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基于高光谱成像技术的药用胶囊铬含量快速检测方法研究

访问量:1280 发布时间:2022-12-08

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  本研究应用了400-1000nm的高光谱相机,可采用杭州彩谱科技有限公司产品FS13进行相关研究。光谱范围在400-1000nm,波长分辨率优于2.5nm,可达1200个光谱通道。采集速度全谱段可达128FPS,波段选择后最高3300Hz(支持多区域波段选择)。

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  药用明胶空心硬胶囊是一种特殊的药用辅料,其中铬含量是国家卫生标准规定的重要检测指标。铬含量超标的胶囊俗称“毒胶囊”,对人体有很大毒性。目前铬含量测定采用传统的化学分析法。传统铬检测方法耗时,仪器设备昂贵,使用大量的硝酸消解易造成二次污染,且仪器操作需要专业人员完成等。因此,研发便捷、快速的药用胶囊铬含量快速检测方法有重要的应用意义和市场前景。

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  基于高光谱在重金属检测上的可行性本文用常规的原子吸收光谱法对收集到的正常与铬含量超标的MEHGC检测的结果作为对照,再用高光谱采集两种MEHGC的数据,用主成分分析法(PCA)与偏最小二乘法对高光谱数据进行分析,最终建立相关模型,实现对“毒胶囊”的定性检测。


  由于高光谱数据由多个波段图像组成,可把每一幅图像看作一个特征,若对高光谱数据进行降维,将会使得原始数据变化到一个新的坐标系统,以使图像数据的差异达到最大,所得到的结果将会与原来图像相差很大。这一技术对于增强信息含量,隔离噪声及减少数据维数非常有效。对高光谱图像进行PCA 降维后所得到的前4个主成分见图1。


  高光谱图像的优势之处在于不但有图像信息,而且有光谱信息。要得到光谱信息,先对每个样本选择感兴趣区域,每个感兴趣区域有其光谱响应曲线。由于胶囊帽和胶囊体二者之间的颜色不同,为了消除颜色对结果的影响,每个胶囊选择2个感兴趣区域(胶囊帽和胶囊体上各选择一个感兴趣区域),感兴趣区域可在胶囊的高光谱图像上随机选取,每个区域的像素数范围为2~6,最终感兴趣区域的光谱数据计算区域内所有像素的平均值。4种不同区域(分别为正常胶囊和“毒胶囊”的胶囊体和胶囊帽)的光谱曲线见图2。

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  在450~900 nm的高光谱数据中,通过选择感兴趣区域得到正常胶囊和“毒胶囊”的光谱数据,先对其进行归一化处理,再通过PLS-DA对数据降维及判别分析,当选择4个PLS算子作为输入特征时,正常胶囊和“毒胶囊”的识别率达到100%,特异度和敏感度也为100%;由此可知,可用PLS-DA判别方法对正常胶囊和“毒胶囊”进行区分。利用高光谱图像技术对“毒胶囊”检测,可以大大降低传统方法的复杂度。


  除此之外,若要提高可信度,还须用更宽波段的光谱对样本进行检测,例如在荧光或者紫外波段。在对“毒胶囊”进行定性的同时,还需要对其进行定量研究,定量时可考虑制作不同含铬量的明胶模板,找出模板含铬量与光谱数据的相关模型,并以此模型来预测未知"毒胶囊"的重金属铬含量。鉴于"毒胶囊”事件的后续影响,样本比较难找,但为了提高检测的有效性,还需要用多种铬含量的胶囊样本做试验。


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