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基于LIBS和NIR-HSI联用的植物金属元素快速可视化检测方法研究

批准号:
32070399
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
王琦
学科分类:
植物学研究的新技术、新方法
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
王琦

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
植物生长发育需要多种金属元素的参与,实现植物体内金属元素动态分布的可视化检测有着极为重要的生物学意义。然而,目前的检测手段普遍存在过程繁琐、价格昂贵等不足,制约了其在植物研究中的推广使用。激光诱导击穿光谱(LIBS)可视化检测具有精确快速、价格低廉、操作简单等优点,但应用于植物分析会产生严重的基体效应并导致光谱复杂化。基于此,本项目的目标是:1)将近红外高光谱(NIR-HSI)与LIBS联用以解决基体效应影响;2)采用高效数据处理算法解析光谱复杂性。对应的研究如下:①设计微聚焦系统,确定各参数对空间分辨率影响;②联用NIR-HSI和LIBS数据,开发基体效应校正方法;③比对研究3种融合算法,获取最优算法;④结合数据库、数据处理和化学计量学,解析复杂光谱;⑤基于检测平台,研究Cd在水稻中运转和积累规律。上述研究旨在实现植物金属元素的精确、快速和可视化检测,为微尺度植物元素研究提供重要支撑。
英文摘要
The growth and development of plants require the participation of multiple metal elements, and the visual detection of the dynamic distribution of metal elements in plants has extremely important biological significance. However, the current detection methods generally have the disadvantages of tedious processes and high prices, which restrict their popularization and use in plant research. The laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) visual detection has the advantages of accurate, fast, low-cost, and simple operation, but applied to plant analysis will produce serious matrix effects and cause spectrum complication. Accordingly, the aims of this project are: 1) to combine Near Infrared Hyperspectral Imaging (NIR-HSI) with LIBS to resolve matrix effects; 2) to analyze spectral complexity using efficient data processing algorithms. The corresponding research is as follows: ① Design a micro-focusing system to determine the influence of various parameters on spatial resolution; ② Use NIR-HSI and LIBS data to develop matrix effect correction methods; ③ Compare the three fusion algorithms to obtain the optimal algorithm; ④ Combine databases, data processing, and chemometrics to analyze complex spectra; ⑤ Based on the detection platform, the law of Cd operation and accumulation in rice is studied. The above research aims to achieve accurate, rapid, and visual detection of plant metal elements, and to provide important support for micro-scale plant element research.
本项目聚焦植物元素检测领域,创新性地将激光诱导击穿光谱(LIBS)与近红外高光谱(NIR-HSI)技术相结合,致力于突破现有植物元素检测可视化瓶颈。项目严格依计划执行,成功搭建了联用LISB和NIR-HSI的元素成分可视化检测平台,并开发出配套的数据处理和可视化检测软件。在技术研发方面成果方面,优化LIBS和NIR-HSI联用系统,采用VDPSO-CMW等算法进行LIBS波段选择和模型优化,有效削弱了自吸收、谱线干扰等因素的影响,显著提升了元素定量分析模型的精度。例如,在高粱根部Na、Fe元素检测中,经VDPSO-CMW算法优化后,模型的预测精度大幅提高。同时,研发了多种新型数据处理算法,如MWO-BOSS算法在玉米蛋白数据集上表现卓越,VSNN算法有效提升了神经网络模型的预测和解释能力,C-K-S和Im2col-Winograd卷积算法分别在减少卷积层计算复杂度和提高卷积效率方面成效显著。针对高粱根部和水稻叶片开展实验研究,利用生成对抗网络(GAN)和FusionNet网络实现了高粱根部Na元素的精确定量检测;从光谱与光谱融合、光谱与图像融合以及多源信息融合三个角度出发,运用深度学习方法对水稻叶片数据进行处理,不仅实现了Na元素的精确定量可视化检测,还深入探究了其在叶片中的分布规律和运转规律。此外,开发的高光谱可视化处理软件Alpha-HSI-Editor-v1.0具备强大功能,可高效处理高光谱图像。项目在成果产出方面,发表11篇相关论文,涵盖多个领域知名期刊;获得4项发明专利和3项软件著作权;培养了4名优秀研究生。这些成果为植物元素检测提供了先进的技术手段和理论支持,有力推动了该领域的发展。
水稻重金属的MA-LIBS快速微区扫描痕量检测方法研究
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