科研应用-显微高光谱对烟草尼古丁浓度分析实验

显微高光谱对烟草尼古丁浓度分析实验

关键词：红外高光谱 显微技术 尼古丁浓度

1.       实验背景

烟草中的尼古丁含量通常在1%至3%之间。每100克的烟草中尼古丁的含量大致在1克至3克之间。烟草中尼古丁、叶绿素等物测定，烟草改良中对烟草细胞，烟叶及对人体作用的相关联研究，特别烟草各种化学成份与人体细胞作用研究中的有效工具。

2.       实验原理

烟草叶片叶绿体自发荧光的荧光光谱分别采用405、458、488、514、561、594、633 nm波长激光对烟草叶片组织进行高光谱图谱扫描，不同激发波长下叶绿体自发荧光发射光谱集中在大于637 nm的波段，峰值均在681 nm处。

3.       实验设备

红外高光谱一超分辨显微分析系统

将红外高光谱仪和超显微技术结合在一起构建的创新产品。检测中能同时呈现所测物质高分辨率光谱曲线和纳米级分辨的形态学图，实现了图谱合一，使检测更精准。是烟草尼古丁，叶绿素等物测定，烟草改良中对烟草细胞，烟叶及对人体作用的相关联研究，特别烟草各种化学成份与人体细胞作用研究中的有效工具。

4.       实验结论

烟粉样品-扫描光谱分析

样品的尼古丁浓度与其反射率呈反比关系。

在1300-1500 nm波长范围内，反射率模式明显下降，从1400 nm左右开始又缓慢增加。从~1680 nm处观察到反射模式进一步降低。光谱反射模式在1400 - 1700nm范围内的变化可归因于O-H振动的第一泛音。此外，1500 nm附近的光谱吸收可归因于N-H振动的第一泛音区域，与总生物碱密切相关。

根据烟粉样品的高光谱扫描结果，得出的烟粉样品的平均反射光谱，及烟粉样品的尼古丁含量范围。

烟粉样品-扫描光谱&PLSR, RF和SVR模型预测可持续性分析

通过高光谱扫描衍生的反射光谱，评估了三种多变量算法(PLSR、RF和SVR)对烟草粉末样品中尼古丁含量的预测。对PLSR训练数据集进行五重交叉验证，以检查1至15个PLSR潜在因素/成分在响应变量(尼古丁含量)中解释的方差。最终考虑8个PLSR分量，方差为96.9%，MSPE值为0.096%。

响应变量和均方预测误差(MSPE)作为PLSR成分数量的函数的方差变化图

从图中可以看出，在尼古丁含量较高(>3%)时，SVR使模型预测恶化。这三种模型在测试集和测试集上具有几乎相同的性能度量值。第四个图显示了原始和PLSR-VIP预测的尼古丁含量。

l                      显示了使用PLSR、RF、SVR和PLSR- VIP模型测量尼古丁与预测尼古丁含量；

l                      在每个图中也给出了检验R2值和直线方程；

l                      虚线表示测试集的回归方程。