基于参数标准化的单样本定标方法在微波等离子体炬水泥快速分析中的应用

doi:10.7503/cjcu20240157

摘要/Abstract

摘要：

流程工业颗粒物成分的在线检测具有低延时、安全可靠及低成本等要求, 目前没有适合的技术手段. 微波等离子炬(Microwave plasma torch, MPT)原子发射光谱法具有直接进样、成本低及装置安全可靠等优点, 有潜力成为工业在线检测的重要手段. 本文基于MPT装置对水泥样品进行直接进样分析, 并针对工业应用场景中标准样品受限的问题, 采用单样本定标技术(Single sample calibration, SSC)进行定量分析. SSC法中的线性假设容易受到等离子体参数波动的影响, 导致精度下降. 为此, 提出了一种基于参数标准化的SSC算法 PS-SSC(SSC based on parameter standardization), 通过激发温度和电子数密度对谱线强度进行修正以提高SSC的定量精度. 为了评估MPT和PS-SSC方法联用在水泥成分快速分析中的有效性, 将GSB 08-2985-2013标准水泥粉末气溶胶直接引入MPT中进行定量分析, 并将PS-SSC与现有定量方法进行比较. 与传统SSC 方法相比, PS-SSC方法的决定系数R²由‒0.81~0.81提高到0.39~0.88, 平均相对误差由4.39%~10.33%提高到1.55%~5.83%, 平均相对标准偏差由2.89%~9.40%提高到2.28%~6.50%, 展现了该方法在工业在线成分检测中的应用潜力.

关键词: 微波等离子体炬, 颗粒物直接进样, 单样本定标, 参数标准化

Abstract:

Owing to the stringent requirements for low latency， safety， reliability and cost-effectiveness， there is no suitable technical approach available for online detection of industrial components currently. However， microwave plasma torch（MPT） has the advantages of direct injection， low cost， safety and reliability， which qualify for becoming an essential technique for industrial product online detection. Consequently， we designed experiments on cement composition analysis based on MPT. Meanwhile， as to limited standard samples we use single sample calibration（SSC） for quantitative analysis. However， the simple linear assumption underlying SSC is susceptible to fluctuations in plasma parameters leading to reduced accuracy. To address this issue， we propose an improved SSC algorithm based on parameter standardization（PS-SSC）， which enhances the accuracy of SSC by modifying spectral line intensity through excitation temperature and electron number density adjustments. To evaluate the effectiveness of MPT-based rapid analysis combined with PS-SSC for cement composition analysis， we directly introduced GSB 08-2985-2013 standard cement powder aerosol into MPT and contrasted the effects of different methods. Compared to traditional SSC methodology， the PS-SSC method exhibited significant improvements： the determination coefficient R² of the PS-SSC method was increased from ‒0.81—0.81 to 0.39—0.88， and the average relative error was increased from 4.39%—10.33% to 1.55%—5.83%. The average relative standard deviation increased from 2.89%—9.40% to 2.28%—6.50%， thus demonstrating its potential for online cement component detection.

Key words: Microwave plasma torch, Particulate mass direct injection, Single-sample calibration, Parameter standardization

中图分类号:

O657

TrendMD:

邵益波, 俞登捷, 李雅瑞, 魏好泽, 金伟, 于丙文. 基于参数标准化的单样本定标方法在微波等离子体炬水泥快速分析中的应用. 高等学校化学学报, 2024, 45(8): 20240157.

SHAO Yibo, YU Dengjie, LI Yarui, WEI Haoze, JIN Wei, YU Bingwen. A Parameter Standardization-based Single Sample Calibration Method and Quantitative Analysis of Cement Based on Microwave Plasma Torch. Chem. J. Chinese Universities, 2024, 45(8): 20240157.

图/表 9

参考文献 44

1	Tsamatsoulis D.， WSEAS Transactions on Systems and Control， 2011， 6， 239
2	Tyopine A. A.， Wangum A. J.， Idoko E. A.， Am. J. Anal. Chem.， 2015， 6（05）， 492
3	Mas J. L.， Aparicio P.， Galán E.， Romero⁃Baena A.， Miras A.， Yuste A.， Martín D.， Applied Clay Science， 2020， 196， 105736
4	Grebneva⁃Balyuk O. N.， Kubrakova I. V.， Tyutyunnik O. A.， Lapshin S. Y.， Pryazhnikov D. V.， J. Anal. Chem.， 2021， 76， 306—314
5	Zhong T.， Yang M. L.， Pei M. R.， Zhang X. L.， Le C. G.， Wang G. C.， Chen H. W.， Chem J. Chinese Universities， 2016， 37（1）， 26—30
	钟涛，杨美玲，裴妙荣，张兴磊，乐长高，王广才，陈焕文.高等学校化学学报， 2016， 37（1）， 26—30
6	Sheng L.， Zhang T.， Wang K.， Tang H.， Li H.， Chem. Res. Chinese Universities， 2015， 31（1）， 107—111
7	Pedarnig J. D.， Trautner S.， Grünberger S.， Giannakaris N.， Eschlböck⁃Fuchs S.， Hofstadler J.， Appl. Sci.， 2021， 11（19）， 9274
8	Anabitarte F.， Cobo A.， Lopez⁃Higuera J. M.， ISRN Spectroscopy， 2012， 2012， 285240
9	Zhang X.， Daowen C.， Deshan G.， Linmao L.， Wang M.， 2009 4th International Conference on Computer Science & Education， 2009， 464—468
10	Zadeh E. E.， Sadighzadeh A.， Salehizadeh A.， Nazemi E.， Roshani G. H.， Anal. Methods， 2016， 8（11）， 2510—2514
11	Low F.， Zhang L.， Talanta， 2012， 101， 346—352
12	Machado R. C.， Andrade D. F.， Babos D. V.， Castro J. P.， Costa V. C.， Sperança M. A.， Garcia J. A.， Gamela R. R.， Pereira⁃Filho E. R.， J. Anal. Atom. Spectro.， 2020， 35（1）， 54—77
13	Sing R.， Spectrochimica Acta Part B： Atomic Spectroscopy， 1999， 54（3）， 411—441
14	Chan G. C. Y.， Fan M. N.， Chan W. T.， Spectrochimica Acta B： Atomic Spectroscopy， 2001， 56（1）， 13—25
15	Durrant S. F.， J. Anal. Atom. Spectro.， 1999， 14（9）， 1385—1403
16	Schenk E. R.， Almirall J. R.， Forensic Science International， 2012， 217（1）， 222—228
17	Luo T.， Wang Y.， Li M.， Zhang W.， Chen H.， Hu Z.， Atomic Spectroscopy， 2020， 41（1）， 11—19
18	Zeng L.， Wu M.， Chen S.， Zheng R.， Rao Y.， He X.， Duan Y.， Wang X.， Talanta， 2022， 246， 123516
19	Kehden A.， Flock J.， Vogel W.， Broekaert J. A. C.， Applied Spectroscopy， 2001， 55（10）， 1291—1296
20	Kuptsov A. V.， Volzhenin A. V.， Labusov V. A.， Saprykin A. I.， Spectrochimica Acta B： Atomic Spectroscopy， 2021， 177， 106047
21	Li L.， Hu B.， Talanta， 2007， 72（2）， 472—479
22	Vogt T.， Bauer D.， Neuroth M.， Otto M.， Fuel， 2015， 152， 96—102
23	Wohlmann W.， Neves V. M.， Heidrich G. M.， Silva J. S.， Da Costa A. B.， Paniz J. N. G.， Dressler V. L.， Spectrochimica Acta B： Atomic Spectroscopy， 2018， 149， 222—228
24	Althobiti R. A.， Beauchemin D.， J. Anal. Atom. Spectro.， 2021， 36（3）， 535—539
25	Mujuru M.， Mccrindle R. I.， Panichev N.， J. Anal. Atom. Spectro.， 2009， 24（4）， 494—501
26	Barałkiewicz D.， Hanć A.， Gramowska H.， Inter. J. Environ. Anal. Chem.， 2010， 90（14/15）， 1025—1035
27	Tong R.， Guo W.， RSC Adv.， 2019， 9（56）， 32435—32440
28	Yuan J.， Feng S.， Cui J.， Sun S.， Yu A.， Chang Y.， J. Iran. Chem. Soc.， 2022， 19， 589—597
29	Zhang X. L.， Yuan X. Y.， Xu J. Q.， Le C. G.， Chen H. W.， J. Chinese Mass Spectro. Soc.， 2022， 43（6）， 768—781
	张兴磊，原雪燕，徐加泉，乐长高，陈焕文.质谱学报， 2022， 43（6）， 768—781
30	Ebdon L. E. S.， Foulkes M.， Sutton K.， J. Anal. Atom. Spectro.， 1997， 12（2）， 213—229
31	Isoyama H.， Uchida T.， Nagashima T.， Ohira O.， J. Anal. Atom. Spectro.， 2004， 19（10）， 1370—1374
32	Jin W.， Yu B. W.， Zhu D.， Ying Y. W.， Yu H. X.， Jin Q. H.， Chem J. Chinese Universities， 2015， 36（11）， 2157—2159
	金伟，于丙文，朱旦，应仰威，于海翔，金钦汉.高等学校化学学报， 2015， 36（11）， 2157—2159
33	Yu B. W.， Jin W.， Ying Y. W.， Yu H.， Zhu D.， Shan J.， Liu W.， Xu C.， Jin Q. H.， J. Anal. Atom. Spectro.， 2016， 31（3）， 759—766
34	Yu D.， Wei H.， Li Y.， Shao Y.， Jin W.， Yu B.， J. Anal. Atom. Spectro.， 2023， 38（7）， 1402—1411
35	Ciucci A.， Corsi M.， Palleschi V.， Rastelli S.， Salvetti A.， Tognoni E.， Appl. Spectro.， 1999， 53（8）， 960—964
36	de Giacomo A.， Dell’aglio M.， de Pascale O.， Gaudiuso R.， Teghil R.， Santagata A.， Parisi G. P.， Applied Surface Science， 2007， 253（19）， 7677—7681
37	Tognoni E.， Cristoforetti G.， Legnaioli S.， Palleschi V.， Salvetti A.， Mueller M.， Panne U.， Gornushkin I.， Spectrochimica Acta B： Atomic Spectroscopy， 2007， 62（12）， 1287—1302
38	Gaudiuso R.， Dell'aglio M.， de Pascale O.， Santagata A.， de Giacomo A.， Spectrochimica Acta B： Atomic Spectroscopy， 2012， 74/75， 38—45
39	Kolmhofer P. J.， Eschlböck⁃Fuchs S.， Huber N.， Rössler R.， Heitz J.， Pedarnig J D.， Spectrochimica Acta B： Atomic Spectroscopy， 2015， 106， 67—74
40	Alrebdi T. A.， Fayyaz A.， Asghar H.， Zaman A.， Asghar M.， Alkallas F. H.， Hussain A.， Iqbal J.， Khan W.， Molecules， 2022， 27（12）， 3754
41	Cavalcanti G. H.， Teixeira D. V.， Legnaioli S.， Lorenzetti G.， Pardini L.， Palleschi V.， Spectrochimica Acta B： Atomic Spectroscopy， 2013， 87， 51—56
42	Bai X.， Hai R.， He Z.， Wang X.， Wu D.， Li C.， Tong W.， Wu H.， Xu G.， Dong D.， Hu Z.， Ding H.， J. Anal. Atom. Spectro.， 2022， 37（2）， 289—295
43	Yuan R.， Tang Y.， Zhu Z.， Hao Z.， Li J.， Yu H.， Yu Y.， Guo L.， Zeng X.， Lu Y.. Analy. Chim. Acta， 2019， 1064， 11—16
44	Aragón C.， Aguilera J. A.， Spectrochimica Acta B： Atomic Spectroscopy， 2008， 63（9）， 893—916

Sample	Mass fraction（%）
Sample	Fe₂O₃	MgO	Al₂O₃	SiO₂	CaO
S1	3.31	3.94	6.96	25.49	51.18
S2	3.20	3.70	6.93	24.10	53.59
S3	3.19	3.47	6.56	23.78	54.14
S4	3.05	3.28	6.33	23.30	55.50
S5	3.00	3.13	6.10	23.13	57.08
S6	2.91	2.93	5.82	22.80	58.14
S7	2.83	2.66	5.55	22.56	59.44
S8	2.74	2.47	5.32	22.27	60.63
S9	2.69	2.26	5.09	22.02	61.50
S10	2.58	2.07	4.78	21.81	62.65
S11	2.49	1.85	4.46	21.45	64.01

Sample	Mass fraction（%）
Sample	Fe₂O₃	MgO	Al₂O₃	SiO₂	CaO
S1	3.31	3.94	6.96	25.49	51.18
S2	3.20	3.70	6.93	24.10	53.59
S3	3.19	3.47	6.56	23.78	54.14
S4	3.05	3.28	6.33	23.30	55.50
S5	3.00	3.13	6.10	23.13	57.08
S6	2.91	2.93	5.82	22.80	58.14
S7	2.83	2.66	5.55	22.56	59.44
S8	2.74	2.47	5.32	22.27	60.63
S9	2.69	2.26	5.09	22.02	61.50
S10	2.58	2.07	4.78	21.81	62.65
S11	2.49	1.85	4.46	21.45	64.01

Element	Wavelength of spectral lines^*/nm
Fe	356.538（I）， 357.010（I）， 358.119（I）， 360.886（I）， 361.877（I）， 367.991（I）， 370.557（I）， 372.256（I）， 373.332（I）， 373.486（I）， 373.713（I）， 374.556（I）， 374.826（I）， 374.949（I）， 375.823（I）， 376.379（I）， 381.584（I）， 382.042（I）， 382.444（I）， 382.588（I）， 382.782（I）， 383.422（I）， 385.637（I）， 385.991（I）， 388.628（I）， 392.291（I）， 392.792（I）， 393.030（I）， 404.581（I）， 406.359（I）， 407.174（I）， 427.176（I）， 432.576（I）， 438.354（I）， 440.475（I），
Mg	279.552（II）， 382.936（I），383.230（I）， 517.268（I）， 518.360（I），
Al	394.400（I）， 396.140（I）
Si	250.69（I）， 251.432（I）， 251.611（I）， 251.920（I）， 252.851（I）， 288.158（I）
Ca	397.371（I）， 428.301（I）， 428.936（I）， 429.899（I）， 430.253（I）， 430.774（I）， 431.865（I）， 442.544（I）， 443.496（I）， 445.478（I）， 458.587（I）， 487.813（I）， 518.885（I）， 534.947（I）， 558.197（I）， 558.876（I）， 559.447（I）， 559.849（I）， 560.129（I）， 585.745（I）

Element	Wavelength of spectral lines^*/nm
Fe	356.538（I）， 357.010（I）， 358.119（I）， 360.886（I）， 361.877（I）， 367.991（I）， 370.557（I）， 372.256（I）， 373.332（I）， 373.486（I）， 373.713（I）， 374.556（I）， 374.826（I）， 374.949（I）， 375.823（I）， 376.379（I）， 381.584（I）， 382.042（I）， 382.444（I）， 382.588（I）， 382.782（I）， 383.422（I）， 385.637（I）， 385.991（I）， 388.628（I）， 392.291（I）， 392.792（I）， 393.030（I）， 404.581（I）， 406.359（I）， 407.174（I）， 427.176（I）， 432.576（I）， 438.354（I）， 440.475（I），
Mg	279.552（II）， 382.936（I），383.230（I）， 517.268（I）， 518.360（I），
Al	394.400（I）， 396.140（I）
Si	250.69（I）， 251.432（I）， 251.611（I）， 251.920（I）， 252.851（I）， 288.158（I）
Ca	397.371（I）， 428.301（I）， 428.936（I）， 429.899（I）， 430.253（I）， 430.774（I）， 431.865（I）， 442.544（I）， 443.496（I）， 445.478（I）， 458.587（I）， 487.813（I）， 518.885（I）， 534.947（I）， 558.197（I）， 558.876（I）， 559.447（I）， 559.849（I）， 560.129（I）， 585.745（I）

Performance index	Component	Origin	OPC	SSC	PS⁃SSC	Performance index	Component	Origin	OPC	SSC	PS⁃SSC
R²	Fe₂O₃	-1.23	0.40	0.67	0.86	ARE（%）	SiO₂	12.80	11.09	9.20	5.83
	MgO	0.61	0.69	0.72	0.85		CaO	11.15	6.82	3.53	1.55
	Al₂O₃	-0.64	-0.17	0.66	0.80	ARSD（%）	Fe₂O₃	8.32	4.69	5.56	4.36
	SiO₂	-5.97	-6.08	-0.81	0.39		MgO	15.24	5.10	9.41	4.49
	CaO	-4.04	0.24	0.81	0.88		Al₂O₃	12.50	7.59	6.22	6.50
ARE（%）	Fe₂O₃	11.48	7.13	4.39	2.81		SiO₂	11.07	2.98	5.16	3.63
	MgO	12.68	8.26	10.33	5.29		CaO	7.67	3.45	2.89	2.28
	Al₂O₃	17.52	14.29	10.15	5.14