GH T 1337-2021 籽棉杂质含量快速测定 近红外光谱法.pdf

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1、 ICS 65.040.20 CCS B 93 GH 中华人民共和国供销合作行业标准 GH/T 1337 2021 籽棉杂质含量快速测定 近红外光谱法 Rapid determination of impurity content of seed cotton Near infrared spectroscopy 2021-07-07 发布 2021-10-01 实施 中华全国供销合作总社 发布 GH/T 1337 2021 I 目 次 前 言 . II 1 范围 . 1 2 规范性引用文件 . 1 3 术语和定义 . 1 4 原理 . 2 5 仪器与软件 . 3 6 参照 光谱数据库 建设

2、. 4 7 未知样品的 检测 分析步骤 . 6 8 检测报告 . 7 附 录 A . 8 附 录 B . 9 GH/T 1337 2021 GH/T 1337 2021 II 前 言 本 文件 按照 GB/T 1.1-2020标准化工作导则 第 1部分：标准化文件的结构和起草规则 的规则起 草。 本 文件 由 全国棉花加工标准化委员会 提出。 本 文件 由全国棉花加工标准化委员会 (SAC/TC 407)归口。 本 文件 起草单位：安徽财经大学 、 石河子大学 、 安徽寿县银丰棉业有限责任公司 、 新疆乌鲁木齐市 检验检测中心、 中华全国供销合作总社郑州棉麻工程技术设计研究所、 安庆市纤维检验

3、所 、 芜湖市纤维 检验所 、 山东天鹅棉业机械股份有限公司 。 本 文件 主要起草人： 周万怀、徐守东、刘从九、 张若宇、 李浩、张雪东、梁后军 、张梦芸 、张恒军 、 陈兆顺、 刘思佳、 李孝华、 陈卫东 、 高海强、李怀坤 、 张志权 。 GH/T 1337 2021 1 籽棉杂质含量快速测定 近红外光谱法 1 范围 本 文件描述了 快速测定籽棉中植物性杂质含量的近红外光谱法 的术语和定义、原理、仪器与软件、 光谱 数据库 构建 、未知样品检测分析步骤和 检测 报告的要求 。 本 文件 适用于棉花收购和加工 环节的 籽棉植物性杂质检测。 2 规范性引用文件 下列文件中的内容通过文中的规范

4、性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件， 仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本 文件。 GB1103.1 棉花 第 1部分： 锯齿加工细绒棉 GB1103.2 棉花 第 2部分：皮辊 加工细绒棉 GB/T 6499 原棉含杂率试验方法 GB/T 8170 数值修约规则与极限数值的表示和判定 GB/T 29858 分子光谱多元校正定量分析通则 GB/T 32199 红外光谱定性分析技术通则 GB/T 37969 近红外光谱定性分析通则 3 术语和定义 GB1103.1界定的以及 下列术语和定义适用于本 文件 ： 3.1 近红

5、外 光 near infrared 波长为 780 mm2500 nm的电磁波 。 来源： GB/T 37969-2019， 1，有修改 3.2 漫反射 光谱 diffuse reflection spectrum 辐射光在样品表面或表面以下沿多个方向分散 反射。 来源： GB/T 32199-2015， 6.6， 有修改 3.3 光谱数据库 spectral database 用来管理既有光谱数据及其相关的样品、模型等信息的数据库系统软件 。 3.4 GH/T 1337 2021 2 光谱匹配 spectral matching 按照特定 算法 计算不同光谱曲线之间的相似程度 或距离大小 的

6、过程 。 3.5 光谱匹配算法 spectral matching algorithm 光谱匹配的数学原理，通常 根据 光谱匹配过程中使用的信息类别将光谱匹配算法分为 特征峰匹配 算 法 和全光谱匹配 算法 两类。 3.6 全光谱匹配 算法 full spectral matching algorithm 基于光谱中所有数据点信息计算光谱匹配度或距离的数学方法。 3.7 籽棉 植物性 杂质 botanical impurity of seed cotton 籽棉中含有的非籽棉的植物性物质 。 注： 如 棉枝、棉叶、棉铃壳等。 3.8 籽棉 植物性 杂质 含量 botanical impurit

7、y content of seed cotton 样品 中籽棉 植物性杂质 质量对其 样品 总 质量 的 百分比 。 3.9 参照样品 reference samples 存储在 光谱 数据库中 用来 作为参考标准的样品，其光谱和 植物性杂质 含量 已知 并存于数据库中 。 3.10 未知 样品 unknown samples 植物性杂质 含量 未知的 籽棉 样品。 4 原理 4.1 基本原理 利用样品中含有的 非谐性高的含氢化学键，如 ： O-H、 N-H、 C-H等， 以漫反射方式 （见附件 A） 获得 籽棉样品在近红外区域 的漫反射吸光度光谱 。 建立相应光谱数据库并搜集参照样品 近红外

8、光谱及其植物 性杂质含量 信息。在分析阶段， 通过光谱匹配算法在光谱数据库中检索与待测样品 光谱 相似度高的参照 样品， 从而实现对 待测样品 植物性杂质含量的快速 检测 。 4.2 光谱匹配算法 GH/T 1337 2021 3 两条光谱 S1、 S2之间的杰卡德相似度 （原理见附录 B） 如公式（ 1）所示： 12( , ) pqSi m S S p q r s （ 1） 式中： Sim(S1,S2) 光谱 S1与光谱 S2的相似度； p 光谱 S1、 S2在相同波段 的一阶导数均大于零的累计次数； q 光谱 S1、 S2在相同波段 的一阶导数均小于零的累计次数； r 在相同波段 光谱 S

9、1的一阶导数大于零且光谱 S2的一阶导数小于零的累计次数； s 在相同波段 光谱 S1的一阶导数 小 于零且光谱 S2的一阶导数大于零的累计次数。 5 仪器与软件 5.1 光谱 仪 光谱仪技术参数应不低于表 1所示的参数需求 。 表 1 光谱仪 技术参数 需求 波段范围 nm 工作温度范围 光源寿命 h 有效检测距离 mm 测量时间 s 分辨率 nm 信噪比 波长准确性 nm 涵盖 900 1650 -2050 20000 03 1 12.5 20000:1 1 5.2 样品池 样品池宜采用圆柱 体 或长方 体 外形 的容器 、容积应介于 0.015 m30.020 m3之间、 样品池内部应涂

10、有 反射率 不低于 95%的涂层，样品池 的推荐技术参数见表 2。 表 2 推荐 样品池规格参数 规格参数或属性 形状 底面半径（内径） cm 圆柱高度 cm 样品池材质 样品池壁厚 mm 涂层材料 具体 要求 圆柱体 17 20 不锈钢 2 聚四氟乙烯 5.3 软件 5.3.1 光谱采集软件 与光谱仪配套 的 软件 ， 应 具备 以下基本功能： a） 仪器自检 ； b） 仪器 参数 调整与 设置 ； GH/T 1337 2021 4 c） 仪器 校正 ； d） 光谱数据采集 ； e） 常用 光谱 预处理 ，如 ：数据 格式转换、波段选择和 分辨率调整 等 功能 。 5.3.2 光谱数据库系统

11、 针对近红外光谱及其样品信息管理而设计的 软件 系统，应具备以下基本 数据处理方法和 功能： a） 存储和管理参照 样品理化属性和近红外光谱 ； b） 常用光谱预处理方法 ； c） 常用定量建模算法； d） 光谱求导 ； e） 导数光谱二值化 ； f） 波段截取； g） 光谱特征提取； h） 基于杰卡德相似原理的 光谱匹配与查询 ； i） 待测样品分析等功能 。 6 光谱 数据库 构建 6.1 光谱 数据库软件 准备 符合 5.3.2条 功能要求的光谱数据库系统均可 用 做 籽棉植物性杂质含量快速测定近红外光谱数据库 系统 （以下简称系统） 。 6.2 参照样品选择 和制备 按照 GB/T 2

12、9858中所规定的校正样品选择方法和 GB 1103.1、 GB 1103.2中 所 规定的籽棉抽样方法 选 取参照样品 。 6.3 光谱采集前的准备 6.3.1 仪器自检 6.3.1.1 光谱仪 开机。 6.3.1.2完成仪器状态自检。 6.3.2 仪器预热 6.3.2.1 调整 光谱仪 参数 与光谱采集模式 。 6.3.2.2 预热 光谱仪 30 min以上，确保 光谱仪 处于稳定的工作状态。 6.3.3 仪器 校正 使用 与光谱仪配套的 光谱采集软件 校正 光谱仪 。 GH/T 1337 2021 5 6.3.4 光谱仪 稳定性检验 6.3.4.1 选取 3个以上的 样品 ， 应使 植物

13、性杂质含量高、中、低均被 涵盖 。 6.3.4.2 将样品均匀装入样品池。 6.3.4.3 在 检测窗口上 至少 均匀选择 3个检测点位。 6.3.4.4 在每个检测点位 至少 重复采集 5条光谱 。 6.3.4.5 按相关算法计算波长重复性， 若不满足要求则进行 原因 排查，直至 满足重复性要求。 6.4 采集 参照 样品光谱 6.4.1 采集暗 场光谱 。 6.4.2 采集背景光谱 。 6.4.3 将样品均匀装入 5.2所述的样品池中 。 6.4.4 采集样品光谱， 对于同一样品 应 至少 从 3个不同位置采集光谱 取 平均 值 。 6.4.5 重复 6.4.16.4.4条 ，直至所有样品

14、光谱采集完毕。 6.5 检测 参照 样品植物性杂质 含量 6.5.1 样品 称重： 使用 符合 GB/T 6499 规定的 天平、台秤或案秤 （下同） 称量 样品 总重量 。 6.5.2 粗 大杂质 分离与称重： 手工挑拣体积较大的植物性杂质 ，如：棉枝、棉铃壳 、大叶片 等 ， 对搜集 到的粗大的植物性杂质称重 。 6.5.3 试轧清杂：清理试轧机 、 试轧 样品 、 分别搜集皮棉和 籽棉 植物性 杂质， 对搜集到的植物性杂质称 重 。 6.5.4 按 GB/T 6499 中 规定 的 方法分离 皮棉 中的杂质 , 分离 植物性杂质 并称重 。 6.5.5 按式（ 2）计算籽棉植物性杂质 含

15、量 计算。 100%a b cW W WZ W （ 2） 式中： Z 籽棉植物性杂质 含量 ， %； W 单个 样品 的总重量，单位为克（ g）； Wa 手动挑拣的大杂重量，单位为克（ g）； Wb 试轧阶段分离的植物性杂质重量 ，单位为克（ g）； Wc 杂质分析阶段分离的植物性杂质 重量，单位为克（ g）。 6.5.6 按 GB/T 8170 将 籽棉植物性杂质 含量 计算结果修约至 1 位小数。 6.6 参照样品信息入库 根据 系统 工作流程完成参照样品信息入库，典型 入库流程如图 1所示： GH/T 1337 2021 6 图 1 参照样品集光谱入库流程 7 未知样品的 检测 分析步骤

16、 7.1 样品抽取 按 GB 1103.1、 GB 1103.2中所规定的籽棉抽样方法 抽取样品 。 7.2 光谱采集前的准备 按 6.3所述步骤完成光谱采集前的准备工作。 7.3 采集 未知 样品光谱 按 6.4.16.4.4完成样品光谱采集。 7.4 测试 分析 根据系统流程自动完成测试分析。典型的 测试 分析流程如图 2所示： GH/T 1337 2021 7 图 2 测试 分析流程 8 检测报告 检测报告 至少应 包括 以下信息： a） 样品 的植物性杂质 含量 ； b） 样品 的编号、参照样品列表 ； c）检测 日期 ； d） 光谱采集位点数量、各位点 的 光谱 扫描次数 e） 光谱

17、仪型号、检测范围 等 。 GH/T 1337 2021 8 附 录 A (资料性 ) 近红外 漫反射分析 原理 漫反射光谱分析 是 依据光的散射规律利用漫反射光 谱进行的分析 ， 原理如图 A.1所示 。 一部分入射 光在样品表面发生镜面反射（ S） ,这一部分反射光谱不承载任何样品信息，在分析过程中应尽可能的避 免；另外一部分光进入样品，在样品内部经过多次折射、反射、透射、散射和吸收后返回样品表面 （ D） ， 这种反射光谱的方向不定，因此 称为 漫反射光。漫反射光承载了样品信息， 可用于分析样品属性。 样品的漫反射率 R取决于样品的吸收系数 K与散射系数 S的比值 K/S，可用公式（ A.

18、1）表示。 212K K KR S S S （ A.1） 散射系数 S主要取决于样品的物理特性，如样品松紧度、粒度、入射光角度和样品厚度等；吸收系 数 K主要取决于样品的化学属性，受环境影响较小， 与样品成分浓度 c成正比。 图 A.1 近红外漫反射光谱原理 标引序号 说明： 1 S为镜面反射光 ； 2 D为漫反射光 。 近红外漫反射分析中常用 漫反射吸光度 A作为近红外光谱分析的参数，其可表示为式（ A.2）。 21 l g l g 1 2K K KA lg R R S S S （ A.2） GH/T 1337 2021 9 附 录 B (资料性 ) 杰卡德相似性原理 杰卡德相似系数用于计算不同集合之间重合度 , 两个集合之间的杰卡德相似系数按 式（ B.1） 计算 ： |( , ) ABJ A B AB （ B.1） 式中： J(A,B) 集合 A与集合 B之间的杰卡德相似系数； A 集合 A； B 集合 B。