基于拉曼光谱技术的茶树叶片中类胡萝卜素含量的无损快速检测

发布时间：2020-02-14 22:04

【摘要】：叶片中类胡萝卜素是植被环境胁迫、光合能力和植被发育阶段的指示器。基于叶片的原位拉曼光谱响应特性对龙井43叶片的类胡萝卜素含量进行了研究,建立了两者之间的定量模型。本文共对315个龙井43叶片样本进行了拉曼光谱采集和分光光度检测。为排除检测过程中受噪声、基线漂移等因素的干扰,运用和比较了五种光谱数据预处理方法提取原始拉曼光谱中与茶叶中类胡萝卜素含量有关的有效信息。基于预处理后的数据建立了偏最小二乘(PLS)回归模型,拉曼光谱与类胡萝卜素含量的建模集和预测集的相关系数(r)分别为0.817和0.786。为进一步研究类胡萝卜素的拉曼光谱响应机理,本文采用连续投影算法(SPA)优选了17个拉曼特征波数建立相应的特征波数模型,模型的建模集和预测集的相关系数(r)分别为0.808和0.777。根据已建立的模型,探究了茶树四个不同叶位的叶片类胡萝卜素含量的变化。发现茶树叶片随着叶龄的增加,类胡萝卜素浓度呈先增后减的趋势。以第2位叶的类胡萝卜素含量最高。进一步验证了模型的可行性以及探索了将该模型应用于茶树叶片树龄和叶位探测的可能性。采用拉曼光谱技术可以实现茶树叶片中类胡萝卜素含量的原位、无损、定量检测。
【图文】：

茶树叶

工浇水，实验时叶龄约为２年。材料１：用于建模的龙井４３叶片３１５片，将叶片放入密封袋中、标号。对叶片进行拉曼光谱采集，采集后的叶片立即放入４℃冰箱内避光冷藏。光谱采集后剪取主叶脉两边的叶片约０．１ｇ，，记录其湿重；然后将样品剪碎研磨后加入１０ｍＬ色素提取液（９５％酒精溶液），置于暗室保存约２４ｈ，用于紫外分光光度计检测类胡萝卜素含量。材料２：用于验证模型的样本选用一株茶树上不同叶位的４片叶片，对样本进行拉曼光谱面扫描。叶片的叶位及形态如图１所示：顶芽附近第一片叶作为１号位叶，往下依次标记为第２、３、４叶。图１茶树叶位的选择图Ｆｉｇ．１Ｓｋｅｔｃｈｍａｐｏｆｓａｍｐｌｅｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ１．１．２仪器本实验用到的拉曼光谱仪为雷尼绍共聚焦激光显微拉曼仪（ＲｅｎｉｓｈａｗｉｎＶｉａ－Ｒｅｆｌｅｘ５３２／ＸＹＺ）。激发波长５３２ｎｍ；激光强度５０ｍＷ；积分时间１ｓ；拉曼光谱检测波长范围为５７９～３０６２ｃｍ－１；分辨率０．２ｎｍ；选用放大倍数为５×的物镜。材料１：每个样本扫描叶片上中下三个点，取三条光谱的平均，用平均光谱作为样本的代表性拉曼光谱。本实验采用紫外分光光度计法测定茶树叶片的类胡萝卜素含量，单位ｍｇ·ｇ－１。材料２：４个样本分别进行拉曼面扫描，步长２μｍ，１，３和４号样本的面扫描区域一共包含２２１（１７×１３）个点，２号样本包含２２４（１６×１４）个点。本实验采用ＷＩＲＥ３．３对采集的拉曼光谱数据进行提取；用Ｕｎｓｃｒａｍｂｌｅｒ９．７和Ｍａｔｌａｂ

特征波,茶叶,类胡萝卜素

图３茶叶类胡萝卜素的特征波数Ｆｉｇ．３ＴｈｅｏｐｔｉｍｉｚｅｄｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗａｖｅｎｕｍｂｅｒｓｕｓｉｎｇＳＰＡ为茶树叶片光谱的ν４（Ｃ—Ｈ）平面外摆动［１２］，１０００ｃｍ－１为茶树叶片光谱的甲基ν３（Ｃ—Ｈ３）平面内摇摆振动，１１６０ｃｍ－１为茶树叶片光谱的ν１（Ｃ—Ｃ）伸缩振动［７］。其余特征归属见表３。结合图２来看，茶树叶片的Ｃ迨Ｃ双键和Ｃ—Ｃ单键的平面内伸缩振动拉曼谱峰强度较高，而甲基（ＣＨ３）的平面内摇摆振动稍弱之，这些峰都是可作为茶叶中类胡萝卜素检测的特征峰，说明了筛选出１７个特征波数能够解释茶叶中的类胡萝卜素含量。特征波数的减少，简化了模型，而同时模型的拟合度、稳健性得以保留。提取后的特征波数推广能力强，可广泛用于回归建模，提高了光谱仪的扫描速度。为茶叶生产中茶叶类胡萝卜素含量的在线、实时检测提供了理论依据。图４基于特征波数建立的ＰＬＳ模型建模效果Ｆｉｇ．４ＰｒｅｄｉｃｔｅｄｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎｏｆｃａｌｉｂｒａｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｄｉｃｔｉｏｎｕｓｉｎｇＰＬＳ表３拉曼特征波数的化学归属Ｔａｂｌｅ３ＣｈｅｍｉｃａｌａｓｓｉｇｎｍｅｎｔｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃＲａｍａｎｓｈｉｆｔｓＷａｖｅｎｕｍｂｅｒ／ｃｍ－１ＡｓｓｉｇｎｍｅｎｔＲｅｆｅｒｅｎｃｅＷａｖｅｎｕｍｂｅｒ／ｃｍ－１ＡｓｓｉｇｎｍｅｎｔＲｅｆｅｒｅｎｃｅ９４５ν４（Ｃ—Ｈ）平面外摆动［１３］１５１５ν２（Ｃ迨Ｃ）平面内伸缩［７，１２］１０００ν３（Ｃ—Ｈ３）平面内摇摆振动［

【相似文献】