橡胶添加剂瓦斯炭黑的太赫兹光谱定量研究

瓦斯炭黑是橡胶中重要的添加剂之一,其含量对橡胶性能有重要的影响。丁腈橡胶是工业生产中应用比较广泛的合成橡胶,研究丁腈橡胶中瓦斯炭黑的含量具有重要意义。利用太赫兹时域光谱技术,对八种不同含量瓦斯炭黑与丁腈橡胶组成的混合物样本中的瓦斯炭黑含量进行测试,获取了混合物样本在0.3~1.4 THz频段的吸收光谱数据。分别利用偏最小二乘(PLS)和支持向量回归(SVR)建立混合物中瓦斯炭黑的定量分析模型,使用均匀梯度法来选择模型的校正集和预测集,获得瓦斯炭黑预测集的相关系数与均方根误差。偏最小二乘模型相关系数与均方根误差分别为0.985 8和2.098 9%,支持向量回归模型相关系数与均方根误差分别为0.998 0和0.785 4%。实验结果表明,支持向量回归定量分析模型的预测结果优于偏最小二乘模型。为进一步证明支持向量回归模型的稳定性,多次使用随机选择法选择它的校正集和预测集,并求得其相关系数与均方根误差。结果表明,无论是利用均匀梯度法还是随机选择法对支持向量回归定量分析模型的校正集和预测集进行选择,求得的相关系数和均方根误差均优于偏最小二乘模型。     

应用近红外漫反射光谱对猪肉肉糜进行定性定量检测研究

利用傅里叶变换近红外漫反射光谱结合不同数学建模算法对不同部位取样的猪肉肉糜进行定性判别建模,并建立猪肉肉糜品质指标脂肪、蛋白质和水分含量的定量检测模型。结果表明:不同部位取样猪肉肉糜判别分析PLSDA模型性能良好,最优模型校正集判别正确率为100%,预测集判别正确率为96%;比较两种方法结合,不同光谱预处理建立各品质指标的定量模型,LS-SVM模型性能优于PLSR模型,脂肪和水分含量最佳预测模型校正及预测相关系数r均高于0.9,蛋白质含量最优模型校正及预测相关系数r,RMSEC,RMSEP和RMSECV分别为0.722,0.593,1.595,1.550和1.888,模型精度需进一步提高。研究表明利用傅里叶变换近红外漫反射光谱快速判别不同部位猪肉肉糜的方法是可行的,脂肪和水分含量定量分析模型从预测精度、稳定性及适应性考虑均具一定的通用性,具有良好的市场应用前景。     

基于拉曼光谱技术的茶树叶片中类胡萝卜素含量的无损快速检测

叶片中类胡萝卜素是植被环境胁迫、光合能力和植被发育阶段的指示器。基于叶片的原位拉曼光谱响应特性对龙井43叶片的类胡萝卜素含量进行了研究,建立了两者之间的定量模型。本文共对315个龙井43叶片样本进行了拉曼光谱采集和分光光度检测。为排除检测过程中受噪声、基线漂移等因素的干扰,运用和比较了五种光谱数据预处理方法提取原始拉曼光谱中与茶叶中类胡萝卜素含量有关的有效信息。基于预处理后的数据建立了偏最小二乘(PLS)回归模型,拉曼光谱与类胡萝卜素含量的建模集和预测集的相关系数(r)分别为0.817和0.786。为进一步研究类胡萝卜素的拉曼光谱响应机理,本文采用连续投影算法(SPA)优选了17个拉曼特征波数建立相应的特征波数模型,模型的建模集和预测集的相关系数(r)分别为0.808和0.777。根据已建立的模型,探究了茶树四个不同叶位的叶片类胡萝卜素含量的变化。发现茶树叶片随着叶龄的增加,类胡萝卜素浓度呈先增后减的趋势。以第2位叶的类胡萝卜素含量最高。进一步验证了模型的可行性以及探索了将该模型应用于茶树叶片树龄和叶位探测的可能性。采用拉曼光谱技术可以实现茶树叶片中类胡萝卜素含量的原位、无损、定量检测。     

水稻糙米粗蛋白近红外光谱定量分析模型的优化研究

筛选有代表性的191份糙米样品为试材,其中42份来自国家稻种资源库、149份来自水旱稻杂交产生的DH系,蛋白质含量变幅5.90％～14.50％,采用偏最小二乘法(PLS)建立模型,并构造模型的评价参数——目标函数[R/(1+RMSECV)], 同时借助校正集和验证集两个载荷向量得分二维空间投影图,对近红外定量模型进行评价和优化。结果表明: 在5 000～9 000 cm-1范围内,预处理方法为一阶导数,校正模型和外部检验的目标函数值分别为0.701和0.687;两载荷向量得分直观分布图显示样品的聚类结果与目标函数筛选结果一致,也进一步验证了目标函数是模型评价和优化的有效指标。     

正交信号校正用于偏最小二乘建模过拟合现象的研究

通过用近红外光谱和PLS建立测定二元、三元调合食用油中花生油含最模型以及二甲亚砜水溶液浓度模型,使用交互验证统计参数,包括决定系数RC,标准偏差SEC,预测值和实际值线性拟合方程的斜率a和截距b,和外部验证统计参数,包括决定系数RV,标准偏差SEP,预测值和实际值线性拟合方程的斜率a和截距b,评价建模效果,比较了分别使用原始光谱和正交信号校正(OSC)处理光谱的PLS建模结果.研究结果表明:OSC校正可明显改善近红外光谱与被测物质浓度的线性相关性.虽然OSC预处理可以改善PLS模型的交互验证结果,似是外部验证结果变差,即正交信号校正用于PLS建模将导致过拟合现象.通过分析算法原理,认为OSC与PLS1对光谱中与性质无关的信息作了重复剔除,误删除了部分有效信息,导致过拟合效应.     

Multivariate calibration in TXRF analysis of water

The aim of this paper is the application of multivariate linear calibration for quantitative determination of elements (K, Cd, Co, Hg, As, Pb, Ni, and Al) in water by using Total Reflection X‐ray Fluorescence Analysis with partial least squares (PLS) as a regression method to improve a result of common univariate method. In purpose of elimination of matrix effects in X‐ray fluorescence analysis, experimental design was applied. As a set of standard samples for multivariate calibration, a five‐level eight‐factor calibration design of 25 samples was chosen, ensuring mutual orthogonality of factors. For model's validation, the independent test set of 15 samples was examined. The collection of spectra and quantitative measurements was carried out on S2 PICOFOX. The PLS regression was performed by using software package STATISTICA. Quality indicators of multivariate calibration as slope (b) and intercept (a) of calibration, correlation coefficient (r), determination coefficient (R²), root mean square errors of calibration and of prediction, standard errors of calibration and of prediction, biases of calibration, and biases of prediction were calculated. These results were compared with the univariate model, and as a result, the multivariate calibration method exceeds the univariate one. The obtained results could be applied in a laboratory for an analysis of water solutions in the concentration range 0.05–2.00 mg/L. In many real situations, when analytical chemist deals with multi‐element mixtures, multivariate calibration approach combined with orthogonal design for multivariate calibration set could be successfully used to improve a conventional univariate calibration.     

梨可溶性固形物含量的在线近红外光谱检测

应用近红外透射检测技术在线检测梨的可溶性固形物(SSC)。在实验台上以0.5 m·s-1的速度,300 W的光照强度,采用半透射方式检测梨的光谱。实验采用的梨样品为187个,其中147个样品为校正集,40个样品为预测集,应用偏最小二乘回归(PLS)和主成分回归(PCR)建立梨可溶性固形物的在线预测模型。选取550～700 nm, 700～850 nm, 550～850 nm为建模波段范围,发现无论对于PLS还是PCR,都是550～850 nm波段的建模结果好。本实验还研究对比不同的光谱预处理方法(光谱平滑,一阶微分,二阶微分等)对预测模型性能的影响,其中5点S-G(Savitzky-Golay)光谱平滑能有效地提高光谱的信噪比,改善模型预测精度,而一阶微分、二阶微分对模型性能改善基本上没有影响;最好的预测模型相关系数r=0.948 8, 校正标准差RMSEC=0.236,预测标准差RMSEP=0.548。结果表明：PLS模型预测性能较好,梨可溶性固形物的在线检测具有可行性。     

基于高光谱成像的苹果多品质参数同时检测

利用高光谱空间散射曲线的3个洛伦兹拟合参数对苹果的品质(硬度、可溶性固溶物含量)进行同时检测。采用偏最小二乘,逐步多元线性回归和BP神经网络3种方法,对归一化处理和未归一化处理的3个洛伦兹参数组合分别建立苹果品质的预测模型。结果表明:采用偏最小二乘法对未归一化处理参数的组合建立硬度的预测模型其预测结果最好,校正组相关系数Rc=0.93,校正标准差SEC=0.56,验证组相关系数Rv=0.84,验证标准差SEV=0.94。采用偏最小二乘法对归一化处理参数的组合建立可溶性固形物的预测模型其预测结果最好,Rc=0.95,SEC=0.29,Rv=0.83,SEV=0.63。研究结果表明:利用高光谱空间散射曲线的多拟合参数组合可以同时检测苹果的多品质参数。     

近红外光谱技术快速无损测定带鱼糜及其制品中磷酸盐含量

通过拟合带鱼糜及其鱼糕制品的近红外漫反射光谱与建立近红外的定量模型,用于带鱼糜及其鱼糕制品中磷酸盐含量的快速无损检测。以定标集和验证集的相关系数(r_C, r_V)及标准误差(SEC, SEP)作为评价模型优劣的根据。结果表明,采用偏最小二乘法(PLS)所建立的模型效果最佳,带鱼糜及其鱼糕制品的定标模型的相关系数分别为0.983和0.960,预测标准误差分别为0.032和0.101;验证集的相关系数分别为0.951和0.954,预测标准误差分别为0.058和0.097。利用近红外光谱技术快速无损测定带鱼糜及其鱼糕制品中的磷酸盐含量是可行的。     

烤烟的近红外光谱检测模型

对杀青烟叶蛋白质和水溶性总糖含量的光谱检测,发现近红外光谱（1100-2500nm）的检测模型优于可见-近红外光谱（350-2526nm）,烟粉检测模型优于片状烟叶的检测模型.通过对烟叶全部光谱数据不同的预处理来探究其蛋白质和水溶性总糖的近红外光谱的检测模型,并利用近红外有效波长对施木克值的含量进行预测.利用偏最小二乘法（PLS）通过训练集的交叉验证建立回归模型,结果表明：（1）对原始光谱进行二阶导数变换后,得到蛋白质含量预测模型的预测集r=0.9768、RMSE=0.6843;（2）对原始光谱每隔51个点进行移动平滑处理及主成分数为8时,水溶性总糖含量预测模型的预测集r=0.9495、RMSE=0.9049;（3）基于82个波长对施木克值的预测模型的预测集r=0.9356、RMSE=0.1060.     

A novel approach to determine leucomalachite green and malachite green in fish fillets with surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) and multivariate analyses

The use of illegal fish drugs, such as malachite green (MG) in aquaculture has raised growing concerns over the safety of aquatic food products, and sensitive and rapid methods for detection of these drugs in fish muscle are much needed. Simplified extraction methods coupled with surface‐enhanced Raman spectroscopy were used for analysis of MG and its metabolite leucomalachite green (LMG) in tilapia fillets containing 0–50 ng g⁻¹ LMG or MG. Principal component analysis and partial least squares (PLS) regression were used for spectral data analyses. High sensitivity (MG or LMG could be detected at 1–2 ng g⁻¹ levels) and PLS models with good predictability [root mean square error of validation (RMSEV) = 1.97–2.21 ng g⁻¹, R² = 0.984–0.988] were possible with suitable sample extraction methods. The simplest extraction method developed provided an RMSEV of 9.32 ng g⁻¹ and R² of 0.788, and although this was not ideal, detection of MG and LMG at 5 ng g⁻¹ level with this method could reduce sample throughput time and provide for faster detection of LMG and MG. Copyright © 2012 John Wiley & Sons, Ltd.     

青饲大豆主要品质参数的近红外光谱快速分析

饲料是畜牧生产的物质基础,饲草原料和饲料产品营养价值的检测与评估是饲料生产中的重要环节,面对饲草资源中粗蛋白含量低和大量依靠进口饲料的局面,大豆作为优质的高蛋白豆科饲草是畜牧业生产利用的重要资源.不同青饲大豆及其不同刈割期的饲用品质参数可以评价青饲大豆的饲用性能,但目前主要以化学方法进行检测,过程繁琐,试验周期长、易造...     

激光诱导击穿光谱联合UVE变量优选检测大豆油中的铬含量

利用激光诱导击穿光谱(LIBS)技术对大豆油中的重金属Cr进行检测研究。以松木木片对重金属Cr进行富集,采用AvaSpec双通道高精度光谱仪在206.28~481.77 nm波段范围内采集松木木片样本的LIBS光谱,利用无信息变量消除(UVE)方法筛选与重金属Cr相关的波长变量,应用偏最小二乘(PLS)回归建立大豆油中重金属Cr的定标模型,并与单变量及全波段PLS定标模型进行比较。结果表明,相比单变量及全波段PLS定标模型,UVE-PLS定标模型的性能更优,其相关系数、校正均方根误差、交互验证均方根误差及预测均方根误差分别为0.990,0.045,0.050及0.054 mg·g-1。经UVE变量筛选后,UVE-PLS定标模型所用的波长变量数仅为全波段PLS的2%。由此可见,UVE是一种有效的波长变量筛选方法,能有效筛选出与重金属Cr相关的波长变量。     

Rapid quantification of stabilizing agents in single-base propellants using near infrared spectroscopy

The standard analytical method (gas chromatography, GC) applied for determination of stabilizing agents including diphenylamine (DPA) and N,N′-Dimethyl carbanilide (C₂) in single-base propellants always costs too much time and toxic regents, and forms harmful wastes. This study investigated the feasibility of using near infrared (NIR) spectroscopy as a fast and green substitute. The samples were partitioned into calibration and validation subsets using the joint x–y distance (SPXY) algorithm. The backward interval partial least squares (biPLS) algorithm was used for wavenumber region selection during the model development. The correlation coefficient of validation (R_val), the root mean square error of prediction (RMSEP) and the ratio of standard deviation of the validation set to standard error of prediction (RPD) of the developed models were 0.987, 0.201 and 5.29 for DPA, and 0.976, 0.227 and 6.12 for C₂, separately. The repeatability of the NIR methods satisfied the requirement of the standard method. The results showed that the developed NIR models exhibited good predictive performance and repeatability, and would have a promising future in predicting stabilizing agents content of single-base propellants due to high speed, convenience and no pretreatment.     

菊酯农药的太赫兹时域光谱定性和定量检测

拟除虫菊酯类农药是一类能防治多种害虫的广谱杀虫剂,主要用于卫生杀虫和农田害虫防治。利用太赫兹时域光谱技术对室温状态下的三种常用于农田害虫防治的菊酯农药高效氯氰菊酯、高效氯氟氰菊酯及溴氰菊酯进行了研究,三种菊酯农药根据其在0.2～2.2THz的吸收谱可清晰地分辨;采用线性回归和偏最小二乘回归对溴氰菊酯、聚乙烯混合物进行定量分析。偏最小二乘回归取得更好结果,其中溴氰菊酯含量的检出限达2.0%,获得的均方差为0.55%,绝对偏差均小于0.8%。结果表明THz-TDS技术在农药分子识别及含量检测方面有很大潜力。     

基于太赫兹光谱的奶粉中葡萄糖及蔗糖定性定量检测方法

奶粉富含人体所需的五大营养物质,是婴幼儿主要的营养来源之一,奶粉中的营养成分对婴幼儿的生长发育具有重要影响,除乳糖外的糖类含量超标可能对婴幼儿健康产生不良影响。由于奶粉成分复杂,目前的色谱法和近红外光谱法检测技术都难以满足奶粉糖分快速无损检测的要求,因此亟须探索一种奶粉中葡萄糖、蔗糖含量快速无损检测方法。太赫兹波对不同大分子物质的吸收峰具有“指纹”特性,可利用该特性对不同的大分子物质进行识别。应用太赫兹时域光谱技术（THz-TDS）并结合化学计量学方法对奶粉中葡萄糖、蔗糖两种糖分的定性定量检测方法进行了研究。实验装置采用TAS7500TS太赫兹光谱系统,实验样品为不含糖的婴幼儿奶粉和纯度大于99%的葡萄糖、蔗糖晶体及不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物,实验分别采集了3种纯品样品及15种不同梯度浓度的奶粉-葡萄糖、奶粉-蔗糖混合物样品的太赫兹时域信号,每个样品采集三次并取平均值作为其时域光谱信号,经快速傅里叶变换（FFT）得到各样品的太赫兹频域信号,再根据Dorney提出的光学参数提取公式计算得到各样品的吸收系数谱和折射率谱。最后分别基于两组混合物样品的吸收系数谱和折射率谱数据,采用偏最小二乘法（PLS）建立相应的定量分析模型,校正集和预测集样品比例为2∶1。实验结果表明,奶粉在太赫兹波段无明显特征吸收峰,葡萄糖和蔗糖分别在1.45,1.8,1.98,2.7 THz和1.5,1.9,2.6 THz频率处有较强的特征吸收峰,可根据两种物质的太赫兹指纹特征峰进行定性分析。不同梯度浓度的两组混合物的整体吸收峰位置与葡萄糖、蔗糖纯品太赫兹吸收峰位置基本一致,具有稳定的吸收特性。基于吸收系数谱和折射率谱数据建立偏最小二乘法模型,均可实现奶粉中葡萄糖和蔗糖的定量分析,且由折射率谱建立的葡萄糖、蔗糖定量回归模型效果均优于由吸收系数谱建立的模型效果,其中,奶粉-葡萄糖混合物中葡萄糖含量PLS模型的校正集相关系数（R_c）及均方根误差（RMSEC）分别为0.99和0.18%,预测集R_P及RMSEP分别为0.96和0.66%,奶粉-蔗糖混合物中蔗糖含量PLS模型的校正集R_c及RMSEC分别为0.96和0.55%,预测集R_P及RMSEP分别为0.99和0.25%,葡萄糖和蔗糖定量模型的预测效果均较为理想。研究结果表明THz-TDS技术可有效用于奶粉中葡萄糖和蔗糖定性定量分析,为运用THz-TDS技术开展奶粉掺假及品质快速检测方法研究提供参考。     

光谱预处理对LIBS检测脐橙中Cu的偏最小二乘定量模型影响

应用激光诱导击穿光谱(LIBS)对脐橙中Cu元素进行快速检测,并结合偏最小二乘法(PLS)进行定量分析,探索光谱数据预处理方法对模型检测精度的影响。针对实验室污染处理后的52个赣南脐橙样品的光谱数据,进行不同数据平滑、均值中心化和标准正态变量变换三种预处理方法。然后选择包含Cu特征谱线的319~338 nm波段进行PLS建模,对比分析了模型的主要评价指标回归系数(r)、交互验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)。采用13点平滑、均值中心化的PLS模型3个指标分别达到了0.992 8,3.43和3.4,模型的平均预测相对误差仅为5.55%,即采用该前处理方法模型的校准质量和预测效果都最好。选择合适的数据前处理方法能有效提高LIBS检测果蔬产品PLS定量模型的预测精度,为果蔬产品LIBS快速精准检测提供了新方法。     

紫外光谱结合偏最小二乘法测定手性药物对映体的组成

利用R和S对映体与蔗糖间手性作用方式不同而产生的紫外吸收光谱差异分别测定了甲霜灵和布洛芬手性对映体的组成。采用偏最小二乘法(partial Least Squares,PLS)分别建立甲霜灵和布洛芬手性对映体摩尔分数的定量模型,并采用外部检验对模型效果进行评价。甲霜灵-蔗糖体系中精甲霜灵摩尔分数的定量模型校正集的决定系数R2为99.98%,标准偏差SEC为0.003;外部检验集的预测值与理论值的相关系数为0.999 8,标准偏差SEP为0.000 4,相对标准偏差RSD为0.05%。布洛芬-蔗糖体系中S-布洛芬摩尔分数的定量模型校正集的决定系数R2为99.82%,标准偏差SEC为0.007;外部检验集的预测值与理论值的相关系数为0.998 1,标准偏差SEP为0.002,相对标准偏差RSD为0.2%;结果表明本方法可以用于两种药物对映体组成的快速测定,对手性药物质量分析与控制有重要的参考价值。     

PCA-SVR联用算法在近红外光谱分析烟草成分中的应用

由50份烟草样品的近红外漫反射光谱组成的光谱矩阵经过主成分分析降维,采用基于支持向量机回归(SVR)算法,以常规化学分析方法测定的总糖、还原糖、总氮、烟碱的含量为参考值,建立了烟草中主要成分近红外光谱定量分析定标模型,并采用留一法交叉验证(LOOCV)对模型进行验证。以内部交叉验证预测的RMSE值为判据,从核函数类型、惩罚因子C和不敏感函数ε取值等方面对定标模型进行优化,获得不同成分定标模型的优化参数。烟草总糖、还原糖、总氮、烟碱优化定标模型的RMSE值分别为1.581,1.412,0.117和0.313。同时建立了烟草以上成分的偏最小二乘回归(PLS)、多元线性回归(MLR)以及误差反向传播人工神经网络(BP-ANN)定标模型,通过内部交叉验证的RMSE值与SVR定标模型进行比较,结果表明SVR模型具有更好的预测效果。     

中红外光谱对甲醇汽油甲醇含量检测研究

甲醇汽油是一种清洁能源,甲醇汽油中甲醇的含量决定了汽油的性能。通过中红外光谱对甲醇汽油中甲醇含量进行定量检测和分析。首先,对采集的甲醇汽油原始中红外光谱进行平滑处理（smoothing）、多元散射校正（MSC）、基线校正（baseline）、归一化（normalization）等预处理,再建立PLS模型,对比选择最佳预处理方法,结果表明：在多元散射校正（MSC）处理后建立的PLS模型效果最好,模型的预测集相关系数r为0.918,预测均方根误差RMSEP为2.107。为进一步简化模型,提高预测精度,采用无信息变量消除(uninformative variable elimination, UVE)方法对波长进行筛选,将UVE波段筛选之后的作为模型的输入变量,采用偏最小二乘法（partial least squares, PLS）、主成分回归(principal components regression, PCR)和最小二乘支持向量机（least square support vector machine, LSSVM）三种方法分别建立甲醇汽油中甲醇含量的定量预测模型,并比较不同模型的预测效果和结果。结果表明,使用无信息变量消除可以较好提高数据的运算速度,其中,UVE-PLS模型建模效果最好,r和RMSEP分别为0.923和2.075。该实验表明中红外光谱检测甲醇汽油中甲醇含量是可行的并可以得到较好的效果;UVE是一种对甲醇汽油的中红外光谱非常有效的波段筛选方法,该模型的建立对石油化工领域具有较为重要的意义。