近红外光谱仪在烟用育苗基质质量控制中的应用[1]

中国烟草学报󰀁2011年6月第17卷第3期

近红外光谱仪在烟用育苗基质质量控制中的应用

吴玉萍,业粉兰,陈萍,杨宇虹,夏振远

云南省烟草农业科学研究院,云南省玉溪市高新开发区南祥路14号653100

摘󰀁要:为对烤烟漂浮育苗基质中的质量控制指标容重、pH、孔隙度和腐殖酸进行快速检测和分析,应用傅立叶变换近红外漫反射光谱仪,扫描了全国330个基质样品,筛选了200个左右建立了近红外光谱与育苗基质容重、pH、孔隙度和腐殖酸间的数学模型,对19个样品进行预测。结果表明,各成分近红外预测值与实测值之间的平均相对误差均在10%以内;且近红外预测值与化学法经t检验不存在显著性差异。初步表明近红外光谱分析技术可用于育苗基质中部分成分的快速定量分析。关键词:育苗基质;近红外光谱;容重;pH;孔隙度;腐殖酸doi:10󰀁3969/j.issn.1004󰀁5708󰀁2011󰀁03󰀁012中图分类号:S572󰀁043󰀁󰀁󰀁

文献标识码:A󰀁󰀁󰀁

文章编号:1004󰀁5708(2011)03󰀁0058󰀁03

Applicationofnearinfraredspectroscopytoqualitycontrolofsubstratefortobaccoseedlingproduction

WUYu󰀁ping,YEFen󰀁lan,CHENPing,YANGYu󰀁hong,XIAZhen󰀁yuanAcademyofYunnanTobaccoAgriculturalScience,Yuxi653100,China

Abstract:330substrateswerescannedusingdiffusereflectancenear󰀁infraredFouriertransformspectroscopy(DRNIFTS)and200wereselectedtodeterminbulkdensity,pH,bulkporosityandhumicacidinsubstratesofflue󰀁curedtobaccofloatingsys󰀁tem.Correlationmodelsbetweendiffusereflectancenear󰀁infraredFouriertransformspectrumandbulkdensity,pH,bulkporosityandhumicacid,respectivelywereestablishedand19sampleswerepredicted.Resultsshowedthattheaveragerelativeerrorbetweenpredictedandmeasuredvaluesofthefourcompositionswerelessthan10%.ThereisnosignificantdifferencebetweenNIRanalysisandconventionalmethodsbyt󰀁test.NIRanalysiscanbeappliedtorapidlyquantitativeanalysisofsub󰀁stratecomponents.

Keywords:substrateoffloatingsystem;NIRspectroscopy;bulkdensity;pH;bulkporosity;humicacid󰀁󰀁烤烟漂浮育苗系统中采用的基质是育苗的关键,其质量优劣直接影响烤烟幼苗的生长发育,不同原料或配比的基质对育苗产生不同影响[1󰀁4]。基质的质量需要制定相应的考核指标来度量,在󰀁烟草漂浮育苗基质(YC/T310󰀁2009)󰀁中将pH值、容重、总孔隙度、粒径、有机质、腐植酸、电导率、有效铁离子含量和水分含量作为基质产品的考核指标,并对其检测方法作了规定,但方法存在耗时、不能同时检测、效率较低等缺点。近红外(NIR)光谱分析是一种快速的分析方法,在包

作者简介:吴玉萍,女,硕士,助理研究员,研究方向为仪器分析及烟草

化学,Tel:0877󰀁2075072,E󰀁mail:ypwumm@163󰀁com

夏振远(通讯作者),男,研究员,从事烟草微生物及烟叶品质研究,E󰀁mail:zyxia@yntsti.com

基金项目:国家烟草专卖局科技项目(2006B012)收稿日期:2010󰀁04󰀁29

[5]

括土壤成分分析的多个领域均有应用[6󰀁9],但对育苗基

质检测的研究应用未见报道。笔者在近红外光谱仪快速测定这些指标方面做了探索和研究,并于2008年成功建立了烤烟漂浮育苗基质中的有机质和水分的模型[10],现在又建立了容重、pH、孔隙度和腐殖酸4个指标的模型,以期为漂浮育苗基质的质量控制提供技术支持。

1󰀁材料与方法

1󰀁1󰀁仪器

Matrix󰀁I型傅立叶变换近红外漫反射光谱仪(德国BRUKER公司),定量分析软件为OPUS5󰀁5。1󰀁2󰀁材料

云南省11个基质厂2007~2010年生产的烟用育苗基质和全国10个产烟省的28家基质厂2007年生产的烟用育苗基质样品共计330个,取鲜样测定基质吴玉萍等󰀁近红外光谱仪在烟用育苗基质质量控制中的应用

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2󰀁1󰀁基质近红外定量分析模型的建立

采集样品的近红外光谱数据,以化学法检测值为实测值,利用布鲁克OPUS定量分析软件包中的自动优化功能,对光谱数据进行平滑和求导等数学预处理,优化光谱信息,确定各组分的最佳谱区,利用最佳优化方法,建立近红外光谱与育苗基质中容重、pH、孔隙度和腐殖酸4个指标的关系模型,得到校正模型的相关系数R和内部交叉验证均方差RMSECV等相关的数理指标(表1)。近红外校正模型预测值与实测值之间的相关性见图1~4。

由表1和图1~4可见,模型预测值与实测值之间呈显著的线性相关,相关系数R均在0󰀁85以上,这说明近红外光谱法测定育苗基质的容重、pH、孔隙度和腐殖酸4个指标是可行的。

的容重;自然风干,粉碎过2mm筛孔测定pH和孔隙度,过0󰀁25mm筛孔测定腐殖酸。

1󰀁3󰀁成分测定

用YC/T310󰀁2009测定烟用育苗基质的容重、pH、孔隙度和腐殖酸4个指标,作为实测值。1󰀁4󰀁光谱数据采集

将新鲜样品(容重模型)和制好的粉末样品(pH、孔隙度和腐殖酸模型)分别置于石英杯内(󰀁=4󰀁6cm,h=5cm;样品装至杯子的1/3~1/2处),压之以质量500g的压样器,用近红外光谱仪扫描样品,得到其近红外光谱图,根据实测值与光谱曲线间的拟合关系,建立相应的数学模型。光谱采集范围:4000~10000cm-1;分辨率:8cm-1;扫描次数:64次。开机预热1h后,进行样品扫描。

2󰀁结果与分析

表1󰀁校正模型的有关数理指标

指标容重pH孔隙度腐殖酸

建模样本数

187

206106243

范围值0󰀁07~0󰀁407g/cm3

4󰀁19~7󰀁8981󰀁03~95󰀁8%1󰀁17~53󰀁04%

谱区范围/cm-15450󰀁2~4246󰀁77502󰀁2~4246󰀁74246󰀁7~61029990󰀁0~4246󰀁7

相关系数R0󰀁88520󰀁87210󰀁87930󰀁9452

模型均方差(RMSECV)

0󰀁0261

0󰀁2831󰀁222󰀁6

图1󰀁容重近红外预测值与实测值散点图

图2󰀁pH近红外预测值与实测值散点图

图3󰀁孔隙度近红外预测值与实测值散点图图4󰀁腐殖酸近红外预测值与实测值散点图

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2󰀁2󰀁准确度验证

用建好的模型对19个样品进行预测,19个样品为2010年云南省昆明、玉溪、大理、文山等11个厂家生产的烟用育苗基质,对预测值与实测值进行比较分

中国烟草学报󰀁2011年6月第17卷第3期

析,结果列于表2,配对设计、两尾测验的t值均小于t0󰀁05,19(t0󰀁05,19=2󰀁093),说明预测值与实测值无显著性差异,且容重、pH、孔隙度和腐殖酸预测值与实测值的平均相对误差均在10%以内。

表2󰀁近红外光谱预测值与实测值的差异性比较

容重/(g/cm3)

样品编号相对

实测值预测值

误差/%

1#0󰀁1590󰀁1580󰀁632#0󰀁2290󰀁2194󰀁463#0󰀁2700󰀁2700󰀁004#0󰀁2230󰀁2220󰀁455#0󰀁2630󰀁2764󰀁826#0󰀁2210󰀁2162󰀁297#0󰀁3280󰀁29510󰀁598#0󰀁2540󰀁2434󰀁439#0󰀁2210󰀁2067󰀁0310#0󰀁1750󰀁1792󰀁2611#0󰀁3060󰀁27610󰀁3112#0󰀁2060󰀁2269󰀁2613#0󰀁2420󰀁2209󰀁5214#0󰀁2220󰀁19811󰀁4315#0󰀁1630󰀁18311󰀁5616#0󰀁2320󰀁2361󰀁7117#0󰀁2170󰀁2201󰀁3718#0󰀁1760󰀁1897󰀁1219#0󰀁1430󰀁1494󰀁11平均值0󰀁2240󰀁2205󰀁44t值1󰀁06

pH

实测值预测值5󰀁52

5󰀁606󰀁265󰀁725󰀁785󰀁905󰀁725󰀁356󰀁005󰀁525󰀁615󰀁346󰀁035󰀁865󰀁615󰀁795󰀁585󰀁315󰀁665󰀁69

5󰀁225󰀁676󰀁395󰀁855󰀁776󰀁105󰀁745󰀁266󰀁005󰀁505󰀁625󰀁525󰀁976󰀁065󰀁605󰀁635󰀁795󰀁625󰀁725󰀁741󰀁45

相对误差/%5󰀁591󰀁242󰀁062󰀁250󰀁173󰀁330󰀁351󰀁700󰀁000󰀁360󰀁183󰀁311󰀁003󰀁360󰀁182󰀁803󰀁695󰀁671󰀁052󰀁02

孔隙度/%

实测值预测值91󰀁088󰀁387󰀁286󰀁787󰀁289󰀁186󰀁288󰀁390󰀁091󰀁486󰀁790󰀁489󰀁287󰀁689󰀁188󰀁088󰀁188󰀁792󰀁888󰀁72

92󰀁188󰀁187󰀁989󰀁387󰀁288󰀁686󰀁388󰀁489󰀁890󰀁887󰀁287󰀁888󰀁589󰀁490󰀁688󰀁789󰀁390󰀁792󰀁089󰀁081󰀁34

相对误差/%1󰀁250󰀁220󰀁752󰀁930󰀁050󰀁480󰀁100󰀁140󰀁180󰀁720󰀁682󰀁920󰀁802󰀁011󰀁660󰀁801󰀁352󰀁190󰀁911󰀁06

腐殖酸/%

实测值预测值30󰀁0122󰀁5115󰀁1921󰀁1827󰀁1425󰀁0516󰀁2822󰀁3425󰀁1926󰀁0215󰀁9729󰀁2724󰀁2027󰀁1827󰀁4020󰀁8123󰀁4727󰀁1132󰀁4024󰀁14

31󰀁2122󰀁0715󰀁5921󰀁3728󰀁5026󰀁0215󰀁9122󰀁3726󰀁2426󰀁2615󰀁1030󰀁6124󰀁3327󰀁8227󰀁1019󰀁5423󰀁8126󰀁7433󰀁4524󰀁421󰀁69

相对误差/%3󰀁921󰀁972󰀁600󰀁894󰀁893󰀁802󰀁300󰀁134󰀁080󰀁925󰀁604󰀁480󰀁542󰀁331󰀁106󰀁291󰀁441󰀁373󰀁192󰀁73

3󰀁讨论

笔者建立的育苗基质中容重、pH、孔隙度和腐殖酸的模型,近红外预测值与实测值的均方差分别为0󰀁0261、0󰀁283、1󰀁22和2󰀁6,说明近红外模型的预测与经典的标准方法的测量差异较小,模型已经具有一定的实用价值,可试用于测定未知烟用漂浮育苗基质样品中4个品质控制指标。

由于采集的基质样品数量有限,笔者所建立的模型在适用性和精度方面均有欠缺,需继续采集不同年份、不同生产厂家的基质样品予以完善。模型的精度在很大程度上受经典方法准确度的影响,投入使用后,需对模型的适应性适时校验,采用独立校验集验证能够比较可靠、有效地评价模型适应性。参考文献

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