一种运用热重分析仪测定木质纤维素植物化学成分含量的方法技术

本发明专利技术涉及一种运用热重分析仪快速测定木质纤维素植物化学成分含量的方法。本发明专利技术用热重分析仪对校正样品集进行程序升温处理，得到校正样品集的热重曲线，用标准方法测定校正样品集的目标指标含量，作为参考值，运用偏最小二乘法法将校正样品集热重曲线和参考值相结合建立校正模型，将待测样品热重曲线代入此校正模型进行计算，得到待测样品目标指标含量。本发明专利技术相对常规湿化学分析具有时间短、速度快、分析结果准确，样品需求量少等特点。本发明专利技术有效地解决传统分析方法步骤繁琐、时间长、成本高、效率低的问题，并且可进行微量分析和批量分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种在木质纤维素植物化学成分分析过程中，通过化学计量学建模得到植物化学成分含量和其热重曲线相关的数学模型，利用此模型对待测样品的热重曲线分析，快速得到其化学成分含量的一种方法，这种分析方法需求样品少、分析快速、准确，属于木质纤维素植物分析测试领域。
技术介绍
木质纤维素植物的化学成分含量测定，是合理利用植物资源、正确评估其使用价值和加工方法，将其有效的应用于纺织麻脱胶、造纸制浆、生物乙醇发酵预处理的必要前提。常规植物化学成分含量测试方法普遍采用湿化学分析处理，分析方法步骤繁杂、使用仪器和药品多、分析周期长且样品量需求较多等弊端，由于分析步骤繁杂，在分析过程中需要大量分析测试人员的全程坚守，也不利于工作效率的提高。因此采用常规分析方法在面对大批量样品的分析时，其弊端更加凸显出来。例如在纺织领域，如采用国家纺织标准“GB5889-86苎麻化学成分定量分析方法”对样品进行分析，需要分别对其含水率、脂蜡质、果胶、半纤维素、木质素、纤维素、灰分和含胶率等8个成分分别进行测试分析。且部分成分测试，如木质素，又需要几个小分实验测试来得到结果。正常一个样品的全部化学成分分析需要一个周的时间来完成。在一些分析样品需求比较大的情况，如种质研究过程中对培育的多种品种植物的评价和脱胶厂对多批量不同来源的麻类原料进行成分分析，每年均需要对数十以至上百种样品进行分析测试。仅此一项分析，就需要1-2位分析测试人员全年进行工作来完成，且由于其分析周期长，分析结果的不及时经常影响工厂的生产。另外，对一个样品的测试分析，需要消耗大约20g原料才能得到所有的化学成分数据，大量的样品消耗一方面增加分析成本及分析测试人员的负担；另一方面，则不能对少量的样品进行分析。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种通过化学计量学建模得到植物化学成分含量和其热重曲线的数学模型，利用此模型对待测样品的热重曲线分析，快速得到其化学成分含量的一种方法，其分析原理为：植物主要含有多糖(果胶、纤维素、半纤维素)和木质素两大类化学成分，同时也具有少部分有机溶剂抽提物、水抽提物和灰分。植物的化学成分由于其类别不同、结构不同，因此具有不同的热学性质。具体反映在热重分析上，植物的化学成分会在不同的温度区间产生热裂解，从而产生重量变化，生成热重曲线，样品化学成分含量变化，生成的热重曲线也有所不同；因此，热重曲线在反映原料热性能信息之外，还携带有大量化学成分含量的信息。化学计量学即通过统计学和数学建模等手段将对化学体系的测量值与体系的状态之间建立联系的学科。根据上述原理，本专利技术通过使用化学计量学手段，将校正样品集的化学成分含量和热重曲线相关联，建模得到预测模型，并用此模型对未知样品进行预测。本专利技术采用如下技术方案：一种运用热重分析技术快速测定木质纤维素植物化学成分含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，样品热重分析步骤：(1)、分别取60个以上不同产地、不同生长期的植物品种作为待测样品；将采集到的待测样品分成两组：一组作为校正样品集，另一组作为验证样品集；其中，校正样品集的样品数量与验证样品集的样品的数量比为4︰1；(2)、分别将上述校正样品集的各样品与验证样品集的各样品在105℃下烘干4h以上至绝干；然后，将样品粉碎，过40目筛，得到各样品的粉末；分别称取各样品的粉末20mg，放入热重分析仪中进行热重分析，自室温20℃开始，以5℃/min进行升温至900℃，停止升温，并使用液氮降温，逐一得到所有校正样品集的样品与验证样品集的样品各自的粉末热重分析曲线；第二步，样品湿化学分析步骤：对所有校正样品集的样品与验证样品集的样品各自的木质素、综纤维素进行测定；并对测定完综纤维素后的样品的半纤维素进行测定，得到样品的木质素、半纤维素和纤维素含量参考值；第三步，热重曲线结合样品参考值建立模型的步骤：将采集到的校正样品集热重曲线，使用热重分析软件进行基线扣除、一阶导数预处理，得出包含校正样品集中样品化学成分含量的特征信息的预处理热重曲线；然后，将所测得的木质素、半纤维素和纤维素含量数据与校正样品集中的预处理热重曲线数据相结合，采用偏最小二乘法建立校正模型；第四步，模型验证步骤：将得到的验证样品集原始热重曲线数据，进行上述第三步相同预处理后，将预处理热重曲线数据输入校正模型中，得出验证样品集预测值，并与利用湿化学分析法测定的验证样品集中植物化学成分含量对照，对校正模型进行验证，判定验证样品集是否为校正范围之外的界外点。如验证样品集不含有界外点，说明模型已经完善，不需优化；如含有界外点，加入界外点重新按校正模型建立步骤重新建立校正模型，对校正模型不断完善，优化和检验校正模型的性能，循环优化各建模参数，最终确定最佳的参数，使得模型验证集样品预测值与化学分析值一致，得到最优模型；第五步，样品预测步骤：将待测植物样品粉碎，经热重分析得到热重曲线数据，分析的条件和方法与获取校正样品集的热重曲线的条件和方法相一致，对热重曲线数据进行预处理后，代入到校正模型中，即得到该样品的化学成分含量值，其中，热重曲线预处理方法与校正样品集的热重曲线预处理相一致。优选为，上述木质纤维素植物为木材、麻类植物或秸秆。进一步优选，上述的运用热重分析技术快速测定木质纤维素植物化学成分含量的方法，采用美国可再生能源国家实验室的分析方法对样品的木质素进行测定；采用国家造纸标准：GB02677.10-1995-T造纸原料综纤维素含量的测定，对样品的综纤维素进行测定；对测定完综纤维素后的样品，采用国家纺织标准：GB5889-86苎麻化学成分定量分析方法，对样品的半纤维素进行测定，得到样品化学成分含量参考值。上述技术方案带来的直接技术效果是：样品需求少(20mg)、分析时间短(3h即可测得样品木质素、半纤维素和纤维素含量数据)、人力需求低(仅在实验开始和结束时需要人工操作，100个样品需要人工直接操作时间小于8h)；且整个测试过程不需任何化学品消耗，分析测试费用低、安全性高、操作简单、分析流程短、无需后续的样品残渣和化学废液处理。为了更好的理解上述技术效果，详细分析与说明如下：上述技术方案中，选取不少于60个不同产地、不同生长期的植物品种可以保证最终模型的稳健性和普适性；少于60个样品量建立的模型对相应植物化学成分的特征信息提取不够，最终的模型不够稳健，易产生界外点，也易造成较大的预测误差；而样品的地域和生长期等种类过于单一，亦不能对不同地域、不同生长期的预测样进行准确预测。在后续的热重分析步骤中，使用5℃/分钟的升温速率可以以最短的分析时间得到质量最高的植物热重曲线，降低升温速度则会使总体热重分析时间过长，而增加升温速率，测试测得的温度滞后现象则越严重，起始失重温度和终止温度测定值变得越高，分解温度范围也会变得更宽，对于对分解失重不太敏感的化学成分，如果升温速率太快，其来不及作出充分响应，失重台阶就会测不准或测不出。其中，采用的化学分析方法是本专利技术的关键点之一，对最终模型的质量有非常关键的作用。这是因为，现存的植物化学成分分析方法在不同行业和不同领域甚至不同国家都存在不同的体系。部分分析体系由于制定时间早、适应范围窄等原因，对常规的植物品种化学成分分析会产生较大的分析误差；而不准确的化学成分参考值则直接本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种运用热重分析技术快速测定木质纤维素植物化学成分含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，样品热重分析步骤：(1)、分别取60个以上不同产地、不同生长期的植物品种作为待测样品；将采集到的待测样品分成两组：一组作为校正样品集，另一组作为验证样品集；其中，校正样品集的样品数量与验证样品集的样品的数量比为4︰1；(2)、分别将上述校正样品集的各样品与验证样品集的各样品在105℃下烘干4h以上至绝干；然后，将样品粉碎，过40目筛，得到各样品的粉末；分别称取各样品的粉末20mg，放入热重分析仪中进行热重分析，自室温20℃开始，以5℃/min进行升温至900℃，停止升温，并使用液氮降温，逐一得到所有校正样品集的样品与验证样品集的样品各自的粉末热重分析曲线；第二步，样品湿化学分析步骤：对所有校正样品集的样品与验证样品集的样品各自的木质素、综纤维素进行测定；并对测定完综纤维素后的样品的半纤维素进行测定，得到样品的木质素、半纤维素和纤维素含量参考值；第三步，热重曲线结合样品参考值建立模型的步骤：将采集到的校正样品集热重曲线，使用热重分析软件进行基线扣除、一阶导数预处理，得出包含校正样品集中样品化学成分含量的特征信息的预处理热重曲线；然后，将所测得的木质素、半纤维素和纤维素含量数据与校正样品集中的预处理热重曲线数据相结合，采用偏最小二乘法建立校正模型；第四步，模型验证步骤：将得到的验证样品集原始热重曲线数据，进行上述第三步相同预处理后，将预处理热重曲线数据输入校正模型中，得出验证样品集预测值，并与利用湿化学分析法测定的验证样品集中植物化学成分含量对照，对校正模型进行验证，判定验证样品集是否为校正范围之外的界外点。如验证样品集不含有界外点，说明模型已经完善，不需优化；如含有界外点，加入界外点重新按校正模型建立步骤重新建立校正模型，对校正模型不断完善，优化和检验校正模型的性能，循环优化各建模参数，最终确定最佳的参数，使得模型验证集样品预测值与化学分析值一致，得到最优模型；第五步，样品预测步骤：将待测植物样品粉碎，经热重分析得到热重曲线数据，分析的条件和方法与获取校正样品集的热重曲线的条件和方法相一致，对热重曲线数据进行预处理后，代入到校正模型中，即得到该样品的化学成分含量值，其中，热重曲线预处理方法与校正样品集的热重曲线预处理相一致。...

【技术特征摘要】
1.一种运用热重分析技术快速测定木质纤维素植物化学成分含量的方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，样品热重分析步骤：(1)、分别取60个以上不同产地、不同生长期的植物品种作为待测样品；将采集到的待测样品分成两组：一组作为校正样品集，另一组作为验证样品集；其中，校正样品集的样品数量与验证样品集的样品的数量比为4︰1；(2)、分别将上述校正样品集的各样品与验证样品集的各样品在105℃下烘干4h以上至绝干；然后，将样品粉碎，过40目筛，得到各样品的粉末；分别称取各样品的粉末20mg，放入热重分析仪中进行热重分析，自室温20℃开始，以5℃/min进行升温至900℃，停止升温，并使用液氮降温，逐一得到所有校正样品集的样品与验证样品集的样品各自的粉末热重分析曲线；第二步，样品湿化学分析步骤：对所有校正样品集的样品与验证样品集的样品各自的木质素、综纤维素进行测定；并对测定完综纤维素后的样品的半纤维素进行测定，得到样品的木质素、半纤维素和纤维素含量参考值；第三步，热重曲线结合样品参考值建立模型的步骤：将采集到的校正样品集热重曲线，使用热重分析软件进行基线扣除、一阶导数预处理，得出包含校正样品集中样品化学成分含量的特征信息的预处理热重曲线；然后，将所测得的木质素、半纤维素和纤维素含量数据与校正样品集中的预处理热重曲线数据相结合，采用偏最小二乘法建立校正模型；第四步，模型验证步骤：将得到的验证样品集原始热重曲线数据，进行上述第三步相同预处理后，将...

【专利技术属性】
技术研发人员：姜伟，韩光亭，周成凤，张元明，邢美毅，
申请(专利权)人：青岛大学，
类型：发明
国别省市：山东;37