基于LIBS技術(shù)人參樣品聚類分析及重金屬檢測研究

趙上勇，周志明，宋 超，孫長凱，雷俊杰，高 勛*

1. 長春理工大學理學院，吉林 長春 130022 2. 長春理工大學化學與環(huán)境工程學院，吉林 長春 130022 3. 西安應(yīng)用光學研究所，陜西 西安 710065

引 言

人參為多年生草本植物，主根肉質(zhì)，圓柱形或紡錘形，須根細長，根狀莖(蘆頭)短，上有莖痕(蘆碗)和芽苞。人參是有名的“東北三寶”之一，其藥用歷史已有4000多年。人參中主要成分包含有40多種人參皂苷(GS)、 人參多糖(GPS)、 人參醇、 揮發(fā)油、 低分子肽、 氨基酸、 維生素、 有機酸和多種微量元素，具有滋補強身、 防腫瘤、 抗衰老、 抗心律失常、 抑制細胞凋亡、 降糖降脂和增強免疫功能等療效，在醫(yī)藥、 化妝產(chǎn)品、 美容護發(fā)產(chǎn)品、 飲料產(chǎn)品和保健產(chǎn)品等方面有廣泛的應(yīng)用。我國現(xiàn)在人參栽培主要分布在長白山脈延伸區(qū)域的撫松、 長白、 靖宇、 吉安等地區(qū)，人參栽培面積、 單產(chǎn)、 總產(chǎn)量均處在世界首位。目前，由于個別商家和參農(nóng)著眼于短期利益，存在園參生曬用硫磺熏、 園參紅參用糖水煮加重甚至添加金屬、 山參用高錳酸鉀染色以及參農(nóng)“施重肥”、 “用重藥”種植人參的現(xiàn)象，導(dǎo)致市場所售人參重金屬超標、 農(nóng)殘超標和品質(zhì)較差等問題，嚴重影響了人參質(zhì)量。所以人參的產(chǎn)地鑒別和質(zhì)量檢測問題對于人參市場的發(fā)展具有重要研究意義。

傳統(tǒng)對人參識別以感官經(jīng)驗評審為主，如“五行”“六體”鑒別方法，但是人為因素對于人參種類和質(zhì)量的精確判斷有很大的影響。隨著社會經(jīng)濟快速發(fā)展，環(huán)境污染問題受到廣泛關(guān)注，由于重金屬元素很難降解，食用人參后重金屬會在體內(nèi)富集，嚴重危害人體健康。因此需要一種快速可靠的人參種類的聚類識別和質(zhì)量檢測方法。激光誘導(dǎo)擊穿光譜技術(shù)(laser induced breakdown spectroscopy，LIBS)具有快速、 微損、 樣品制備簡單和多元素同時探測等優(yōu)點[1]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土壤重金屬探測[2]、 食品安全[3]、 地質(zhì)分析[4]、 古董藝術(shù)品鑒別[5]和生物醫(yī)學分析[6]等領(lǐng)域，通過LIBS技術(shù)和數(shù)學統(tǒng)計主成分分析方法(principal component analysis，PCA)可實現(xiàn)待測樣品的聚類識別。張大成等[7]利用統(tǒng)計學算法對三種水果中Ca，Na，K，F(xiàn)e，Al和Mg六種元素含量進行了比較分析；徐向君等[8]利用LIBS技術(shù)，通過PCA算法降維聚類處理，結(jié)合支持向量機算法(support vector machine，SVM)實現(xiàn)了茶葉品種的快速分類，對綠茶、 紅茶和白茶達到了98.3%的識別率；吳鼎等[9]對食用油和地溝油進行了鑒別分析，利用PCA實現(xiàn)了較好的聚集分類，主成分累積解釋率可達到88.986%；Velioglu等[10]利用LIBS結(jié)合PCA實現(xiàn)了牛肉及其內(nèi)臟樣品的辨別；Alfarraj等[11]利用LIBS結(jié)合PCA算法根據(jù)牛奶中的礦物質(zhì)元素濃度實現(xiàn)了四種牛奶的樣品的識別，前兩個主成分累積解釋率達到95%；Myakalwar等[12]利用LIBS結(jié)合多變量最優(yōu)化算法對藥物片劑進行了分類，通過PCA算法實現(xiàn)了6種藥物的聚類辨別；Yang等[13]利用LIBS結(jié)合PCA和SVM算法實現(xiàn)了巖石的聚類鑒別，對于巖屑可到達100%的識別精度；Unnikrishnan等[14]利用LIBS技術(shù)結(jié)合PCA算法實現(xiàn)了有機塑料的分類，四種有機塑料PET, PE, PP和PS的識別率為82.2%, 100%, 98.89%和76.67%；Kalam等[15]利用飛秒激光成絲誘導(dǎo)擊穿光譜結(jié)合PCA算法實現(xiàn)了金屬、 合金、 雙金屬和混合物的聚類分析。本研究通過LIBS技術(shù)結(jié)合PCA算法對人參不同部位和不同地區(qū)人參進行了聚類分析，實現(xiàn)了對不同種類人參樣品的識別，建立了人參樣品中Pb和Cr元素濃度和特征光譜強度的定量分析模型。

1 實驗部分

1.1 裝置

激光誘導(dǎo)擊穿光譜實驗裝置如圖1所示，激光光源為輸出波長1 064 nm的Nd∶YAG激光器(Continuum，Power 8000)，脈寬為10 ns，重復(fù)頻率為10 Hz，光束直徑約為6 mm，經(jīng)半波片和格蘭棱鏡組成的能量調(diào)節(jié)系統(tǒng)進行調(diào)控激光脈沖能量，由焦距為120 mm的平凸K9玻璃透鏡垂直聚焦在人參樣品表面，焦點在人參表面內(nèi)0.8 mm位置，避免產(chǎn)生空氣等離子體對人參光譜分析帶來干擾。激光誘導(dǎo)擊穿人參的等離子體發(fā)射光譜由探測45°方向上的焦距為75 mm的熔石英透鏡收集，經(jīng)透鏡成像耦合到光纖探頭，由光纖傳輸?shù)脚溆蠭CCD探測器(1 024×1 024 Pixel，DH334)的Echelle spectrograph光譜儀(Andor，Me5000)進行采集，光譜儀焦距為195 mm，光譜分辨率為λ/Δλ～5 000。通過數(shù)字脈沖延時發(fā)生器DG645同步觸發(fā)激光器和ICCD探測器工作，通過調(diào)節(jié)優(yōu)化激光脈沖與ICCD探測器之間的時間延時，獲得高信背比的人參LIBS光譜信號。為避免樣品過度燒蝕，人參樣品固定在三維平移臺上，沿Z軸方向勻速運動，使每束激光脈沖作用在樣品表面新的位置。實驗環(huán)境為標準大氣壓，室內(nèi)溫度為22 ℃，空氣相對濕度為25%。

1.2 樣品制備

從市場購買6種人參作為實驗對象，產(chǎn)地分別為吉林省撫松、 長白、 靖宇、 吉安(大地參和林下參，均做選擇)和懷仁，共5個產(chǎn)地。為了減小實驗誤差，對購買的人參樣品進行預(yù)處理。取人參中間支干部分，使用振動研磨機(PrepM-01 安合盟(天津)科技發(fā)展有限公司)將人參研磨至粉末，經(jīng)100目過篩，然后經(jīng)機械壓片機(FW-40安合盟(天津)科技發(fā)展有限公司)在25 MPa壓力下壓制15～20 min，制成Φ30 mm×2 mm的圓形人參樣品，用于人參產(chǎn)地的LIBS聚類分析。選取產(chǎn)自長白地區(qū)的人參，由上到下分解為老根、 支干和參須三個部分，用上述同樣的方式壓片，用于人參部位的LIBS聚類分析。選取產(chǎn)自長白地區(qū)的人參作為分析樣品，制作含有不同質(zhì)量濃度的硝酸鉛(Pb(NO3)2)和氧化鉻(Cr2O3)水溶液, 與研磨過篩后的5g人參粉末進行攪拌均勻摻雜后，置50 ℃真空干燥箱(DZF-602型，上海新苗醫(yī)療器械制造有限公司)中進行烘干處理，經(jīng)過振動磨研和過篩，機械壓片處理，得到含有重金屬Pb元素和Cr元素的人參樣品(質(zhì)量濃度如表1所示)用于人參樣品的重金屬分析。

表1 人參樣品中Pb和Cr元素含量Table 1 The concentration of Pb and Cr in panax ginseng sample

2 結(jié)果與討論

2.1 人參部位的聚類分析

作為中醫(yī)藥材，人參不同部位的藥效功力不盡相同。就一整根人參的藥效功力而言，參須的功力較弱，接著人參支干，最后為人參的老根。人參中含有人參皂甙、 人參酸和氨基酸等多種有機化合物成分，還有與土壤生長環(huán)境有關(guān)如Fe，Ca，Na和K等多種元素成分。在人參生長過程中，人參不同部位累積的化學成分含量不同，造成了人參不同部位的藥效功力各異。選取產(chǎn)自長白地區(qū)的人參[如圖2(a)所示]，由上到下分解為老根(Part 1)、 支干(Part 2)和參須(Part 3)三個部分，得到三個部位的LIBS光譜如圖2(b)所示。每個樣品采集10張光譜作平均值，從處理后的LIBS光譜數(shù)據(jù)，判斷出人參含有K，Na，Ca，Mg和Fe等元素，對應(yīng)的元素特征光譜信息如：K(Ⅰ) 766.48，769.89 nm，Na(Ⅰ) 588.99 nm，Na(Ⅱ) 315.95，317.90 nm，Ca(Ⅰ) 422.67，428.93，646.25 nm，Mg(Ⅰ) 383.22 nm，F(xiàn)e(Ⅰ) 247.91，393.35，518.41，643.95 nm。主成分分析法是通過數(shù)據(jù)降維，將高維度的數(shù)據(jù)保留下最重要的一些特征，去除噪聲和不重要的特征，從而實現(xiàn)簡化數(shù)據(jù)和主成分提取?；赑CA算法得到了PC1，PC2和PC3三個主成分向量組成的三維散點圖和主成分累計方差貢獻率如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖2 人參部位實例及其LIBS光譜(a)：人參三個部位壓制成片，(b)：不同部位人參LIBS光譜Fig.2 Different part ginseng sample and comparisons of spectra(a)：Ginseng sample of different part；(b)：Emission spectra of different part ginseng sample

圖3 人參不同部位光譜聚類分析及主成分貢獻率(a)：不同部位聚類分析；(b)：主成分方差貢獻率Fig.3 Classification of different part ginseng sample andPrincipal component contribution rate(a)：Classification analysis；(b)：Principal component contribution

從圖2(b)和圖3(a)可知人參不同部位的LIBS光譜成分信息基本相同，但是對應(yīng)的光譜強度不同；人參三個部位的K，Na，Ca，Mg和Fe等元素特征光譜經(jīng)PCA算法處理后，由圖3(a)可知存在匯聚現(xiàn)象，參須(Part 3)、 支干(Part 2)和老根(Part 1)部位能夠區(qū)分，但參須(Part 3)和支干(Part 2)部位不能完全區(qū)分。結(jié)果表明，對于同一根人參，人參不同部位累積的元素含量存在區(qū)別，金屬在人參老根(Part 1)部分累積較多，在參須(Part 3)和支干(Part 2)部位累積的金屬元素含量相差較小，導(dǎo)致主成分聚類分析不能完全區(qū)分開來。從圖3(b)的主成分的累積方差貢獻率在91%以上，因此所選擇的人參LIBS特征光譜結(jié)合PCA算法對人參部位進行區(qū)分鑒別的技術(shù)手段是可靠的。

2.2 人參產(chǎn)地的聚類分析

針對產(chǎn)地分別為吉林省撫松、 長白、 靖宇、 懷仁和吉安(大地園參和林下參，均做選擇)的5個產(chǎn)地六種人參，在獲取人參樣本的LIBS光譜數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，利用K，Na，Ca，Mg和Fe等元素特征譜線，結(jié)合PCA算法得到了人參產(chǎn)地聚類分析以及主成分貢獻率如圖4所示。

圖4 人參產(chǎn)地聚類分析以及主成分貢獻率(a): 聚類分析；(b): 主成分貢獻率Fig.4 Classification of different types sample and Principal component contribution(a): Classification analysis; (b): Principle component contribution

從圖4可知，基于PCA算法，5個產(chǎn)地6種人參的PCA數(shù)據(jù)點圖成橢圓分布，對應(yīng)的PC1，PC2和PC3計算的方差貢獻率都分別在50%，20%和10%附近，PC1，PC2和PC3累積貢獻率之和大于90%，并且對應(yīng)的人參樣品均發(fā)生了明顯的匯聚現(xiàn)象，實現(xiàn)了人參產(chǎn)地的聚類分析。對比與產(chǎn)地為吉安的大地園參和林下參，由于同一地區(qū)的土壤成分較為接近，由圖4(a)看出，PCA數(shù)據(jù)有部分重合，但仍能夠?qū)崿F(xiàn)不同類別人參聚類分析。

2.3 人參重金屬定量分析

LIBS實驗過程中，存在激光脈沖能量的不穩(wěn)定性、 樣品摻雜的空間不均勻性和環(huán)境參數(shù)的實時變化等不確定因素，影響了LIBS光譜強度的穩(wěn)定性。因此，做人參樣品定量分析時，在相同實驗條件下，采集10次LIBS光譜進行平均處理，提高LIBS光譜實驗可靠性。在實驗參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選取產(chǎn)自長白地區(qū)的人參作為分析樣品，對人參中摻雜的Pb和Cr元素進行LIBS實驗研究，選取Pb(Ⅰ) 405.78 nm和Cr(Ⅰ) 427.4 nm光譜作為待測元素分析譜線，對應(yīng)的Pb和Cr元素的定標曲線如圖5所示，得到定標曲線線性擬合系數(shù)R2值分別為0.981和0.986。

圖5 人參樣品中Pb和Cr元素的LIBS定標曲線Fig.5 The calibration curve of Pb and Cr in ginseng sample

3 結(jié) 論

采用LIBS技術(shù)結(jié)合PCA算法對吉林省五個產(chǎn)地六種人參進行了產(chǎn)地和不同部位聚類分析研究，定量計算了人參中摻雜的重金屬元素LOD及RMSECV值。結(jié)果表明LIBS結(jié)合主成分分析PCA算法可以實現(xiàn)人參產(chǎn)地快速聚類識別、 同一產(chǎn)地的園參與林下參的聚類識別以及同一株人參的不同部位聚類識別。由于同株人參不同部位的元素含量區(qū)別不大，造成人參主干和參須部位聚類效果不佳。最后對人參樣品中含有的重金屬Pb和Cr元素進行了定量分析，定標曲線擬合系數(shù)R2值分別為0.981和0.986，Pb和Cr的檢測限LOD值分別為9.55和10.86 mg·kg-1，RMSECV值分別為0.011和0.023 Wt.%。實驗結(jié)果證明利用LIBS技術(shù)結(jié)合PCA算法可以實現(xiàn)人參的聚類識別和人參中重金屬的定量檢測。