近红外漫反射线性加和光谱在烟叶复烤配方中的应用

应用近红外光谱分析技术进行烟叶复烤配方的辅助分析以及设计过程中,需要大量的不同混合比例的样品光谱,而混合样品光谱在实际生产过程中是很难获得的;且不同分级的样品很难实现均匀混合,不可避免的引入误差.文章提出了应用近红外漫反射光谱的线性加和原理产生"理论混合均匀光谱"来代替实际的混合样品光谱,不仅能够消除混合不均匀造成的误...     

基于NIRS技术的食用醋品牌溯源研究

以四种品牌152组食用醋样品为研究对象,采用漫反射与透射两种近红外光谱采集模式分别进行光谱数据采集,并以此建立了食用醋品牌溯源模型,重点考察光谱采集模式、光谱预处理方法等对溯源模型精度的影响。结果表明,选取114组样品为训练集,原始光谱数据经过多元散射校正、二阶求导预处理后,采用偏最小二乘判别分析法(PLS1-DA)建立的食用醋NIRS品牌溯源模型,对38组测试集样品进行预测,透射光谱模型的决定系数(R2)、校准均方根误差(root-mean-square error of calibration, RMSEC)、预测均方根误差(root-mean-square error of prediction, RMSEP)分别为0.92,0.113,0.127,正确识别率为76.32%;漫反射光谱模型R2,RMSEC,RMSEP分别为0.97,0.102,0.119,正确识别率为86.84%。由此说明,近红外光谱结合PLS1-DA可以用来建立食用醋品牌溯源模型,且漫反射光谱模型预测效果更好。     

二氧化硅纳米颗粒与碳黑纳米颗粒红外漫反射光谱的测量与分析

用FTIR-FTS3000光谱仪和漫反射附件分别采集了二氧化硅纳米颗粒、炭黑纳米颗粒和二氧化硅纳米颗粒与碳黑纳米颗粒的不同配比的混合样品的红外漫反射光谱。通过对测量结果的分析,发现二氧化硅纳米颗粒的红外漫反射光谱较之体材料有蓝移和宽化现象,此现象可以用纳米粒子的小尺寸效应和量子尺寸效应来进行初步解释。而碳黑纳米颗粒因为其强吸光性的原因,实验中没有得到理想的光谱。混合样品中,碳黑纳米颗粒有一个最大吸收临界浓度,此时二氧化硅纳米颗粒与碳黑纳米颗粒的质量比是100∶20。在这个比例以内,碳黑纳米颗粒的特征峰位的F(R)函数与浓度符合朗伯-比尔定律。当碳黑纳米颗粒在体系中的含量超过这个比值,随着碳黑在体系中比例的增加,吸光度将不再增大。     

基于近红外光谱投影及蒙特卡洛方法的烟叶配方比例上限分析

通过PPF投影技术将烟叶配方原料的近红外光谱投影到二维坐标平面上,将原料烟叶光谱投影点按配方比例加权求和后构造出配方投影点,建市配方的投影结构模型,利用蒙特卡洛方法模拟原料烟叶投影点的自身差异变动来分析配方投影点偏离初始状态的程度.结果表明:配方主导权重,即配方样品的最高比例越小,烟叶原料种类越多.配方偏离初始状态的程度越小,即配方的稳定性越好,以上结论与烟叶配方设计时"多类型,低比例"的认识原则一致.本文从理论分析角度给出胃在不同原料种类数下进行配方设计时,所对应的配方样品比例上限值,该量化上限比例的方法对其他有关配方设计的问题也有指导意义.     

苹果可溶性固形物和糖酸比可见/近红外漫反射与漫透射在线检测对比研究

可溶性固形物和糖酸比是苹果内部品质主要评价指标之一。为此进行苹果糖酸比和可溶性固形物可见/近红外漫反射和漫透射对比检测研究。180个冰糖心和红富士样品被分成建模集和预测集(136∶44),分别用于建立偏最小二乘模型和验证模型的预测能力。在运动速度5个/秒时,采集了冰糖心和红富士两种样品的可见近红外光谱。漫反射和漫透射可见近红外光谱经多元散射校正、标准正态变量变换、基线校正等预处理后,建立了偏最小二乘回归模型。未参与建模的44个样品用于评价模型的预测能力,经比较,漫透射检测方式优于漫反射检测方式,主要因为漫透射检测方式能更有效地克服杂散光。可溶性固形物模型预测相关系数达到0.936,预测均方根误差为0.476°Brix;糖酸比模型预测相关系数达到0.785,预测均方根误差为10.94。研究结果表明： 应用可见/近红外漫透射光谱技术,可实现苹果可溶性固形物和糖酸比在线检测。为大宗水果内部品质分选提供了技术支持和参考依据。     

不同贮藏期水蜜桃硬度及糖度的检测研究

糖度和硬度作为水蜜桃的两个重要指标,决定其内部品质。在运输或售卖期间,水蜜桃果内水分流失,表面开始松软进而腐烂,内部品质发生变化。研究旨在探讨可见/近红外光谱预测水蜜桃不同贮藏期糖度和硬度的可行性,进一步预测水蜜桃的最佳贮藏期。采用漫透射和漫反射方式采集4个贮藏阶段的水蜜桃光谱,并测量糖度和硬度。分析了4个阶段水蜜桃的平均光谱,光谱强度随着贮藏天数增加而不断提高,且在650～680 nm区域内受果皮颜色及色素的变化产生波峰偏移。同时,分析了糖度和硬度的变化,糖度在贮藏期间逐渐提高,硬度在贮藏期间快速下降,最终糖度增加了3.31%,硬度下降了58.8%。采用多元散射校正、S-G卷积平滑、归一化处理及基线校正等预处理方法来减少噪声和误差对光谱的影响,并使用无信息变量消除(UVE)和连续投影算法(SPA)筛选特征波长,最后利用偏最小二乘回归(PLS)分别建立糖度和硬度的预测模型。分析糖度、硬度的PLS回归系数与平均光谱的波形发现,糖度的高回归系数分布在光谱多处,而硬度的该系数均在波峰波谷附近。SPA和UVE筛选的特征波长建立的糖度模型效果不佳,而硬度模型效果良好。结果表明,漫透射和漫反射检测方式下,糖度的最佳预测相关系数(R_p)及预测均方根误差(RMSEP)分别为0. 886,0.727和0.820,1.003,预处理方法分别是多元散射校正、平滑窗口宽度为3的S-G卷积平滑。此外,漫透射建立的硬度SPA-PLS模型,选用15个光谱变量,得到的R_p和RMSEP为0.798和0.976;而漫反射建立的UVE-PLS模型,选用113个光谱变量,得到的R_p和RMSEP为0.841和0.829。可以看出,漫透射方式预测水蜜桃贮藏期间的糖度更佳,而漫反射预测硬度更佳。利用可见/近红外光谱所建立的糖度和硬度预测模型,能够可靠地预测水蜜桃贮藏期内糖度和硬度的变化,对指导采摘、售卖时间和减少腐烂具有一定的参考价值。     

有机和无机国画颜料漫反射光谱和吸收光谱特征研究

国画颜料解混一直是古画颜料研究的重要内容,其中光纤反射光谱（FORS）是无损化探测颜料类别的常用手段。通过CCD光纤光谱系统,从光谱线型对国画颜料进行了分类,分别探测了两种有机植物颜料藤黄和胭脂在不同比例混合下的漫反射光谱与吸收光谱,并获取了不同色系无机矿物质颜料混合后的漫反射光谱。分析了单一颜料和混合颜料的光谱特征峰值,运用多元线性回归（MLR）以及一阶导数光谱法（FDS）,通过全波段线性解混获得了各组分颜料的比例。经过实验与理论分析,藤黄与胭脂的漫反射光谱为S型,混合颜料一阶导数光谱中两特征峰的位置分别为536和649 nm,在漫反射光谱中多元线性回归基本适用于该混合颜料的解混并显示出一定的线性规律,但无法精确地解混。而混合颜料的吸收光谱与单色光谱之间存在较好的线性关系,解混误差在5%左右。无机矿物质颜料中的漫反射光谱有S型（石黄和赭石）和钟型（石青和石绿）两种。首先,对于S型（石黄）与S型（赭石）混合颜料漫反射光谱,赭石的一阶导数光谱出现明显的“三峰”现象,并且混合颜料一阶导数光谱在534 nm处出现新的特征峰。多元线性回归理论虽适用于该混合颜料的解混,但由于不同颜料解混的权重因子不同,无法形成较为精准的线性模型。其次,对于S型（赭石）与钟型（石绿）混合颜料的反射光谱需要多元线性回归与导数光谱法共同判断混合比例的基本趋势,该光谱在400～800 nm范围内仅有一个交叉点。最后,利用钟型（石青）与钟型（石绿）混合颜料反射光谱的特征峰位置,即可判断出颜料混合比例的特征,随着混合比例的变化,反射光谱特征峰在457～524 nm出现了明显的横向移动,并且混合颜料光谱的峰值强度有明显的减弱。     

估测田间烟叶色素含量的光谱模型研究

田间烟叶色素含量的光谱无损快速测量,对烟草营养生长期的营养诊断与长势监测、成熟期的烟叶品质评判具有重要的生产指导意义。该研究的目的是利用烟叶田间光谱估测烟叶的叶绿素和类胡萝卜素含量。研究采集了营养生长期和成熟期烟叶田间反射光谱,测量了样品烟叶的色素含量,利用支持向量机(SVM)和光谱指数法,对营养生长期和成熟期烟叶样品用分期建模和混合建模两种方法建立色素含量估测模型,并对模型的预测性能进行比较。研究结果表明,分期建模和混合建模对于烟叶色素含量的估测效果差异不显著。对于叶绿素含量,SVM和光谱指数法均有较好的估测效果;对于类胡萝卜素含量,SVM方法比光谱指数法具有更高的估测精度。采用SVM方法对烟叶样品的叶绿素含量分期建模得到的估测决定系数和均方根误差分别为0.862 9和0.015 5,对叶绿素含量混合建模得到的估测决定系数和均方根误差分别为0.898 5和0.012 3;采用SVM方法对烟叶样品类胡萝卜素含量分期建模得到的估测决定系数和均方根误差分别为0.873 0和0.002 4,对类胡萝卜素含量混合建模得到的估测决定系数和均方根误差分别为0.852 7和0.002 4。该研究的创新点是通过支持向量机和光谱指数法采用分期建模以及混合建模的方式建立了烟叶样品色素含量的估测模型,为烟草田间生产的质量控制、烟叶的采收品质保证提供科学依据和技术支持。     

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。     

SVM回归法在近红外光谱定量分析中的应用研究

研究了基于统计学习理论的支持向量机（SVM）回归法在近红外光谱定量分析中的应用。以66个小麦样品为实验材料,由33个小麦样品作为校正样品,采用4种不同核函数方法对小麦样品蛋白质含量与小麦样品近红外光谱进行SVM回归建模。以所建4种不同SVM回归模型对33个小麦预测样品的蛋白质含量进行了预测;不同回归模型的预测结果与凯氏定氮法确定的蛋白质含量的标准化学值间的相关系数均在0．97以上,平均绝对误差小于0．32。为了考察SVM回归校正模型的预测效果,同所建PLS回归模型的预测结果进行了比较,表明所建预测小麦样品蛋白质含量的SVM回归模型亦可通过近红外光谱进行实际样品的定量分析,且有较好的分析效果。     

紫外光谱法预测烤烟烟叶中的全氮

利用紫外光谱法测量不同等级烤烟烟叶的光谱,对样品在190～1 100 nm波长范围进行扫描,比较其光谱之间的差异。并利用多元分析中的逐步回归法、主成分分析法和偏最小二乘法来建立烤烟烟叶全氮含量的光谱预测模型。结果表明:(１)用多元分析中的逐步回归法、主成分分析法适合建立全氮预测模型;(２)在230～290 nm波长范围内建立不同等级烤烟的全氮模型,且模型效果较好;(３)主成分分析法预测烤烟烟叶全氮模型的准确性比逐步回归法预测烤烟烟叶全氮模型的准确性要好得多,且用主成分分析法预测烤烟烟叶全氮模型的准确性为78%; (４)不同的数据处理方法,得出的预测模型是不同的;(５)通过选择恰当的全氮特征谱线可以提高预测模型的准确性。说明可以用紫外光谱来预测烤烟全氮的含量,且该模型稳定性好,可用来快速、准确、无污染地测量烟草中的全氮含量。     

基于LLE-SVR的鸡蛋新鲜度可见/近红外光谱无损检测方法

鸡蛋新鲜度是反映鸡蛋内部品质的一个重要指标。为了能够实现鸡蛋新鲜度的快速无损检测,利用微型光纤光谱仪采集鸡蛋550～950 nm的透射率光谱曲线,与鸡蛋的哈夫单位值进行了定量分析。通过不同的预处理方式分别结合偏最小二乘回归(partial least squares regression, PLSR)与支持向量回归(support vector regression, SVR)建立模型,比较了不同模型的预测结果,发现一阶微分结合SVR能够实现较好地预测,且利用SVR建模要优于PLSR。为了提高运算效率,减少无用信息对建模的不良影响,分别利用线性降维主成分分析法(principal component analysis, PCA)与非线性降维局部线性嵌入(locally linear embedding, LLE)对一阶微分后的光谱数据降维,比较两种降维方法的预测效果,得出了LLE降维要优于PCA降维,其训练集和预测集的相关系数与均方根误差分别为92.2%,7.21和91.1%,8.80,训练集交叉验证的均方根误差相比减少了0.79。实验结果表明,利用局部线性嵌入结合支持向量回归进行非线性建模,能够提高鸡蛋新鲜度的预测能力,表明该方法对鸡蛋新鲜度的可见/近红外光谱检测可行。     

K‐edge XANES analysis of sulfur compounds: an investigation of the relative intensities using internal calibration

Sulfur K‐edge XANES (X‐ray absorption near‐edge structure) spectroscopy is an excellent tool for determining the speciation of sulfur compounds in complex matrices. This paper presents a method to quantitatively determine the kinds of sulfur species in natural samples using internally calibrated reference spectra of model compounds. Owing to significant self‐absorption of formed fluorescence radiation in the sample itself the fluorescence signal displays a non‐linear correlation with the sulfur content over a wide concentration range. Self‐absorption is also a problem at low total absorption of the sample when the sulfur compounds are present as particles. The post‐edge intensity patterns of the sulfur K‐edge XANES spectra vary with the type of sulfur compound, with reducing sulfur compounds often having a higher post‐edge intensity than the oxidized forms. In dilute solutions (less than 0.3–0.5%) it is possible to use sulfur K‐edge XANES reference data for quantitative analysis of the contribution from different species. The results show that it is essential to use an internal calibration system when performing quantitative XANES analysis. Preparation of unknown samples must take both the total absorption and possible presence of self‐absorbing particles into consideration.     

Formation for Bass-Relief Microprofiles Based on an Analytic Formulation

A method of fast design and fabrication for bass-relief micro-profiles is developed by using an analytic formulation to determine the exposure distribution. Based on an equivalent exposure threshold model, the formulation is simplified for the case of bass-relief profile corresponding to the smaller exposure dose. The mask function for a microlens array is designed without iteration involved by the analytic formulation. The experiment is performed to validate the method, and the fabrication result is obtained with the profile error less than 30nm （rms）.     

Robust analysis of multiplexed SERS microscopy of Ag nanocubes using an alternating minimization algorithm

To drive the application of surface‐enhanced Raman spectroscopy (SERS) mapping in ex vivo diagnostic imaging and non‐biological material characterization, we have designed a robust and accurate multiplex spectral fitting method using an alternating minimization algorithm to extract individual constituent Raman spectra with very small overall fitting error (as low as 2%). For each mixed Raman signal, constituent spectra and mixture coefficients were estimated jointly based on reference spectra that were measured in the lab. Our method is based on a Poisson model to reflect the photon counting nature of Raman signals and includes the nonlinear noise in the measured data, making our method robust against data containing relatively large random noise. In our method, we minimized a cost function consisting of two terms: (1) the overall fitting error between the measured and modeled spectra and (2) the sum of the individual error between each reference spectrum and its corresponding constituent. This method inherently guarantees that the estimates will approach the global minimum with monotonic convergence. The accuracy of our method was validated by applying it to a SERS spectral fitting problem and comparing our results to those from existing methods. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

二组分食用混合油的线性混合模型研究与应用

基于二组分混和食用油的吸收系数是各自组分吸收系数按照掺杂比例的线性组合的假设以及朗伯-比尔吸收机理,提出并推导了二组分食用混合油的线性混合数学模型。该数学模型可根据相同厚度的两种原料油和其二组分混合油对相同光源的吸收光强变化计算出混合油的组分比例。根据误差理论,利用全微分公式分析了组分比例计算值的误差,表明通过选择使两种原料油的透射光强和吸光度差值的乘积较大的波长位置,可以优选出检测波长。搭建了可见-近红外光谱检测系统,利用花生油掺杂玉米油、花生油掺杂大豆油和玉米油掺杂大豆油三种混合油对模型进行了验证。结果表明,该模型对掺杂10%以上的混合油的成分比例计算值和实际值的相对误差在5%以内,相关系数分别达到0.999 4,0.999 7和0.999 3,标准误差分别为0.006 9,0.005 1和0.007 6,并证实本研究的波长选取方法是合理的。此外,对3种按同样比例组合的、未混合的分立油样本进行了检测,计算组合比的相对误差也可控制在10%以内,同时揭示入射光源的平行度和待测装置的垂直度对检测精度有一定影响。试验证明,不同于传统的光谱结合化学计量学的检测方法,本方法可以仅通过检测原料油和混合油在选定波长上的吸收光强即可准确计算得到掺杂比例。     

Raman analysis of bilayer graphene film prepared on commercial Cu(0.5 at% Ni) foil

This study reports the Raman analysis of bilayer graphene films prepared on commercial dilute Cu(0.5 at% Ni) foils using atmospheric pressure chemical vapor deposition. A bilayer graphene film obtained on Cu foil is known to have small areas of bilayer (islands) with a significant fraction of non‐Bernal stacking, while that obtained on Cu/Ni is known to grow over a large area with Bernal stacking. In the Raman optical microscope images, a wafer‐scale monolayer and large‐area bilayer graphene films were distinguished and confirmed with Raman spectra intensities ratios of 2D to G peaks. The large‐area part of bilayer graphene film obtained was assisted by Ni surface segregation because Ni has higher methane decomposition rate and carbon solubility compared with Cu. The Raman data suggest a Bernal stacking order in the prepared bilayer graphene film. A four‐point probe sheet resistance of graphene films confirmed a bilayer graphene film sheet resistance distinguished from that of monolayer graphene. A relatively higher Ni surface concentration in Cu(0.5 at% Ni) foil was confirmed with time‐of‐flight secondary ion mass spectrometry. The inhomogeneous distribution of Ni in a foil and the diverse crystallographic surface of a foil (confirmed with proton‐induced X‐ray emission and electron backscatter diffraction, respectively) could be a reason for incomplete wafer‐scale bilayer graphene film. The Ni surface segregation in dilute Cu(0.5 at% Ni) foil has a potential to impact on atmospheric pressure chemical vapor deposition growth of large‐area bilayer graphene film. Copyright © 2015 John Wiley & Sons, Ltd.     

Effect of Non‐Ideal Mixed Solvents on Dimensions of Poly(N‐Vinylpyrrolidone) and Poly(Methyl Methacrylate) Coils

An addition of a small amount of non‐solvent tetrahydrofuran (THF) to good solvent water gave rise to a strong solvent power for poly(N‐vinylpyrrolidone) (PVP). It was found that PVP coils in mixtures of water and THF first swelled as the fraction of THF was increased, and then the coils contracted after a critical composition of the solvent mixture based on the measurement of dilute solution viscosities. It was reached that the power of the mixed solvents was not the simple average of the power of individual components. The influence of the non‐ideal mixing of water and THF on the power of these mixtures for PVP and the dimensions of PVP coils was taken into account. Especially the formation of pseudo‐clathrate hydrate structure with the composition φ _THF ≈ 0.44 was found to be an important factor to change the solvation and dimensions of PVP coils. Some other solvent mixtures for PVP and poly(methyl methacrylate) (PMMA) were also found to be non‐ideal mixtures. The viscosities of these solvent mixtures could show positive or negative deviation from the values obtained from the addition rule. It was shown again that the influence of the non‐ideality of these solvent mixtures on the dimensions of polymer coils was great. The action of mixed solvents changed the dimension of polymer coils, not only because of excluded volume effects but also because of the different molecular interactions present in these mixed solvents.     

基于中波红外光谱遥测的温度估计算法

高于绝对零度的物体满足Plank定律,因此红外辐射在一定程度上反映温度。红外辐射测温具有响应速度快,分辨率高,能较好的实现对微小、高速移动等不可接触测量目标的温度测量。用一种先进的双波段红外遥感光谱系统采集不同温度金属的红外发射光谱,分析和研究这些不同温度的光谱数据所具有的不同特征。在此基础上,对样本提取重心位置、波峰位置、波长λ₁的值、波长λ₂的值四种光谱特征,寻找温度与其之间的函数关系;并建立多元线性回归模型,通过光谱反推温度值。实验结果表明,该方法可以有效的分辨有明显温差的高温物体,在实验所测温度范围内的测温绝对误差小于30 ℃,在测量误差小于20 ℃的置信区间内有98%正确率,优于一般系统需要保证目标发射率、大气透射率、环境等效辐射温度等复杂参数高精度的情况下2%的测温精度。该方法可以简单有效的对远距离目标测温,从而进一步拓展红外光谱遥测温度的应用领域。