小型近红外玉米蛋白质成分分析仪器设计的波段选择

　　1　引　言

　　随着光电技术、计算机信息技术和化学计量学方法的发展,现代近红外光谱(NIR)技术以其分析速度快、精度适中、成本低、非破坏性和易于实现无损、实时分析等优点在农业、食品、医药、烟草、石油化工等领域中得到广泛应用[1-6]。玉米的蛋白质含量是玉米品质的一个重要理化指标,采用传统的化学分析方法需要做复杂的预处理,且需要化学试剂进行化学反应,不利于环保,而且测样时间长,过程繁琐,对分析人员的技能要求很高,无法适合在农田实地进行快速简便的定量测试分析。近年来,国内外已在实验室开展了用近红外光谱技术分析玉米成分的工作[3,5,7-8],其中如何通过优化定标模型指导光电系统设计、研究小型专用光谱仪等具有重要意义。

　　本文采用近红外漫反射光谱技术,用傅里叶变换近红外光谱仪对177个玉米样品采集光谱。利用偏最小二乘法(Partial Least Square,PLS)建立玉米蛋白质含量的定标模型。首先采用多元散射校正方法对光谱进行预处理,再进行原谱、一阶导数谱和二阶导数谱的平滑化处理。选取波段:全谱、合频、一倍频、二倍频和蛋白质基团等5个波段,每个波段都分别采用原光谱、一阶导数谱、二阶导数谱,建立了15个定标模型。为了提高模型精度,本文通过同时调整平滑点数和因子数,对每个模型都分别做了多次PLS数值实验比较,得到每个模型的最优平滑点数、因子数和和预测均方根偏差(Root Mean Squar Error of Predica-tion,RMSEP),按照RMSEP值再从15个模型中选优,确定定标效果最好的波段,为设计小型便携式玉米蛋白质测定专用近红外光谱仪提供指导和依据。

　　2　实验部分

　　2.1　实验材料

　　成都某研究所提供了东北产玉米样品。经过外观观察,剔除颜色异常、质量异常的玉米,筛选得到177份样品。样品用带有1.0 mm孔径筛网的粉碎机磨碎。玉米样品蛋白质含量的参考化学值的测定采用凯氏定氮法(参见国标GB/T5511-85)获得。

　　选取其中139个为定标样品,其余38个为验证样品。表1给出玉米样品蛋白质含量化学值的数据统计。

　　2.2　仪器和测量方法

　　选用了Nicolet公司的870傅里叶变换近红外光谱仪和漫反射附件。设置分辨率为16 ,光谱波段为10 000~4 000 (1 000~2 500 nm)。

　　转动样品池可有效减小由于样品不均匀带来的误差,反复装样可有效减小装样环节引入的测定误差,多次扫描可有效减小背景噪声的影响。本实验将充分混合均匀的样品装入漫反射附件,在样品池转动的情况下扫描光谱,每个样品经过反复装样5次连续扫描,每次扫描32遍,然后计算平均吸收光谱,实验室温度(23±1)℃。