SPXY算法的西瓜可溶性固形物近红外光谱检测

可溶性固形物(SSC)是一种综合参数,主要包括糖、酸、纤维素、矿物质等成分,对评价果实成熟度和品质具有重要意义,影响果实口感、风味及货架期。西瓜可溶性固形物含量的无损快速检测对西瓜成熟度的确定、贮藏及运输过程中西瓜内部品质监控具有十分重要的意义,有助于提高西瓜生产效益和市场竞争力。在西瓜可溶性固形物含量的快速无损近红外光谱检测中,近红外漫透射的方式所需光源的能量大,同时大功率透射会对水果的内部品质产生影响;采用近红外漫反射方式的研究较少,但漫反射采集所需的能量小,有助于实现仪器小型便携化,成本低,同时避免透射引起的水果品质变化。以小型西瓜为研究对象,利用JDSU便携式近红外光谱仪采集西瓜样品瓜梗、瓜脐、赤道部位的近红外反射光谱,在976,1 186和1 453 nm附近有明显的吸收,利用偏最小二乘回归定量分析方法建立西瓜可溶性固形物的近红外光谱无损预测模型。首先,采用光谱-理化值共生距离(SPXY)算法对西瓜不同检测部位的样品集进行划分,以可溶性固形物含量为y变量,光谱为x变量,利用两种变量同时计算样品间距离,以保证最大程度表征样本分布,有效地覆盖多维向量空间,增加样本间的差异性和代表性,提高模型稳定性。将西瓜样品划分为51个校正集和15个预测集,校正集样本的SSC含量涵盖了预测集样本的SSC含量范围,且变异系数均小于9%,样品集划分合理,有助于建立稳健可靠的预测模型。其次,对比分析西瓜瓜梗、瓜脐、赤道检测部位的近红外反射光谱与可溶性固形物含量之间的定量模型的预测精度,结果得出西瓜赤道部位的反射光谱与可溶性固形物含量相关性较高,预测效果较好,预测集相关系数为0.629,预测集均方根误差为0.49%。对于不同检测部位获取的光谱信息所建立的近红外光谱SSC预测模型的精度问题,一方面与光谱的采集方式有关,另一方面与西瓜的产地、品种、成熟期等因素引起的其性状上的差异有关。在模型建立过程中根据实际情况确定西瓜的检测部位。最后,为提高西瓜赤道部位近红外反射光谱与可溶性固形物含量之间的预测模型精度,采用光谱预处理方法进行优化,结果得出经标准归一化预处理后,建立的偏最小二乘回归预测模型效果最佳,预测集相关系数为0.864,预测集均方根误差为0.33%,模型相关性较好,预测精度得到了很大提升。研究结果表明,近红外反射光谱检测小型西瓜赤道部位能很好预测其可溶性固形物含量,为实际生产中近红外光谱无损快速检测西瓜可溶性固形物含量及小型便携式仪器研发提供了技术储备。     

西瓜检测部位差异对近红外光谱可溶性固形物预测模型的影响

西瓜可溶性固形物含量的无损检测对提升其内部品质十分重要。为实现近红外光谱对小型西瓜表面各部位可溶性固形物含量的准确预测,减小检测部位差异对预测模型的影响,以“京秀”西瓜为研究对象,分别采集赤道、瓜脐和瓜梗三部位的漫透射光谱信息,利用偏最小二乘算法(PLS)建立并比较单一检测部位和混合所有检测部位的西瓜可溶性固形物近红外光谱预测模型,并分别采用连续投影算法(SPA)和竞争性自适应重加权算法(CARS)对西瓜可溶性固形物近红外光谱变量进行特征波长筛选。结果显示,相比于单一检测部位的模型,混合所有检测部位的校正集样本建立的模型取得了较优的预测结果。同时,利用CARS算法筛选的42个特征波长变量建模,对三种检测部位预测集样本的预测结果分别为赤道R_P=0.892和RMSEP= 0.684 °Brix,瓜脐R_P=0.905和RMSEP= 0.629 °Brix,瓜梗R_P=0.899和RMSEP= 0.721 °Brix。模型得到了很大的简化,且预测精度较高。比较发现,利用SPA算法筛选的19个特征波长变量所建模型的预测精度较低。利用三种检测部位的西瓜样本建立的PLS混合预测模型,结合CARS算法进行有效特征波长变量筛选,可提高西瓜可溶性固形物预测模型的精度,实现西瓜表面各部位可溶性固形物含量的准确预测,减小检测部位差异对近红外光谱预测模型的影响。结果为今后开发便携式设备检测西瓜表面各部位可溶性固形含量提供参考依据。     

利用近红外及中红外融合技术对小麦产地和烘干程度的同时鉴别

小麦是制作馒头的主要原料之一,小麦中水、蛋白质、淀粉会因产地以及烘干程度的差异而不同,进而影响到加工成馒头的品质。所以实现对小麦产地和烘干程度的快速鉴别就显得尤为重要。感官评定是鉴别小麦产地和烘干程度常用的方法,对比感官评定,光谱分析可以识别样品中的分子结构等信息。基于此,尝试利用近红外和中红外光谱融合技术实现对不同产地和不同烘干程度的小麦同时鉴别。首先选取了两个不同产地的小麦,再利用微波干燥法对两个不同产地的小麦做烘干预处理,使烘干的小麦水含量为12%±0.5%,原麦水含量为18%±0.5%。分别标记为原麦A,烘干A,原麦B,烘干B,再将小麦研磨成粉末,过100目筛网筛选后,置于自封袋中备用。随后分别采集四种小麦样品的近红外和中红外光谱信息,在Matlab 7.10的环境下使用标准正态变量变换(standard normal variable transformation, SNVT)对采集到的原始光谱数据进行预处理,利用主成分分析对预处理后的数据进行降维处理,再结合线性判别分析（linear discriminant analysis,LDA）和支持向量机（support vector machine, SVM）分别建立小麦近红外、中红外光谱数据识别模型。另外利用联合区间偏最小二乘法（synergy interval partial least square, SiPLS）筛选出利用标准正态变量变换(SNVT)预处理后的小麦近红外和中红外光谱数据特征光谱区间,将筛选出的近红外和中红外光谱数据特征光谱区间融合后再结合线性判别分析（LDA）和支持向量机（SVM）建立小麦融合光谱信息的识别模型。然后比较同种光谱数据下利用线性判别分析（LDA）和支持向量机（SVM）建立的小麦识别模型识别率、比较同种建模方法下近红外和中红外光谱数据建立小麦识别模型识别率、比较同种建模方法下光谱数据融合和单一光谱数据建立小麦识别模型识别率。结果表明,同种光谱分析方法,利用SVM建立的四种小麦识别模型识别率高于利用LDA建立的小麦识别模型识别率。同种建模方法,近红外光谱数据建立的小麦识别模型识别率优于中红外光谱数据建立的小麦识别模型识别率。而在同种建模方法下,利用SiPLS筛选出近红外和中红外光谱数据的特征光谱区间数据融合后建立小麦识别模型识别率最高,光谱数据融合后结合LDA建立的小麦识别模型校正集识别率为98.75%,预测集识别率为97.50%;而将此选择的变量结合SVM建立的小麦识别模型的校正集和预测集识别率都达到100.0%。对比利用单一光谱数据建立的小麦识别模型识别率,光谱数据融合之后建立的小麦识别模型识别率得到显著提高,该研究从纵向和横向上全面地比较了光谱数据建立的小麦模型识别率,结果可为更准确地运用光谱融合技术建立小麦产地以及烘干程度识别模型提供参考。     

废旧涤/棉混纺织物NIRS定性分析模型的建立与外部验证（英文）

利用近红外光谱技术对354个废旧涤/棉混纺织物进行研究,通过偏最小二乘法(partial least squares,PLS)和定性鉴别系数建立了不同光谱特征的涤/棉混纺织物近红外定性分析模型。染色涤/棉混纺织物NIR光谱主要有两大类,一类具有正常涤/棉光谱特征,另一类光谱由于样本中染料、颜料和消光剂等化学助剂的影响,使光谱谱线成斜线,失去其光谱特征。如以全部样本建模,模型识别率较低。故将样本分为两类:斜线光谱样本和正常光谱样本,分别建立NIR定性分析模型。NIR定性分析模型建立后,根据验证结果分别对建模的谱区、预处理方法和主因子数进行优化,以提高模型的稳健性和可靠性。结果表明,样本分别建模后,模型的识别率大大提高,用验证集样本进行内部验证,正常光谱和斜线光谱所建模型的识别率均达99%,其校正集相关系数RC均为0.991,验证集相关系数RP分别为0.983和0.984、校正标准差SEC分别为0.887和0.453、预测标准差SEP分别为1.131和0.573。用150个界外样本分别对正常光谱样本模型和斜线光谱样本模型进行外部预测检验,模型识别率分别达91.33%和88.00%,表明所建NIR定性分析模型能够较好地在回收现场进行涤/棉混纺织物的鉴别。     

废旧涤／棉混纺织物NIRS定性分析模型的建立与外部验证

利用近红外光谱技术对354个废旧涤/棉混纺织物进行研究,通过偏最小二乘法（partial least squares ,PLS ）和定性鉴别系数建立了不同光谱特征的涤/棉混纺织物近红外定性分析模型。染色涤/棉混纺织物N IR光谱主要有两大类,一类具有正常涤/棉光谱特征,另一类光谱由于样本中染料、颜料和消光剂等化学助剂的影响,使光谱谱线成斜线,失去其光谱特征。如以全部样本建模,模型识别率较低。故将样本分为两类：斜线光谱样本和正常光谱样本,分别建立NIR定性分析模型。NIR定性分析模型建立后,根据验证结果分别对建模的谱区、预处理方法和主因子数进行优化,以提高模型的稳健性和可靠性。结果表明,样本分别建模后,模型的识别率大大提高,用验证集样本进行内部验证,正常光谱和斜线光谱所建模型的识别率均达99％,其校正集相关系数 RC 均为0.991,验证集相关系数 RP 分别为0.983和0.984、校正标准差S EC分别为0．887和0.453、预测标准差SEP分别为1.131和0.573。用150个界外样本分别对正常光谱样本模型和斜线光谱样本模型进行外部预测检验,模型识别率分别达91.33％和88.00％,表明所建NIR定性分析模型能够较好地在回收现场进行涤/棉混纺织物的鉴别。     

波长优选对土壤有机质含量可见光/近红外光谱模型的优化

可见光/近红外光谱模型是土壤属性预测的有效工具。波长优选在光谱建模过程中起着重要作用。文中首先利用从安徽省涡阳县采集的130个砂姜黑土土壤样本获得可见光/近红外光谱,然后利用平滑与多重散射校正联合的光谱预处理方式消除光谱中的无关变量和冗余信息以提高模型预测结果的相关性,再利用SPXY方法挑选建模集样本,分别利用连续投影算法和遗传算法进行波长优选,最后利用留一法进行交互验证建立有机质含量的主成分回归模型。研究结果显示：连续投影算法和遗传算法都可以有效地减少参与建模的波长数并提高模型的准确度,尤其是遗传算法能够更好地提高土壤有机质含量预测精度,其相关系数、预测均方根误差和相对分析误差分别达到0.9316,0.2142和2.3195。通过合适的特征波长选取,不仅计算量可以大大减少,预测精度也会有效提高。     

便携式近红外光谱仪的苹果糖度模型温度修正

样品温度对近红外光谱有很大影响,在近红外技术评价水果品质的实际应用时,需要修正温度变化对模型预测结果的影响。便携式近红外光谱仪采集不同温度下(0～30℃)苹果的漫透射光谱,采用二阶导数和卷积平滑进行预处理。选取20℃下代表性样本的光谱数据,建立基准PLS模型。斜率/偏差法分别计算苹果糖度PLS模型在0,10和30℃下的修正方程。分析结果表明:斜率/偏差法对0,10和30℃下外部样本预测结果进行修正,预测精度得到显著提高,其修正前后的Q值分别为0.525cv 0.810,0.680cv0.822,0.669cv 0.802。温度修正模型可以有效提高预测精度,也扩展了近红外仪器的适用性,为自主研发便携式近红外光谱仪提供参考。     

作物和杂草叶片的可见-近红外反射光谱特性

为了进行快速实时的杂草识别,研究了作物和杂草叶片的可见-近红外反射光谱特性.选择了两种常见的 田间作物大豆(Glycine max)和玉米(Zea mays),以及铁苋菜(Acalypha australis L.)和田字草(Marsilea quadrifolia L.)两种杂草作为研究对象.每种各30个样本.共120个样本.采用ASD Fieldspec便携式光谱仪进行光谱采集.在对400～1000 nm的光谱数据进行平滑和-阶求导预处理、.通过主成份分析.去除了一个奇异样本.最后用79个样本组成的建模集进行偏最小二乘法建模.对剩余的40个样本进行预测.预测模型结果的相关性达到0.986,识别率达到100%.说明研究中选用的作物和杂草叶片的可见-近红外反射光谱特性之19有较大的区别,町以用于 进行杂草和作物的区分.     

SVDD的近红外光谱定性分析光谱质量判定方法

近红外光谱属微弱信号,其质量易受被测物体自身状态及各种外界因素干扰,具体而言,在近红外光谱定性分析中,影响光谱质量的因素主要有光谱仪状态改变、光谱采集人员错误操作、奇异样本干扰等。建模时若混入质量较差的光谱易影响所建模型的稳健性与适用性,因此光谱质量判定是确保模型预测能力的一项重要工作。目前用于定量分析的光谱质量判定研究较多,而用于定性分析的光谱质量判定研究较少,为此,提出一种基于支持向量机数据描述的近红外光谱定性分析光谱质量判定方法,采用自制漫透射近红外光谱装置采集单籽粒玉米光谱,以正常状况下采集的某品种玉米单籽粒漫透射光谱作为正常样本,而人为漏光、近红外探测器窗口覆盖玉米表皮碎屑、光源强度改变、光源与被测玉米籽粒距离改变、相近品种玉米籽粒混入等几种情况下所采集光谱作为异常样本,在此数据集基础上研究了基于支持向量机数据描述的定性分析光谱质量判定模型建立的原理与方法,其后将支持向量机数据描述方法与常用的马氏距离法、局部异常因子法等光谱质量判定方法进行了对比,并以正常样本正确识别率与异常样本正确拒识率的均值作为评价标准,对实验结果进行分析,由实验结果可以看出相比其他两种方法,基于支持向量机数据描述的光谱质量判定方法具有最优判定能力,建模集正常样本数目会影响光谱质量判定能力,在实际使用光谱质量判定方法时,建模集应包含足量样本。在近红外定性分析时可以将该方法作为剔除异常光谱的手段,在预处理、特征提取,模式分类等近红外光谱定性分析步骤前首先进行基于支持向量机的光谱质量判定步骤,并剔除异常光谱,可有效提高近红外光谱定性分析模型的可靠性,亦为近红外光谱定性分析光谱质量判定提供新的方法参考。     

波长优选对土壤有机质含量可见光/近红外光谱模型的优化（英文）

可见光/近红外光谱模型是土壤属性预测的有效工具。波长优选在光谱建模过程中起着重要作用。文中首先利用从安徽省涡阳县采集的130个砂姜黑土土壤样本获得可见光/近红外光谱,然后利用平滑与多重散射校正联合的光谱预处理方式消除光谱中的无关变量和冗余信息以提高模型预测结果的相关性,再利用SPXY方法挑选建模集样本,分别利用连续投影算法和遗传算法进行波长优选,最后利用留一法进行交互验证建立有机质含量的主成分回归模型。研究结果显示:连续投影算法和遗传算法都可以有效地减少参与建模的波长数并提高模型的准确度,尤其是遗传算法能够更好地提高土壤有机质含量预测精度,其相关系数、预测均方根误差和相对分析误差分别达到0.931 6,0.214 2和2.319 5。通过合适的特征波长选取,不仅计算量可以大大减少,预测精度也会有效提高。     

Detection of bone disease with ultrasound--comparison with bone densitometry

A system for ultrasonic in-vivo examination of a heel bone (calcaneus) was developed. When operating in transmission mode, the system can measure broadband ultrasonic attenuation-BUA, speed of sound--SOS and thickness of bone. BUA and SOS are measured by comparing the pulses transmitted through the heel with the reference pulse transmitted through water. In our approach, we operate in the backscattered mode in addition to transmission. The backscattered ultrasonic technique for bone characterization is very promising because the magnitude of backscattered waves depends on the scattering cross-section of a trabecular structure that, to some extent, describes the microarchitecture of a calcaneus. Additionally, when the backscattered and transmitted signals are compared, some of the signal distortions caused by tissue and bone interfaces are reduced. A set of data representing signals transmitted through the heel and reflected inside a calcaneus for patients with osteoporosis was collected. Several signal-processing techniques were applied in order to smooth the backscattered signal and to calculate a trabecular structure cros-section (TSC) function. Results obtained by these approaches along with a spectral shift method and a standard BUA measurement are presented and compared to X-ray bone mineral density determination results.     

Interaction of waves with a birefringent medium moving with acceleration

Recent experiments demonstrated that the energy of a neutron traversing an accelerated sample of a refractive medium changes. Later, it was realized that such an accelerated-medium effect (AME) is quite a general phenomenon characteristic of waves and particles of different nature. This paper discusses some special features of the effect for a birefringent medium. In this case, AME shows quite new features. In neutron optics, where birefringence is due to the spin dependence of the refractive index, AME results in a nonstationary state with a precessing spin. In the case of the propagation of a two-flavor neutrino through an accelerated layer of matter, AME affects substantially the ensuing evolution of a neutrino flavor state as it propagates through a free space.     

Interactions of metal ions with monolayers and with Langmuir-Blodgett films

Summary Oriented systems such as monolayers and Langmuir-Blodgett multilayers constitute supramolecular structures appropriate for ion detection. In fact, they are sensitive to small quantities of ions since they have specifically oriented ligand head groups that can easily combine with the ions to be detected in solution. We investigated monolayers of dioctadecyldithiocarbamate (DODTC) specificially synthesized and we studied the interactions of the monolayers with transition metal ions such as Ni²⁺ dissolved in the subphase. The spreading isotherms, the surface potential-area isotherms and the spectroscopic measurements (UV-Vis absorption and ESCA spectroscopy) show that the metal ions can combine with the DODTC monolayers. The present findings show that it is possible to employ these systems to build chemical sensors for transition metal ions Paper presented at the I International Conference on Scaling Concepts and Complex Fluids, Copanello, Italy, July 4–8, 1994.     

Thermomechanical behavior of SBR reinforced with nanotubes functionalized with polyvinylpyridine

The mechanical and thermal behavior of composites consisting on a styrene–butadiene rubber (SBR) matrix with a sulphur/accelerator system and multiwalled carbon nanotubes functionalized with poly-4-vinylpyridine (MWCNT-PVP) as reinforcement, were studied. The materials were tested with stress-strain tensile tests, DMTA and DSC for thermal properties. A strong increase in the plastic behavior with slight decrease of its elastic Modulus and Tg led to unexpected results.     

Strength Properties of Zirconium Ceramics with Silica Additives Hardened with Alumina

Physics of the Solid State - The effect of Al2O3 and SiO2 admixtures on strength properties of calcia-stabilized zirconia ceramics is studied. Optimal ratios of the components of CaO–ZrO2 +...     

Velocity distributions of granular gases with drag and with long-range interactions

We study velocity statistics of electrostatically driven granular gases. For two different experiments, (i) nonmagnetic particles in a viscous fluid and (ii) magnetic particles in air, the velocity distribution is non-Maxwellian, and its high-energy tail is exponential, P(upsilon) approximately exp(-/upsilon/). This behavior is consistent with the kinetic theory of driven dissipative particles. For particles immersed in a fluid, viscous damping is responsible for the exponential tail, while for magnetic particles, long-range interactions cause the exponential tail. We conclude that velocity statistics of dissipative gases are sensitive to the fluid environment and to the form of the particle interaction.     

光谱法研究聚赖氨酸与纤维蛋白原的相互作用

聚赖氨酸是一种重要的聚阳离子,在生物医药领域具有广泛的应用前景。但是,目前其血液相容性的相关报道较少,特别是通过光谱法研究其与血液中重要蛋白的相互作用。因此,通过多种光谱法研究聚赖氨酸与纤维蛋白原的相互作用,进一步评价其血液相容性具有一定的创新性。本实验通过荧光、紫外和圆二色谱研究聚赖氨酸对纤维蛋白原结构的影响。其中,聚赖氨酸的正电性随着浓度增大而增大;复合实验显示,0.01 mg·mL-1的聚赖氨酸对纤维蛋白原的功能影响较小,随着浓度增大,相互作用增强;荧光光谱显示,纤维蛋白原在λ_em=341 nm处出现浓度依赖性的荧光猝灭;紫外光谱显示,聚赖氨酸对纤维蛋白原吸收强度(200～240和278 nm处)的影响在0.025 mg·mL-1时较小,并出现浓度依赖性的减少;圆二色光谱显示,随着聚赖氨酸浓度增大,纤维蛋白原的α-螺旋含量减少,β-折叠、β-转角和无规卷曲含量增加。结果表明,聚赖氨酸会与纤维蛋白原发生静电相互作用,对其结构造成浓度依赖性的影响。当浓度为0.01和0.025 mg·mL-1时,聚赖氨酸对纤维蛋白原结构的影响较小;而浓度过大时,影响较大,势必破坏纤维蛋白原的生理功能。因此,研发和应用聚赖氨酸时必须充分考虑浓度因素。本实验提供了一种简便而系统的方法来研究材料与蛋白的作用,有利于充分评价材料的血液相容性。此外,上述研究结果对聚赖氨酸的生物医学应用具有重要的指导意义。     

Comparison of tunneling through molecules with Mott-Hubbard and with dimerization gaps

In order to study the tunneling of electrons through an interacting, 1D, dimerized molecule connected to leads, we consider the persistent current in a ring embedding this molecule. We find numerically that, for spinless fermions, a molecule with a gap mostly due to interactions, i.e. a Mott-Hubbard gap, gives rise to a larger persistent current than a molecule with the same gap, but due only to the dimerization. In both cases, the tunneling current decreases exponentially with the size of the molecule, but more slowly in the interacting case. Implications for molecular electronic are briefly discussed. Received: 17 November 1997 / Revised: 16 January 1998 / Accepted: 16 January 1998