趙上勇，周志明，宋 超，孫長(zhǎng)凱，雷俊杰，高 勛*

1. 長(zhǎng)春理工大學(xué)理學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022 2. 長(zhǎng)春理工大學(xué)化學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022 3. 西安應(yīng)用光學(xué)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(xì)長(zhǎng)，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(jī)酸和多種微量元素，具有滋補(bǔ)強(qiáng)身、 防腫瘤、 抗衰老、 抗心律失常、 抑制細(xì)胞凋亡、 降糖降脂和增強(qiáng)免疫功能等療效，在醫(yī)藥、 化妝產(chǎn)品、 美容護(hù)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(guó)現(xiàn)在人參栽培主要分布在長(zhǎng)白山脈延伸區(qū)域的撫松、 長(zhǎng)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(gè)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(chǎng)所售人參重金屬超標(biāo)、 農(nóng)殘超標(biāo)和品質(zhì)較差等問(wèn)題，嚴(yán)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(cè)問(wèn)題對(duì)于人參市場(chǎng)的發(fā)展具有重要研究意義。

傳統(tǒng)對(duì)人參識(shí)別以感官經(jīng)驗(yàn)評(píng)審為主，如“五行”“六體”鑒別方法，但是人為因素對(duì)于人參種類和質(zhì)量的精確判斷有很大的影響。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，環(huán)境污染問(wèn)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(huì)在體內(nèi)富集，嚴(yán)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(shí)別和質(zhì)量檢測(cè)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(jiǎn)單和多元素同時(shí)探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)[1]，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于土壤重金屬探測(cè)[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(xué)分析[6]等領(lǐng)域，通過(guò)LIBS技術(shù)和數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)主成分分析方法(principal component analysis，PCA)可實(shí)現(xiàn)待測(cè)樣品的聚類識(shí)別。張大成等[7]利用統(tǒng)計(jì)學(xué)算法對(duì)三種水果中Ca，Na，K，F(xiàn)e，Al和Mg六種元素含量進(jìn)行了比較分析；徐向君等[8]利用LIBS技術(shù)，通過(guò)PCA算法降維聚類處理，結(jié)合支持向量機(jī)算法(support vector machine，SVM)實(shí)現(xiàn)了茶葉品種的快速分類，對(duì)綠茶、 紅茶和白茶達(dá)到了98.3%的識(shí)別率；吳鼎等[9]對(duì)食用油和地溝油進(jìn)行了鑒別分析，利用PCA實(shí)現(xiàn)了較好的聚集分類，主成分累積解釋率可達(dá)到88.986%；Velioglu等[10]利用LIBS結(jié)合PCA實(shí)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(shí)現(xiàn)了四種牛奶的樣品的識(shí)別，前兩個(gè)主成分累積解釋率達(dá)到95%；Myakalwar等[12]利用LIBS結(jié)合多變量最優(yōu)化算法對(duì)藥物片劑進(jìn)行了分類，通過(guò)PCA算法實(shí)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(shí)現(xiàn)了巖石的聚類鑒別，對(duì)于巖屑可到達(dá)100%的識(shí)別精度；Unnikrishnan等[14]利用LIBS技術(shù)結(jié)合PCA算法實(shí)現(xiàn)了有機(jī)塑料的分類，四種有機(jī)塑料PET, PE, PP和PS的識(shí)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(shí)現(xiàn)了金屬、 合金、 雙金屬和混合物的聚類分析。本研究通過(guò)LIBS技術(shù)結(jié)合PCA算法對(duì)人參不同部位和不同地區(qū)人參進(jìn)行了聚類分析，實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同種類人參樣品的識(shí)別，建立了人參樣品中Pb和Cr元素濃度和特征光譜強(qiáng)度的定量分析模型。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 裝置

激光誘導(dǎo)擊穿光譜實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示，激光光源為輸出波長(zhǎng)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(jìn)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(diǎn)在人參表面內(nèi)0.8 mm位置，避免產(chǎn)生空氣等離子體對(duì)人參光譜分析帶來(lái)干擾。激光誘導(dǎo)擊穿人參的等離子體發(fā)射光譜由探測(cè)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(cè)器(1 024×1 024 Pixel，DH334)的Echelle spectrograph光譜儀(Andor，Me5000)進(jìn)行采集，光譜儀焦距為195 mm，光譜分辨率為λ/Δλ～5 000。通過(guò)數(shù)字脈沖延時(shí)發(fā)生器DG645同步觸發(fā)激光器和ICCD探測(cè)器工作，通過(guò)調(diào)節(jié)優(yōu)化激光脈沖與ICCD探測(cè)器之間的時(shí)間延時(shí)，獲得高信背比的人參LIBS光譜信號(hào)。為避免樣品過(guò)度燒蝕，人參樣品固定在三維平移臺(tái)上，沿Z軸方向勻速運(yùn)動(dòng)，使每束激光脈沖作用在樣品表面新的位置。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，室內(nèi)溫度為22 ℃，空氣相對(duì)濕度為25%。

1.2 樣品制備

從市場(chǎng)購(gòu)買6種人參作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，產(chǎn)地分別為吉林省撫松、 長(zhǎng)白、 靖宇、 吉安(大地參和林下參，均做選擇)和懷仁，共5個(gè)產(chǎn)地。為了減小實(shí)驗(yàn)誤差，對(duì)購(gòu)買的人參樣品進(jìn)行預(yù)處理。取人參中間支干部分，使用振動(dòng)研磨機(jī)(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(guò)篩，然后經(jīng)機(jī)械壓片機(jī)(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(zhǎng)白地區(qū)的人參，由上到下分解為老根、 支干和參須三個(gè)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(zhǎng)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(guò)篩后的5g人參粉末進(jìn)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(jìn)行烘干處理，經(jīng)過(guò)振動(dòng)磨研和過(guò)篩，機(jī)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(jī)化合物成分，還有與土壤生長(zhǎng)環(huán)境有關(guān)如Fe，Ca，Na和K等多種元素成分。在人參生長(zhǎng)過(guò)程中，人參不同部位累積的化學(xué)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(zhǎng)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(gè)部分，得到三個(gè)部位的LIBS光譜如圖2(b)所示。每個(gè)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(duì)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(guò)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(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)和主成分提取?；赑CA算法得到了PC1，PC2和PC3三個(gè)主成分向量組成的三維散點(diǎn)圖和主成分累計(jì)方差貢獻(xiàn)率如圖3(a)和圖3(b)所示。

圖2 人參部位實(shí)例及其LIBS光譜(a)：人參三個(gè)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(xiàn)率(a)：不同部位聚類分析；(b)：主成分方差貢獻(xiàn)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(duì)應(yīng)的光譜強(qiáng)度不同；人參三個(gè)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(duì)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(lái)。從圖3(b)的主成分的累積方差貢獻(xiàn)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(duì)人參部位進(jìn)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(duì)產(chǎn)地分別為吉林省撫松、 長(zhǎng)白、 靖宇、 懷仁和吉安(大地園參和林下參，均做選擇)的5個(gè)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(xiàn)率如圖4所示。

圖4 人參產(chǎn)地聚類分析以及主成分貢獻(xiàn)率(a): 聚類分析；(b): 主成分貢獻(xiàn)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(gè)產(chǎn)地6種人參的PCA數(shù)據(jù)點(diǎn)圖成橢圓分布，對(duì)應(yīng)的PC1，PC2和PC3計(jì)算的方差貢獻(xiàn)率都分別在50%，20%和10%附近，PC1，PC2和PC3累積貢獻(xiàn)率之和大于90%，并且對(duì)應(yīng)的人參樣品均發(fā)生了明顯的匯聚現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)了人參產(chǎn)地的聚類分析。對(duì)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(shí)驗(yàn)過(guò)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(shí)時(shí)變化等不確定因素，影響了LIBS光譜強(qiáng)度的穩(wěn)定性。因此，做人參樣品定量分析時(shí)，在相同實(shí)驗(yàn)條件下，采集10次LIBS光譜進(jìn)行平均處理，提高LIBS光譜實(shí)驗(yàn)可靠性。在實(shí)驗(yàn)參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，選取產(chǎn)自長(zhǎng)白地區(qū)的人參作為分析樣品，對(duì)人參中摻雜的Pb和Cr元素進(jìn)行LIBS實(shí)驗(yàn)研究，選取Pb(Ⅰ) 405.78 nm和Cr(Ⅰ) 427.4 nm光譜作為待測(cè)元素分析譜線，對(duì)應(yīng)的Pb和Cr元素的定標(biāo)曲線如圖5所示，得到定標(biāo)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(biāo)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(duì)吉林省五個(gè)產(chǎn)地六種人參進(jìn)行了產(chǎn)地和不同部位聚類分析研究，定量計(jì)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(shí)現(xiàn)人參產(chǎn)地快速聚類識(shí)別、 同一產(chǎn)地的園參與林下參的聚類識(shí)別以及同一株人參的不同部位聚類識(shí)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(duì)人參樣品中含有的重金屬Pb和Cr元素進(jìn)行了定量分析，定標(biāo)曲線擬合系數(shù)R2值分別為0.981和0.986，Pb和Cr的檢測(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明利用LIBS技術(shù)結(jié)合PCA算法可以實(shí)現(xiàn)人參的聚類識(shí)別和人參中重金屬的定量檢測(cè)。