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    利用比色光譜法快速檢測(cè)白菜中有機(jī)磷農(nóng)藥殘留

    2017-11-15 20:14:57李文李民贊孫明
    江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué) 2017年17期
    關(guān)鍵詞:粒子群優(yōu)化算法支持向量機(jī)

    李文+李民贊+孫明

    摘要:提出一種基于比色光譜的農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)新方法。使用優(yōu)化后的乙酸氯化鈀溶液作為比色劑,提取白菜中樂果、氧樂果、毒死蜱的殘留量進(jìn)行種類識(shí)別,在0.05~90.00 mg/kg濃度范圍內(nèi),用去離子水對(duì)3種農(nóng)藥分別配制40個(gè)樣本,與等量的氯化鈀溶液發(fā)生比色反應(yīng),生成黃色絡(luò)合物硫化鈀,用分光光度計(jì)采集吸光度圖譜。利用每種農(nóng)藥的比色光譜特征建立支持向量機(jī)(support vector machine,簡(jiǎn)稱SVM)分類識(shí)別模型,引入粒子群優(yōu)化算法(particle swarm optimization,簡(jiǎn)稱PSO)減小運(yùn)算量。結(jié)果表明,用乙酸作為氯化鈀溶劑的吸光圖譜可以在300~900 nm波段區(qū)分005 mg/kg的農(nóng)藥濃度。在2-折交叉驗(yàn)證下,訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的識(shí)別準(zhǔn)確率分別達(dá)到100%、98.333 3%。該方法比色試劑配制簡(jiǎn)單、操作安全,為進(jìn)一步開發(fā)有機(jī)磷農(nóng)藥殘留快速檢測(cè)儀器提供新思路。

    關(guān)鍵詞:含硫有機(jī)磷;分類識(shí)別;粒子群優(yōu)化算法;支持向量機(jī)

    中圖分類號(hào): O657.3;S481+.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼: A文章編號(hào):1002-1302(2017)17-0168-04

    近年來,我國(guó)因?yàn)E用有機(jī)磷農(nóng)藥引起的食品安全問題引起人們?cè)絹碓蕉嗟闹匾?。部分菜農(nóng)和生產(chǎn)商受商業(yè)利益的驅(qū)動(dòng),違反規(guī)定不合理用藥,或者使用國(guó)家禁止的高毒藥。有機(jī)磷農(nóng)藥品種繁多,對(duì)人體的危害作用從劇毒到低毒不等。不同種類的有機(jī)磷農(nóng)藥中毒急救方法不同,因此,研究有機(jī)磷農(nóng)藥的快速分類識(shí)別具有重要意義。

    我國(guó)2014年發(fā)布的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 2763—2014《食品安全國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)食品中農(nóng)藥最大殘留限量》[1]規(guī)定,蔬菜中有機(jī)磷農(nóng)藥的標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)方法是氣相色譜和氣相色譜-質(zhì)譜等理化方法。這類方法檢測(cè)精度高,一次可以檢測(cè)多種農(nóng)藥,但儀器昂貴,檢測(cè)步驟復(fù)雜,需要專業(yè)人員在實(shí)驗(yàn)室操作[2-5]。目前,國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上快速檢測(cè)儀器的主流技術(shù)是酶抑制法,利用了有機(jī)磷農(nóng)藥在有機(jī)體內(nèi)抑制膽堿酯酶,使其失去分解乙酰膽堿的能力,造成乙酰膽堿積累的原理,使用乙酰膽堿酯酶在乙酰膽堿作用下可以產(chǎn)生膽堿和乙酸的反應(yīng)特性,根據(jù)指示劑顏色或反應(yīng)液pH值的變化,達(dá)到檢測(cè)有機(jī)磷農(nóng)藥的目的。酶抑制法因簡(jiǎn)便、快速等特點(diǎn),在我國(guó)、美國(guó)、加拿大、日本等多個(gè)國(guó)家使用,將酶試劑盒或試紙條作為普查農(nóng)藥殘留和田間實(shí)地檢測(cè)的基本手段。但是該方法也存在較大局限性,檢測(cè)用酶主要來源于動(dòng)物的乙酰膽堿酯酶[6-7],動(dòng)物酶源提取不便、產(chǎn)量低、檢測(cè)成本高,大大限制了其在快速檢測(cè)中的應(yīng)用。

    近年來,光譜技術(shù)在檢測(cè)農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)和安全方面被廣泛應(yīng)用[8-10],支持向量機(jī)(support vector machine,簡(jiǎn)稱SVM)具有學(xué)習(xí)速度快、適合處理高維數(shù)據(jù)、優(yōu)化問題存在唯一的極小點(diǎn)等優(yōu)點(diǎn),在種類或參數(shù)的分類檢測(cè)中結(jié)合其他技術(shù)具有很大優(yōu)勢(shì)[11-12],但是SVM結(jié)合光譜技術(shù)用于有機(jī)磷農(nóng)藥種類識(shí)別的研究并不多。因此,筆者在前期研究的基礎(chǔ)上[13],選取氧樂果、毒死蜱和樂果,利用3種農(nóng)藥都含有硫基,與氯化鈀乙酸溶液反應(yīng)生成黃色絡(luò)合物硫化鈀原理,探索含硫基類有機(jī)磷農(nóng)藥分類識(shí)別的新方法。利用不同農(nóng)藥的光譜數(shù)據(jù)特征建立SVM分類模型,在確定懲罰參數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)g的最優(yōu)值環(huán)節(jié)中,引入粒子群優(yōu)化算法(partical swarm optimization,簡(jiǎn)稱PSO)和常規(guī)交叉驗(yàn)證(cross validation,簡(jiǎn)稱CV)法進(jìn)行對(duì)比,既有效減小了計(jì)算量[14-15],又提高了識(shí)別準(zhǔn)確度。該分類識(shí)別方法結(jié)合筆者已經(jīng)建立的3種農(nóng)藥各自的定量預(yù)測(cè)模型[16],可以實(shí)現(xiàn)微量農(nóng)藥定性定量的完整檢測(cè)。

    1材料與方法

    1.1試驗(yàn)儀器

    UV-2450紫外/可見/分光光度計(jì),購自日本島津集團(tuán),分辨率為0.1 nm,可用于檢測(cè)各種有機(jī)、無機(jī)固體或液體的光學(xué)特性。該儀器具有測(cè)量速度快、測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確等特點(diǎn),主要利用可見光波段進(jìn)行研究,選定測(cè)量波長(zhǎng)范圍是300~900 nm。采集的數(shù)據(jù)上傳至計(jì)算機(jī),利用UVPRO軟件進(jìn)行光譜預(yù)處理。

    1.2 材料與試劑

    考慮到3種農(nóng)藥市售多是乳油型,為使研究更具有實(shí)用性,選用40%的氧樂果、毒死蜱、樂果乳油農(nóng)藥(北京嘉禾種業(yè)有限公司),去離子水,冰乙酸(分析純),氯化鈀晶體,乙醇(分析純),均購自北京藍(lán)弋化工產(chǎn)品有限責(zé)任公司。白菜購自北京超市中的無公害蔬菜專柜。

    對(duì)每種農(nóng)藥,用去離子水在0.05~90.00 mg/kg范圍內(nèi)配制相同濃度的40個(gè)樣本,共計(jì)120個(gè)樣本。稱取1 kg白菜樣品洗凈、晾干后,切碎、榨汁,備用。

    氯化鈀粉末1.25 g,加入15 mL的冰乙酸,振蕩、攪拌 5 min,加去離子水稀釋至250 mL,水浴45 ℃下放置30 min,充分溶解成橙黃色液體,配成0.5%的氯化鈀乙酸溶液。取每1個(gè)農(nóng)藥樣本10 mL與5 mL白菜汁液充分混合后,加入 5 mL 乙醇稀釋,超聲攪拌30 min,過濾。取上清液5 mL,分別和2 mL的氯化鈀溶液反應(yīng)2 min,滴入比色皿采集吸光度譜圖。

    分光光度計(jì)調(diào)節(jié)零點(diǎn)的方法:將配制好的氯化鈀乙酸溶液放入2個(gè)比色皿中進(jìn)行掃描儀調(diào)零,其中1個(gè)始終作對(duì)比,以消除比色皿和氯化鈀底液的影響。

    2結(jié)果與分析

    2.13種農(nóng)藥吸光度譜圖分析

    因篇幅所限,圖1僅給了40個(gè)氧樂果樣本在300~900 nm 波段的相對(duì)吸光度圖譜。由圖1可以看出,在可見光波段的譜線比較平滑,可以區(qū)分最小濃度為0.05 mg/kg的農(nóng)藥樣本,但在紫外和近紅外波段受到較強(qiáng)的干擾,難以區(qū)分。氧樂果的濃度和比色光譜的相對(duì)吸光度呈正相關(guān)關(guān)系,且濃度差越大,吸光度相差越大,譜線的區(qū)分越明顯。這是因?yàn)闃颖緷舛戎翟酱?,和氯化鈀發(fā)生比色反應(yīng)后產(chǎn)生的黃色絡(luò)合物硫化鈀越多,顏色的變化越明顯。90 mg/kg樣本的譜線走勢(shì)已經(jīng)發(fā)生較大變化,因此,不再使用濃度超過90 mg/kg的樣本作為建模數(shù)據(jù),另外2種農(nóng)藥選定的濃度范圍原因與之相同。endprint

    由于高頻段存在較大的背景噪聲,原始數(shù)據(jù)的低波長(zhǎng)部分所受干擾非常多,特別是高濃度段的樣品,在進(jìn)行光譜掃描時(shí),很容易出現(xiàn)相對(duì)吸光度突然失真,相對(duì)吸光度跳變到5(最大值),從而出現(xiàn)一定程度的數(shù)據(jù)失真。此外,在400~450 nm之間,也受到一定程度的干擾,曲線上疊加了噪聲。因此,有必要對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。

    2.2光譜預(yù)處理

    UV-2450分光光度計(jì)自帶軟件UVPRO可有效消除原始光譜圖中因系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差引起的光譜測(cè)量數(shù)據(jù)的噪聲、光譜信號(hào)基線漂移和基線旋轉(zhuǎn)。為進(jìn)一步獲取高信噪比、低背景干擾的分析信號(hào),采用卷積平滑(savitzky-golay,簡(jiǎn)稱SG)方法對(duì)40個(gè)氧樂果樣本的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。因?yàn)?300~360 nm波段的這部分高頻信息,大部分是由于試驗(yàn)儀器以及試驗(yàn)過程中的一些操作不當(dāng)造成的,是無效的,因此預(yù)處理及建模時(shí)不再包含這部分光譜。

    在360~900 nm波段進(jìn)行SG平滑以后,有效濾除了高頻部分的干擾,反映了數(shù)據(jù)的總體規(guī)律。隨著SG窗口寬度的增大,曲線越來越光滑,但光滑性增強(qiáng)的同時(shí)也會(huì)造成失真,甚至有可能丟掉可以為后面校正檢測(cè)模型提供有效信息的數(shù)據(jù)。平滑窗口寬度的選取,要綜合考慮曲線的光滑性和失真程度,通過反復(fù)比較,選取窗口寬度F=15的SG處理,處理后的效果如圖2所示。

    為方便觀察和對(duì)比,圖3僅列出在300~900 nm波段,濃度為0.5 mg/kg的3種農(nóng)藥在發(fā)生比色反應(yīng)后的相對(duì)吸光度圖譜。在350~550 nm波段,3種農(nóng)藥的相對(duì)吸光度圖譜形狀發(fā)生了較大變化。比如在380~450 nm波段,毒死蜱的相對(duì)吸光度在3種農(nóng)藥中是最高的,而在其他波段比較低,通過計(jì)算3種農(nóng)藥比色光譜的相關(guān)系數(shù),選用380~580 nm波段作為區(qū)分農(nóng)藥種類的特征波段,建立分類識(shí)別模型。

    2.2SVM分類模型

    決定SVM三分類識(shí)別模型質(zhì)量的主要因素有建模數(shù)據(jù)的歸一化處理、核函數(shù)類型、懲罰參數(shù)c、核函數(shù)參數(shù)g的值,同時(shí)參考支持向量數(shù)。在上述參數(shù)效果相同的情況下,支持向量數(shù)越小,所建模型的泛化能力越強(qiáng)。在120個(gè)樣本中,規(guī)定氧樂果、毒死蜱、樂果的標(biāo)簽分別為0、1、2。用10次2-折交叉驗(yàn)證的平均值檢測(cè)模型對(duì)訓(xùn)練集和驗(yàn)證集分類識(shí)別的準(zhǔn)確度。懲罰參數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)g的取值是決定模型精度的重要因素,分別使用CV法、PSO法尋找最佳c值和g值。

    2.2.1交叉驗(yàn)證法建模數(shù)據(jù)分別使用原始數(shù)據(jù)、歸一化為[0,1]以及歸一化為[-1,1],核函數(shù)分別使用線性Line、多項(xiàng)式Poly、徑向基函數(shù)(radial basis function,簡(jiǎn)稱RBF)和Sigmend函數(shù)進(jìn)行對(duì)比。首先使用常規(guī)的交叉驗(yàn)證選擇方法,用網(wǎng)格劃分來尋找最佳值,可以先對(duì)c值、g值大范圍粗略搜索,然后確定小范圍精細(xì)搜索。將c值、g值的搜索空間分別設(shè)定的范圍:c=[2-3,212],g=[2-12,21]。利用2-折交叉驗(yàn)證法會(huì)造成不同的c和g都對(duì)應(yīng)最高的準(zhǔn)確率,雖然較高的懲罰參數(shù)c能使驗(yàn)證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確率提高,但過高的懲罰參數(shù)c會(huì)造成過學(xué)習(xí)狀態(tài),往往導(dǎo)致最終測(cè)試集合的準(zhǔn)確率并不是很理想,因此c值不能設(shè)置太高。在保證精確度的前提下,把具有最小c值的那組c值、g值認(rèn)為是最佳的c值和g值。

    結(jié)合不同的核函數(shù),運(yùn)行程序產(chǎn)生最佳c值、g值和測(cè)試集合的精確度(精確度=分類正確的樣本數(shù)/測(cè)試集總樣本數(shù)×100%)。徑向基核函數(shù)(RBF)與線性函數(shù)、多項(xiàng)式函數(shù)相比表現(xiàn)出較大優(yōu)勢(shì),RBF作為核函數(shù),原始數(shù)據(jù)歸一化為[-1,1]時(shí),程序運(yùn)行的最佳參數(shù)c=4,g=0.031 25,此時(shí)交叉驗(yàn)證的精確度達(dá)到95%。圖4、

    2.2.2粒子群優(yōu)化算法PSO算法最早由Kennedy和Eberhart在1995年提出的。算法中的每1個(gè)粒子都代表問題的1個(gè)潛在解,用位置、速度、適應(yīng)度值這3個(gè)指標(biāo)表示該粒子的特性。每1個(gè)粒子對(duì)應(yīng)1個(gè)由適應(yīng)度函數(shù)決定的適應(yīng)度值,粒子速度決定粒子移動(dòng)的方向和距離,粒子隨自身及其他粒子移動(dòng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,從而實(shí)現(xiàn)個(gè)體在可解空間中的尋優(yōu)。

    假設(shè)在D維空間搜索,由n個(gè)粒子組成種群X=(X1,X2,…,Xn),其中第i個(gè)粒子表示為1個(gè)D維粒子速度和位置,從而根據(jù)新種群中粒子適應(yīng)度值更新個(gè)體極值和群體極值。

    Vidk+1=ωVidk+c1r1(Pidk-Xidk)+c2r2(Pkgd-Xkid);(1)

    Xk+1id=Xkid+Vk+1id。(2)

    式(1)、式(2)中,向量Xi=(xi1,xi2,…,xiD)T表示第i個(gè)粒子在D維搜索空間中的位置,即代表問題的1個(gè)潛在解。d=1,2,…,D;i=1,2,…,n;k為當(dāng)前的迭代次數(shù);Vid為第i個(gè)粒子的速度;Pid為第i個(gè)粒子目前已計(jì)算得到的最優(yōu)位置;Pgd為所有粒子目前已計(jì)算得到的最優(yōu)位置;ω是慣性權(quán)重;c1、c2是加速度因子,為非負(fù)的常數(shù);r1和r2是分布于[0,1]的隨機(jī)數(shù)。

    首先要對(duì)粒子和速度初始化,選用合適的函數(shù)計(jì)算粒子適應(yīng)度。根據(jù)初始粒子的適應(yīng)度確定個(gè)體極值和群體極值,根據(jù)式(1)、式(2)進(jìn)行更新。

    本研究中采用的適應(yīng)度函數(shù)為Ackley函數(shù)表達(dá)式,適應(yīng)度為函數(shù)值,種群粒子數(shù)為20,每個(gè)粒子的維數(shù)為2,算法迭代進(jìn)化次數(shù)為200。

    2.3建模效果分析

    由表1可以看出,訓(xùn)練集的識(shí)別準(zhǔn)確率始終可以達(dá)到100%。訓(xùn)練集的準(zhǔn)確率沒有受到數(shù)據(jù)的歸一化處理方法、核函數(shù)類型及參數(shù)c、g影響,始終是100%。但驗(yàn)證集的識(shí)別準(zhǔn)確率變化很大,原始數(shù)據(jù)直接建模和數(shù)據(jù)歸一化處理后再建模相比,歸一化處理后效果較好。2種歸一化方法和不同的核函數(shù)建立的模型各有優(yōu)缺點(diǎn),參數(shù)g值始終為001,基本不變。綜合考慮,支持向量數(shù)和懲罰參數(shù)c越小越好,可以得出以下結(jié)論:RBF作為核函數(shù),原始數(shù)據(jù)歸一化為[-1,1]時(shí),程序運(yùn)行的最佳參數(shù)c=2.685 7,g=0.01。利用PSO尋優(yōu)的適應(yīng)度曲線如圖6所示,此時(shí)最佳適應(yīng)度為96666 7%。endprint

    將c=2.685 7、g=0.01作為最佳參數(shù)確定的模型,對(duì)訓(xùn)練集和驗(yàn)證集分別進(jìn)行檢驗(yàn),這時(shí)支持向量數(shù)為30,訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的識(shí)別準(zhǔn)確度最高可以達(dá)到100%、98.333 3%(59/60)(圖7、圖8)。因此, 引入PSO算法不僅減小了運(yùn)算

    量,而且提高了預(yù)測(cè)精度。

    3結(jié)論

    使用優(yōu)化的乙酸氯化鈀溶液作為比色試劑,對(duì)白菜汁中含硫有機(jī)磷農(nóng)藥氧樂果、毒死蜱、樂果進(jìn)行比色反應(yīng)試驗(yàn),吸收光譜可以用來區(qū)分0.05 mg/kg的濃度,利用380~580 nm波段的光譜數(shù)據(jù)特征區(qū)分3種農(nóng)藥。該方法所用試劑配制簡(jiǎn)單、操作安全,為進(jìn)一步開發(fā)農(nóng)殘快速檢測(cè)儀器提供新方法。

    利用3種農(nóng)藥在0.05~90.00 mg/kg濃度內(nèi)配制的120個(gè)樣本數(shù)據(jù)建立SVM三分類模型。模型的預(yù)測(cè)精度和歸一化處理方法、不同的核函數(shù)有關(guān)。引入粒子群優(yōu)化算法確定參數(shù)c和g的最佳值,和常規(guī)CV法相比,提高了程序的運(yùn)行速度和預(yù)測(cè)精度。在最佳參數(shù)c=2.685 7、g=0.01建立模型且在支持向量數(shù)較小的情況下,取10次2-折交叉驗(yàn)證的平均值,訓(xùn)練集和驗(yàn)證集的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率分別達(dá)到100%、98.333 3%,證明這種方法在微量有機(jī)磷農(nóng)藥種類識(shí)別中的可行性。

    該方法是在對(duì)有機(jī)磷農(nóng)藥分類識(shí)別的基礎(chǔ)上,結(jié)合每種農(nóng)藥樣本數(shù)據(jù)建立的定量預(yù)測(cè)模型,可以實(shí)現(xiàn)農(nóng)藥定性定量的完整檢測(cè);樣本預(yù)處理步驟簡(jiǎn)單,比色反應(yīng)時(shí)間是2 min,滿足快速、安全的檢測(cè)要求;從原理上講,可以推廣到其他含硫有機(jī)磷農(nóng)藥的識(shí)別中。該試驗(yàn)考慮到了白菜汁液的成分和顏色對(duì)液體農(nóng)藥的影響,具有很強(qiáng)的實(shí)用性。

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