有机肥料中钙元素LIBS检测精度提升方法

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作者 万奇 徐将 +3 位作者 刘木华 魏海波 黄林 姚明印 《江西农业大学学报》 北大核心 2025年第3期755-763,共9页

【目的】钙是植物生长发育至关重要的宏量必需矿质元素,有机肥料中钙元素快速、绿色检测对提高农作物生产效益具有重要意义。传统化学检测方法依赖化学试剂消解样品,激光诱导击穿光谱(LIBS)作为全光学物质成分分析方法,探索有机肥LIBS... 【目的】钙是植物生长发育至关重要的宏量必需矿质元素,有机肥料中钙元素快速、绿色检测对提高农作物生产效益具有重要意义。传统化学检测方法依赖化学试剂消解样品,激光诱导击穿光谱(LIBS)作为全光学物质成分分析方法,探索有机肥LIBS检测方法符合现代农业绿色快速检测发展需求,但样品基体效应影响LIBS检测效果,而氯化物能有效提升LIBS分析灵敏度,拟研究氯化钠(NaCl)对有机肥料中钙元素LIBS检测精度的影响。【方法】将羊粪肥与土壤按照一定比例混合制成有机肥料样品,再分别掺入NaCl颗粒。在相同试验条件下采集LIBS光谱数据。利用Boltzmann平面法及Stark展宽法分别计算等离子体温度和电子密度,分析NaCl添加对有机肥料等离子体辐射光谱特性的影响。比较支持向量回归(SVR)、偏最小二乘回归(PLSR)和梯度提升决策树(GBDT)3种模型定量结果,研究NaCl对有机肥料中钙元素LIBS定量检测精度的影响。【结果】NaCl添加能够提高有机肥料中钙元素的光谱强度,钙元素光谱特征峰信号平均增加了20%以上。在定量分析中,掺入NaCl的有机肥料中,SVR模型的预测性能效果较好,决定系数R2从0.9005提高到0.9648,均方根误差RMSE由1.9338 g/kg降低至1.1504 g/kg。与未掺入NaCl的有机肥料相比,SVR模型的R2值增加了7.14%,RMSE降低了40.51%。【结论】有机肥料中添加NaCl能够增强钙元素LIBS信号强度。NaCl使有机肥料的等离子体温度和电子密度提升,促进电子与原子之间的碰撞频率,激发出更多高能态原子,从而辐射出更强的有效信号,致使LIBS捕捉到更多的有机肥料的特征信号,结合回归分析算法,提高了有机肥料中钙元素的预测精度和稳定性。本工作为LIBS方法在有机肥料样本的绿色快速检测提供了理论依据和技术支持。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱(LIBS) 有机肥料 NaCl增强 钙元素 回归分析 精度提升

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稻田土壤中K元素激光诱导击穿光谱定量分析偏振优化研究

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作者 梁佳琪 姚明印 +3 位作者 刘木华 罗子灵 魏海波 徐将 《光谱学与光谱分析》 北大核心 2025年第11期3105-3112,共8页

结合偏振分辨优化方法,实现了水稻田土壤中钾(K)元素含量的激光诱导击穿光谱(LIBS)检测精确度和稳定性的提升。通过搭建偏振分辨分光系统,在不同激光诱导能量条件下,对稻田土壤样品的LIBS和偏振分辨激光诱导击穿光谱(PRLIBS)数据进行了... 结合偏振分辨优化方法,实现了水稻田土壤中钾(K)元素含量的激光诱导击穿光谱(LIBS)检测精确度和稳定性的提升。通过搭建偏振分辨分光系统,在不同激光诱导能量条件下,对稻田土壤样品的LIBS和偏振分辨激光诱导击穿光谱(PRLIBS)数据进行了采集。对比分析了LIBS和PRLIBS全谱,突出PRLIBS优势。在744~775 nm波长范围内,绘制了LIBS和PRLIBS的三维光谱强度图,并选定特征峰信号强度最为显著的KI 766.49 nm特征谱线作为研究对象展开分析。对比结果显示,PRLIBS与LIBS光谱随激发能量增加呈现出相同的变化趋势,这一现象表明运用偏振分辨技术对LIBS系统进行优化具备可行性。进一步分析了N2K1、N2K2、N2K3、N2K4样品在PRLIBS和LIBS信号中K元素光谱信号强度与激发能量的线性相关性,其中PRLIBS的决定系数R^(2)为0.99586、0.97951、0.99611和0.99357,高于LIBS的0.97016、0.94498、0.99153和0.98924。结果表明,PRLI BS技术通过格兰-汤普森棱镜的双折射作用,过滤掉偏振度较高的寻常光(o光),透射出偏振度较低的非常光(e光),有效降低了背景噪声对等离子体信号特征光谱峰的干扰,显著提高水稻土壤中K元素检测的稳定性。对比PRLIBS和LIBS信号强度分布特征图及相对标准偏差(RSD)值发现,PRLIBS系统在激发能量为35、55和75 mJ条件下,信号稳定性优于LIBS,表明检偏棱镜在低激发能量下具有较强的特征谱线分辨能力。比较激发能量35和55 mJ下的LIBS和PRLIBS系统定标曲线图拟合效果,PRLIBS的决定系数R^(2)分别为0.94482和0.95832,明显高于LIBS的0.15069和0.47395,进一步证实了PRLIBS可有效地增强特征信号的稳定性。建立PRLIBS定量分析模型,55 mJ激发条件的预测模型均方根误差(RMSE)优于35 mJ激发条件。PRLIBS技术显著提升了光谱信号的稳定性与准确度,特别是在较低激发能量下优势突出,为稻田土壤养分的快速检测提供了极具价值的参考依据。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱 偏振分辨 水稻田土壤 钾元素 稳定性

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微波辅助激光诱导击穿光谱增强大米中Cd发射强度的研究 被引量：8

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作者 胡慧琴 徐雪红 +4 位作者 黄林 姚明印 陈添兵 刘木华 王彩虹 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2016年第4期1180-1185,共6页

食品安全问题已成为全世界关注的焦点,对食品中污染物的绿色检测方法有利于环境的可持续发展。以大米中重金属污染物Cd元素为研究对象,分别采用激光诱导击穿光谱(LIBS)和微波辅助激光诱导击穿光谱(MA-LIBS)对空白和实验室污染处理的大... 食品安全问题已成为全世界关注的焦点,对食品中污染物的绿色检测方法有利于环境的可持续发展。以大米中重金属污染物Cd元素为研究对象,分别采用激光诱导击穿光谱(LIBS)和微波辅助激光诱导击穿光谱(MA-LIBS)对空白和实验室污染处理的大米样品进行检测,并选用CdⅠ228.802nm为分析线,探讨目标元素分析谱线等离子体发射强度的增强效果。同时,采用阳极溶出伏安法获取大米中Cd元素的真实含量。研究结果表明,对于实验室配制的浓度范围在2.16~13.69μg·g^(-1)的大米样品,LIBS仅能检测出其中大米Cd真实含量为13.69μg·g^(-1)的样品;而在同一实验条件下,MA-LIBS能检测出所有污染后样品中的Cd元素信号,并且与LIBS方法相比,Cd元素谱线发射强度增强了9~27倍,检测灵敏度提高了6.34倍。结果表明,采用MA-LIBS能有效地增强大米中Cd元素等离子体的发射强度并提高其检测灵敏度。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱 微波辅助激光诱导击穿光谱 大米 重金属 微波增强

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果皮对脐橙可溶性固形物可见/近红外检测精度的影响 被引量：14

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作者 孙通 莫欣欣 刘木华 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期1406-1411,共6页

利用可见/近红外半透射光谱技术对未剥皮(完整)和剥皮脐橙的可溶性固形物(SSC)进行检测,探索果皮对脐橙SSC检测精度的影响。采用QualitySpec型光谱仪获取未剥皮和剥皮脐橙在350~1 000nm波段的可见/近红外光谱,并从光谱和模型性能两方面... 利用可见/近红外半透射光谱技术对未剥皮(完整)和剥皮脐橙的可溶性固形物(SSC)进行检测,探索果皮对脐橙SSC检测精度的影响。采用QualitySpec型光谱仪获取未剥皮和剥皮脐橙在350~1 000nm波段的可见/近红外光谱,并从光谱和模型性能两方面分析果皮的影响。对未剥皮和剥皮脐橙平均光谱进行比较,并提取前20个主成分进行多元方差分析;应用偏最小二乘(PLS)回归结合不同预处理方法分别建立未剥皮和剥皮脐橙SSC的预测模型,对预测模型性能进行比较,并对预测集样本的预测残差平方进行方差分析。结果表明,在5%置信水平下,果皮对脐橙SSC检测精度的影响是显著的。未剥皮和剥皮脐橙SSC的最优PLS模型的预测集相关系数和预测均方根误差分别为0.888,0.456%和0.944,0.324%。 展开更多

关键词 可见/近红外 果皮影响 检测精度 可溶性固形物 方差分析 脐橙

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样品物理方法前处理提高猪肉中Pb元素的LIBS分析精度研究 被引量：2

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作者 杨晖 王彩虹 +3 位作者 刘木华 陈添兵 黄林 姚明印 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2017年第8期2580-2584,共5页

农产品基体复杂,为了减弱水分和有机质对其痕量重金属元素LIBS检测能力的影响,以期提高目标元素LIBS分析灵敏度和预测精度。以实验室含Pb溶液污染处理的新鲜猪肉样品为例,对猪肉样品进行烘干、粉碎、压片处理,比较样品简单的物理方法前... 农产品基体复杂,为了减弱水分和有机质对其痕量重金属元素LIBS检测能力的影响,以期提高目标元素LIBS分析灵敏度和预测精度。以实验室含Pb溶液污染处理的新鲜猪肉样品为例,对猪肉样品进行烘干、粉碎、压片处理,比较样品简单的物理方法前处理提高目标元素LIBS探测效果的可行性。通过采集猪肉鲜样和干样的LIBS谱线信息发现,鲜样受水分、有机质成分影响致使其谱线信息背景和噪声信号干扰较大;对于10个浓度梯度的样品,目标元素特征谱线PbⅠ405.78的LIBS强度信息在鲜样中无明显的差异性,而在干样样品中差异明显并表现出一定的梯度关系。说明LIBS缺乏对鲜样样品低浓度Pb污染的探测能力,干燥处理削弱了水分的影响、浓缩了样品浓度范围,提高了LIBS的检测灵敏度。通过目标元素Pb的真实浓度与其特征谱线LIBS强度线性定量模型分析,干样样品的线性相关系数远大于鲜样样品,此时猪肉干样样品检测限为5.13mg·kg^(-1),说明干样样品具有一定的预测精度。整个工作证明猪肉等农产品在经过合适的、简单的物理方法前处理后,有望在LIBS分析灵敏度和检测精度方面发挥应有的潜力,且该物理方法前处理同样适用于其他肉类的LIBS检测分析。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱 猪肉 重金属 铅元素 样品物理方法前处理

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含水量对LIBS检测土豆中Pb元素灵敏度的影响 被引量：1

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作者 王彩虹 黄林 +5 位作者 刘木华 杨平 陈添兵 胡慧琴 黎文兵 姚明印 《江西农业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2016年第2期393-397,共5页

农产品重金属污染问题越来越严峻,急需发展一种快速检测新方法。激光诱导击穿光谱(LIBS)是近年来兴起的物质成分快速无污染的分析方法。但由于农产品成分复杂,受到含水量、有机质元素等复杂基体的影响,导致LIBS在农产品检测方面的研究... 农产品重金属污染问题越来越严峻,急需发展一种快速检测新方法。激光诱导击穿光谱(LIBS)是近年来兴起的物质成分快速无污染的分析方法。但由于农产品成分复杂,受到含水量、有机质元素等复杂基体的影响,导致LIBS在农产品检测方面的研究还缺乏系统的分析。本工作以实验室配置的含铅(Pb)污染的土豆样品为例,通过LIBS技术对不同含水量土豆中的Pb元素进行了检测,探讨了含水量对土豆中铅元素灵敏度的影响。试验结果表明含水量对LIBS信号有明显的干扰,样品越干燥,灵敏度越高。对完全干燥的土豆样品进行了LIBS光谱采集和Pb含量原子吸收光谱(AAS)真实浓度检测,建立了Pb元素真实浓度与其LIBS强度关系模型,定标结果显示模型具有较好的相关系数。研究说明LIBS对Pb污染严重的土豆样品具有一定的检测可行性,对于低浓度的样品,检测能力仍有很大的提升空间。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱 土豆 铅 含水量 灵敏度

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最小二乘支持向量机和内标法的乐果农药含量LIBS检测 被引量：4

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作者 孙通 刘津 +2 位作者 甘兰萍 吴宜青 刘木华 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2018年第4期1251-1255,共5页

利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)对溶液中的乐果含量进行定量检测。采用圆柱形桐木木片对农药乐果进行富集,然后利用双通道高精度光谱仪获取样本在206.28~481.77nm波段范围的LIBS光谱。选用4条磷元素谱线(PⅠ213.618nm,PⅠ214.91n... 利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)对溶液中的乐果含量进行定量检测。采用圆柱形桐木木片对农药乐果进行富集,然后利用双通道高精度光谱仪获取样本在206.28~481.77nm波段范围的LIBS光谱。选用4条磷元素谱线(PⅠ213.618nm,PⅠ214.91nm,PⅠ253.56nm,PⅠ255.325nm)为分析线,碳元素谱线(CⅠ247.856nm)为内标线,应用单变量线性拟合及最小二乘支持向量机(LSSVM)方法分别建立溶液中乐果含量的单变量定标模型、LSSVM定标模型及基于内标法的LSSVM定标模型,并进行比较。三个定标模型中,基于内标法的LSSVM定标模型性能最优,LSSVM定标模型性能次之,而单变量定标模型性能最差。结果表明,共线双脉冲LIBS技术结合LSSVM及内标法可以用于溶液中的乐果含量定量检测,所建立的定标模型的决定系数为0.999 7,训练集和验证集的平均相对误差分别为11.24%及12.01%。LSSVM方法及内标法均能在一定程度上改善定标模型的性能,提高预测精度。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱 最小二乘支持向量机 内标法 乐果

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激光诱导击穿光谱的Gold去卷积算法自动寻峰 被引量：4

8

作者 王永祥 姚明印 陈万钧 《量子电子学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第6期816-826,共11页

为提高激光诱导击穿光谱(LIBS)寻峰中重叠谱的分辨能力并抑制随机噪声的干扰,提出用Gold去卷积算法结合平滑处理的自动寻峰方法。对于标准样品NIST 1256b和NIST 1762的LIBS光谱,先进行平滑处理,然后采用高斯形系统函数去卷积,最后用五... 为提高激光诱导击穿光谱(LIBS)寻峰中重叠谱的分辨能力并抑制随机噪声的干扰,提出用Gold去卷积算法结合平滑处理的自动寻峰方法。对于标准样品NIST 1256b和NIST 1762的LIBS光谱,先进行平滑处理,然后采用高斯形系统函数去卷积,最后用五点法对去卷积结果进行自动寻峰。实验研究了平滑处理结合不同半峰全宽(FWHM)的系统函数对重叠峰分辨能力和抗随机噪声干扰能力的影响。结果表明,采用0.140 nm(比弱峰的FWHM稍大)作为Gold去卷积系统函数的FWHM,结合平滑处理能取得高达0.039 nm的重叠谱分辨能力,且寻峰峰位、峰值、曲线拟合与NIST数据库的数据都能较好地吻合。研究初步表明基于Gold去卷积算法的自动寻峰可应用于LIBS数据处理。 展开更多

关键词 光谱学 光谱自动寻峰 激光诱导击穿光谱 Gold去卷积算法 重叠峰分辨

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基于LIBS和SSA-SVM的绿茶采收期鉴别研究 被引量：1

9

作者 陶雷 何秀文 +3 位作者 蔡广源 程占东 徐将 姚明印 《江西农业大学学报》 CAS CSCD 北大核心 2023年第3期719-725,共7页

[目的]茶叶采收期极大地影响其经济价值和消费者接受度。为实现不同采收期茶叶的快速分类鉴别,研究激光诱导击穿光谱(LIBS)结合麻雀搜索优化支持向量机(SSA-SVM)算法茶叶鉴别方法。[方法]以相同产地明前、明后、夏季、秋季采收绿茶为对... [目的]茶叶采收期极大地影响其经济价值和消费者接受度。为实现不同采收期茶叶的快速分类鉴别,研究激光诱导击穿光谱(LIBS)结合麻雀搜索优化支持向量机(SSA-SVM)算法茶叶鉴别方法。[方法]以相同产地明前、明后、夏季、秋季采收绿茶为对象,每类茶叶采集100幅LIBS光谱数据,以3∶2的比例随机划分训练集和测试集。采用阈值寻峰对基线校正后的LIBS光谱进行特征提取,优选出20组谱线数据,输入SSA-SVM分类模型。[结果]4类茶叶平均识别准确率为98.8%。与遗传算法(GA)和粒子群(PSO)优化的SVM模型对比,SSA-SVM具有更好的优越性。[结论]LIBS结合SSA-SVM算法对绿茶采收期快速鉴别具有可行性。 展开更多

关键词 光谱学 激光诱导击穿光谱 麻雀搜索算法 支持向量机 茶叶鉴别

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激光诱导击穿光谱结合CARS变量选择方法定量检测倍硫磷含量 被引量：2

10

作者 刘津 甘兰萍 +1 位作者 孙通 刘木华 《分析测试学报》 CAS CSCD 北大核心 2017年第9期1099-1103,共5页

利用双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对溶液中的倍硫磷含量进行定量检测。采用二通道高精度光谱仪采集不同浓度倍硫磷样品在206.28~481.77 nm波段的LIBS光谱,并对光谱进行多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)及3点平滑预处理,... 利用双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对溶液中的倍硫磷含量进行定量检测。采用二通道高精度光谱仪采集不同浓度倍硫磷样品在206.28~481.77 nm波段的LIBS光谱,并对光谱进行多元散射校正(MSC)、标准正态变量变换(SNV)及3点平滑预处理,根据偏最小二乘(PLS)建模确定最优的预处理方法。在此基础上,利用竞争性自适应重加权算法(CARS)筛选与倍硫磷相关的重要变量,然后应用PLS回归建立溶液中倍硫磷含量的定量分析模型,并与单变量定量分析模型及未变量选择的PLS定量分析模型进行比较。结果表明,相比单变量定量分析模型及原始光谱PLS定量分析模型,CARS-PLS定量分析模型的性能更优,其模型的校正集和预测集的决定系数及平均相对误差分别为0.969 4、15.537%和0.995 9、5.016%。此外,与原始光谱PLS模型相比,CARS-PLS模型仅使用其中1.9%的波长变量,但预测集平均误差却由9.829%下降为5.016%。由此可见,LIBS技术检测溶液中的倍硫磷含量具有一定的可行性,且CARS方法能简化定量分析模型,提高模型的预测精度。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱技术(LIBS) 偏最小二乘法(PLS) 竞争性自适应重加权算法(CARS) 倍硫磷

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基于内标法和CARS变量优选的倍硫磷含量LIBS检测 被引量：5

11

作者 刘津 孙通 甘兰萍 《发光学报》 EI CAS CSCD 北大核心 2018年第5期737-744,共8页

利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对溶液中的倍硫磷含量进行定量检测研究。采用石墨对倍硫磷溶液进行富集,利用双通道高精度光谱仪获取样品的LIBS光谱。以碳元素谱线(CⅠ247.856 nm)为内标对210~260 nm波段谱线进行校正,然后... 利用共线双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对溶液中的倍硫磷含量进行定量检测研究。采用石墨对倍硫磷溶液进行富集,利用双通道高精度光谱仪获取样品的LIBS光谱。以碳元素谱线(CⅠ247.856 nm)为内标对210~260 nm波段谱线进行校正,然后利用竞争性自适应重加权算法(CARS)筛选与倍硫磷相关的重要波长变量,最后应用最小二乘支持向量机(LSSVM)建立倍硫磷含量的定标模型,并与基本定标法及内标法建立的单变量定标模型进行比较。研究结果表明,共线双脉冲LIBS技术可以用于溶液中的倍硫磷含量检测。基本定标法建立的最优定标模型的拟合度R2为0.935 04,预测集样品的平均预测相对误差(PRE)为41.50%;内标法建立的最优单变量定标模型的拟合度R2为0.993 61,预测集样品的平均PRE为14.91%;内标-CARS-LSSVM定标模型的拟合度R2为0.998 6,预测集样品的平均PRE为8.06%。对比上述3类定标模型,内标-CARS-LSSVM定标模型性能最优,内标法建立的定标模型次之,而基本定标法建立的定标模型最差。由此可知,CARS方法可以有效筛选倍硫磷相关的重要变量,内标法结合CARS及LSSVM方法可以改善定标模型性能,提高预测精度。 展开更多

关键词 激光诱导击穿光谱 内标法 竞争性自适应重加权算法 最小二乘支持向量机 倍硫磷

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共线双脉冲LIBS结合变量筛选定量检测腐霉利含量 被引量：1

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作者 甘兰萍 孙通 +1 位作者 刘津 刘木华 《光谱学与光谱分析》 SCIE EI CAS CSCD 北大核心 2019年第2期584-588,共5页

腐霉利(Procymidone)作为一种新型的农产品杀菌剂,具有防止农产品受病虫害的作用,但其在施药过程中容易使用不当危害环境和人的健康。为加强对腐霉利农药的检测,本研究应用共轴双脉冲激光诱导击穿光谱技术(LIBS)对溶液中的腐霉利含量进... 腐霉利(Procymidone)作为一种新型的农产品杀菌剂,具有防止农产品受病虫害的作用,但其在施药过程中容易使用不当危害环境和人的健康。为加强对腐霉利农药的检测,本研究应用共轴双脉冲激光诱导击穿光谱技术(LIBS)对溶液中的腐霉利含量进行定量检测研究。为配置不同浓度的腐霉利样品,将有效成分含量为98%腐霉利粉末与二甲苯按照不同比例混合并完全溶解。由于液体样品在激光击打的过程中容易将液体溅出,具有一定的危险性。因此,实验将液体样品转化为固体样品,利用石墨吸附腐霉利溶液,然后采用八通道高精度光谱仪采集样品的LIBS光谱,并利用不同预处理方法对光谱数据进行预处理。为提高腐霉利的检测精度,选择氯元素信号最强的两通道(744.555～935.843,893.107～1 057.058nm)光谱数据,分别采用归一化函数(normalization)、基线校正(baseline correction)、标准正态变量变换(SNV)、多元散射校正(MSC)方法进行光谱预处理,并应用PLS方法建模。通过比较各预处理方法数据后,综合考虑,选择Baseline方法为最佳预处理方法。在baseline预处理方法的基础上使用无信息变量消除算法(UVE)联合竞争性自适应重加权采样(CARS)算法剔除无信息的波长变量,筛选与腐霉利相关的重要波长变量,最后应用偏最小二乘回归建立溶液中腐霉利含量的定量预测模型。建模结果表明:经光谱预处理和UVE-CARS方法优选后,可将原4096个波长变量个数减少至13个,变量压缩率为99.68%;经UVE-CARS变量优选后建立的PLS模型的校正集的决定系数和均方根误差分别为0.990 5和0.66,预测集的决定系数和均方根误差分别为0.990 3和0.67,其模型性能优于原始光谱建立的PLS模型。结果表明,利用共轴双脉冲LIBS技术定量检测溶液中的腐霉利含量具有一定的可行性,经UVE和CARS方法筛选后可以有效提取腐霉利的特征变量及相关影响变量,剔除冗余及噪声影响变量,简化定量分析模型且提高了定量分析模型的稳定性。 展开更多

关键词 光谱学 激光诱导击穿光谱 腐霉利 竞争性自适应重加权采样 无信息变量消除算法

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