的优化建模效果。使用内部交叉验
证模型进行验证,并通过比较丁香蓼叶内铜含量的预测值与
原子吸收测定值之间的相关系数(r)和均方差(RMSECV)来
衡量模型的质量。最后用未参与建模的丁香蓼叶样本作外部
验证,检验模型的预测能力及方法的准确性。
2 结果与讨论
2.1 丁香蓼叶粉末的近红外光谱图
丁香蓼植物对重金属的耐受与富集过程[16]有:(1)金属
离子由根细胞吸收并形成螯合物;(2)大部分金属螯合复合
物由转运蛋白运输至地上组织中[17];(3)金属螯合复合物最
终存储于叶部细胞液泡中[18]。在此过程中,重金属离子不断
与丁香蓼植物体内的有机酸、氨基酸、金属硫蛋白、植物络
合素等金属螯合剂发生络合、螯合作用,而这些金属螯合剂
通常都含有大量的利于近红外吸收的有机分子基团,其明显
的丁香蓼叶近红外光谱吸收特征为寻找丁香蓼叶中重金属铜
络合、螯合物的定量分析提供了丰富的信息基础。如图1所
示,在11 997.27~3 999.73cm-1谱区内,丁香蓼叶的近红
Fig.1 Near-infrared spectra of Ludwigia prostrata leaves
外光谱有着独特的吸收特征。
  在72个丁香蓼叶样本中,随机挑选48个样本作为定标
集样本,24个样本作为验证集样本,其丁香蓼叶样本铜含量
的基本统计值见表1。
Table 1 Statistical values of Cu in Ludwigia prostrata leaves
Sample
set
Number of
samples
Maximum
value
Minimum
value
Average
Standard
deviation
Calibration  48.00  121.34  46.61  67.36  19.17
Prediction  24.00  119.53  46.72  69.19  19.36
Al  72.00  121.34  46.61  68.93  19.10
2.2 光谱数据预处理
为了优化建模效果,消除各种对建模造成干扰的不利因
素,需要对光谱数据进行预处理。从图1中近红外漫反射光
谱曲线可以看出,在9 000~12 000cm-1光谱区间内,基线
漂移较大,随机噪声较多,不适于建模,因此选取3 999.73
~9 243.35cm-1范围作为建模光谱区域。本试验采用15点
移动窗口平滑处理、多元散射校正(MSC)、一阶微分(23点,
Savitzky Golay)、二阶微分(21点,Savitzky Golay)四种方法
对光谱数据作了预处理,尽可能的消除与样品本身无关的信
息,提高光谱数据的信噪比及预测能力,经过不同预处理
后,采用偏最小二乘法(PLS)对预处理数据进行建模对比。
为了对比分析,将原始光谱也建立PLS的数学模型,结果如
表2所示。
Table 2 Results of Cu by PLS with different pretreatments
Pretreatment  LV  r  RMSECV  Bias  Slope  Offset
Raw  17  0.924  7.27  0.19  0.85  10.62
SG  20  0.95  5.99  0.36  0.93  5.18
MSC  15  0.910  7.86  0.4  0.82  12.54
1-Der  13  0.847  10.07  0.44  0.73  18.91
2-Der  7  0.719  13.2  0.38  0.49  35.77
  由表2可知,最优建模所对应的预处理方法为平滑处
理,内部交互验证结果为r=0.950和RMSECV=5.99。其
次为原始光谱和多元散射校正处理,而这三种预处理方法所
建模型的最佳主成分数明显偏高,同时也可能存在着过拟合
的风险,但这应该是合理的。因为对于植物来说,其植物体
内含有的有机分子基团非常多,如 CH,CH2, HC C ,
C O ,N—H等,这些有机分子基团的近红外吸收峰值大
多数处于近红外光谱的8 000~4 000cm-1波段内,如图2所
示,而与重金属铜离子络合、螯合的有机分子基团可能也有
许多种,这些有机分子基团在不同植物体内的含量是存在差
别的,这就使得建模时需要更多的丁香蓼叶样本来归纳植物
体内多种与重金属铜络合、螯合有机分子基团的共性,从而
导致了其主成分数偏高。
2.3 叶内重金属的定量分析模型
采用平滑方法,选取谱区范围为399.73~9 243.35
cm-1,对48个丁香蓼叶样品的光谱图进行优化、建模。优化
得到建立数学模型的最佳条件为:最佳的光谱数据预处理法
1223第12期                    光谱学与光谱分析
为15点平滑方法、最佳主成分维数为20。在此条件下建立
的丁香蓼叶内重金属铜含量的校正模型,交互验证预测与实
测相关性见图3。经内部交叉验证,丁香蓼叶样品的预测值
与原子吸收真实值之间有较好的相关性。预测丁香蓼叶内重
金属铜含量的相关系数(Rcv)和均方差(RMSECV)分别为
0.950和5.99。
Fig.2 Near-infrared spectra of Ludwigia prostrata leaves
in 4 000~8 000cm-1 wave number range
Fig.3 Interaction model correlation of predicted and measured
value of heavy metal Cu in Ludwigia prostrata leaves
2.4 定量分析模型检验
为检验所建数学模型的预测能力,用24个未知丁香蓼
叶样品进行外部验证,预测结果见表3。
  外部验证的相关系数(Rp)为0.923,外部验证预测均方
差(RMSEP)为7.38,有着较好的预测效果,其丁香蓼叶内
铜含量的预测值与原子吸收真实值的相关性见图4。
  同时,建立3次重复试验的原子吸收测定值误差条形
图,通过与NIR模型预测值的比较,来了解NIR的预测准确
性能否满足达到理想的要求,结果见图5。从图中可以看出,
一部分近红外模型的预测值处于原子吸收的均方根误差内,
但也有一部分近红外模型的预测值偏离了真实值,呈现一种
不稳定的现象。不同植物体内重金属螯合剂的含量是存在差
异的,且螯合剂浓度的高低直接影响对重金属的活化效
率[19],在重金属螯合剂多的时候,植物体在络合、螯合绝大
部分重金属时,多余的重金属螯合剂同时也可能络合、螯合
了其他元素,这就使得植物体内络合、螯合物的含量比重金
Table 3 Comparison of heavy metal Cu predicted value in Lud-
wigia prostrata leaves and atomic absorption measured
value
Sample
number
Atomic absorption
measurements/(mg·kg-1)
Predicted value
/(mg·kg-1)
Relative
error
1  33.5  44.2  0.32
2  46.73  52.53  0.12
3  52.26  48.15  0.08
4  53.47  65.97  0.23
5  54.69  53.06  0.03
6  56.14  57.75  0.03
7  56.53  56.20  0.01
8  56.58  69.32  0.23
9  57.17  56.02  0.02
10  58.21  66.63  0.15
11  60.87  47.85  0.21
12  62.3  77.36  0.24
13  62.35  6.08  0.10
14  74.97  69.31  0.08
15  75.39  73.17  0.03
16  75.83  64.30  0.15
17  76.68  1.43  0.06
18  76.85  85.50  0.11
19  82.79  79.49  0.04
20  85.28  0.15  0.06
21  87.64  86.66  0.01
22  93.43  91.22  0.02
23  101.57  100.07  0.02
24  119.53  119.36  0.01
Fig.4 External validation correlation of predicted and meas-
ured value of heavy metal Cu in Ludwigia prostrata
leaves
属络合、螯合物的含量多,如4,8,12号样本,呈现了上浮
的趋势;而重金属螯合剂少的植物,部分重金属可能仍以游
离态等形式存在植物体内,并未形成重金属络合、螯合物,
同时重金属络合、螯合物也有可能随着植物体内酸碱度及外
界温度的变化而出现自我分解,这就使得植物体内重金属络
合、螯合物的含量比重金属完全络合、螯合时的含量少,如
11,13,16号样本,呈现了下滑的趋势。虽然重金属在植物
体内络合、螯合的机制和原理还有待进一步证实研究,但从
2223 光谱学与光谱分析                    第32卷
Fig.5 Contrast between atomic absorption error bar
and predicted values with near infrared model
总体上来看,近红外模型的预测值都比较均匀地分布于真实
值的两侧,在一定的误差范围内,该模型还是具有预测丁香
蓼叶内重金属铜的能力,但精度有待提高。
3 结 论
  利用布鲁克TENSOR37型傅里叶近红外光谱仪,采集
了丁香蓼叶的近红外漫反射光谱,通过不同预处理方法的对
比,建立了最优定量模型,Rcv为0.950,RMSECV为5.99;
预测结果Rp 为0.923,RMSEP为7.38。结果表明,应用近
红外光谱技术结合偏最小二乘法对丁香蓼叶内重金属铜含量
的快速检测具有可行性,但是模型精度还有待进一步提高。
该方法具有快速简便、低消耗、低成本等优点,为植物体内
重金属含量的快速检测分析提供了一种科学依据。
References
[1] Bhupinder Dhir,Sheela Srivastava.Ecological Engineering,2011,37(6):893.
[2] JIANG Jian-jun,DENG Lin,LI Hua(江建军,邓 林,李 华).Food and Machinery(食品与机械),2011,27(6):40.
[3] Ghosh M,Singh S P.Environ.Polut,2005,133(2):365.
[4] Tandy S,Schulin R,Nowack B.Chemosphere,2006,62(9):1454.
[5] Sarma H.Journal of Environmental Science and Technology,2011,4(2):118.
[6] WANG Hai-hui,HUAN Heng-fu,LUO Ying,et al(王海慧,郇恒福,罗 瑛,等).Chinese Agricultural Science Buletin(中国农学通
报),2009,25(11):210.
[7] QU Ran,MENG Wei,LI Jun-sheng,et al(屈 冉,孟 伟,李俊生,等).Chinese Journal of Ecology(生态学杂志),2008,27(4):626.
[8] Daniel Mirgorodsky,Lukasz Jablonski,Delphine Olivier,et al.Earth and Environmental Science,2012,3:433.
[9] Li Gengfei.Northern Horticulture,2012,06:72.
[10] WANG Guang-lin,ZHANG Jin-chi,WANG Li,et al(王广林,张金池,王 丽,等).Journal of Nanjing Forestry University(Natural
Sciences Edition)(南京林业大学学报·自然科学版),2009,33(4):43.
[11] Song S B,Hwang J B,Hong Y K,et al.Korean Journal of Weed Science,2008,28(3):214.
[12] Lesteur M,Latrile E,Belon Maurel V,et al.Bioresource Technology,2011,102(3):2280.
[13] Lee H W,Christie A,Liu J J,et al.Biotechnalogy Progress,2012,28(3):824.
[14] XU Qing-xian,SHEN Heng-sheng,LIN Bin(徐庆贤,沈恒胜,林 斌).Fujian Journal of Agricultural Sciences(福建农业学报),2011,
26(3):440.
[15] LU Wan-zhen,YUAN Hong-fu,XU Guang-tong,et al(陆婉珍,袁洪福,徐广通,等).Modern Near Infrared Spectral Analysis Tech-
nology(现代近红外光谱分析技术).Beijing:China Petrochemical Press(北京:中国石化出版社),1999.
[16] LIU Ge-yu,CHAI Tuan-yao,SUN Tao(刘戈宇,柴团耀,孙 涛).Chinese Journal of Biotechnology(生物工程学报),2010,26(5):
561.
[17] ZHANG Zhong-chun,QIU Bao-sheng(张中春,邱保胜).Plant Physiology Journal(植物生理学报),2012,48(5):425.
[18] FU Xiao-ping,DOU Chang-ming,HU Shao-ping,et al(傅晓萍,豆长明,胡少平,等).Chinese Journal of Plant Ecology(植物生态学
报),2010,34(11):1354.
[19] DING Zhu-hong,HU Xin,YIN Da-qiang(丁竹红,胡 忻,尹大强).Ecology and Environmental Sciences(生态环境学报),2009,18
(2):777.
3223第12期                    光谱学与光谱分析
Fast Determination of Heavy Metal Cu in Ludwigia Prostrata Leaves
Using Near Infrared Diffuse Spectroscopy
LIU Yan-de,SHI Yu,CAI Li-jun
Colege of Mechanical Engineering,East China Jiaotong University,Nanchang 330013,China
Abstract Heavy metal ions in plants can be determined by using the near-infrared spectral(NIRS)technique,because they com-
bine with the organic molecular groups that have NIRS absorptions.The present article analyzed the fast detection of heavy metal
Cu in Ludwigia prostrata leaves by near infrared diffuse spectral technology.Different preprocessing methods were compared,
combined with partial least squares(PLS),and the fast detection models of heavy metal Cu in Ludwigia prostrata leaves were es-
tablished.The results showed that the best model was obtained by PLS with the preprocessing method of average smoothing.
The correlation coefficient(r)and root mean square error of calibration(RMSECV)was 0.950and 5.99respectively;External
validation correlation coefficient(r)and root mean square error of prediction(RMSEP)was 0.923and 7.38respectively.The
study shows that fast determination of heavy metal Cu in Ludwigia prostrata leaves using near infrared diffuse spectroscopy is
feasible.
Keywords Near infrared spectra;Ludwigia prostrata;Heavy metal;PLS;Quantitative detection
(Received Jun.1,2012;accepted Sep.18,2012)  
《光谱学与光谱分析》对来稿英文摘要的要求
  来稿英文摘要不符合下列要求者,本刊要求作者重写,这可能要推迟论文发表的时间。
1.请用符合语法的英文,要求言简意明、确切地论述文章的主要内容,突出创新之处。
2.应拥有与论文同等量的主要信息,包括四个要素,即研究目的、方法、结果、结论。其中后两个要
素最重要。有时一个句子即可包含前两个要素,例如 “用某种改进的ICP-AES测量了鱼池水样的痕量铅”。
但有些情况下,英文摘要可包括研究工作的主要对象和范围,以及具有情报价值的其他重要信息。在结果
部分最好有定量数据,如检测限、相对标准偏差等;结论部分最好指出方法或结果的优点和意义。
3.句型力求简单,尽量采用被动式,通常应有2000个印刷字符,300个英文单词为宜,不能太短;也
不要太长。用A4复印纸单面打印。
4.摘要不应有引言中出现的内容,换言之,摘要中必须写进的内容应尽量避免在引言中出现。摘要也
不要对论文内容作解释和评论,不得简单重复题名中已有的信息;不用非公知公用的符号和术语;不用引
文,除非该论文证实或否定了他人已发表的论文。缩略语、略称、代号,除相邻专业的读者也能清楚地理
解外,在首次出现时必须加以说明,例如用括号写出全称。
4223 光谱学与光谱分析                    第32卷