水体有机污染物浓度检测中的紫外光谱分析方法

水体中的大多数有机污染物在紫外区域有较强的吸收,因此可利用紫外吸光度检测水体中的有机污染物浓度。在检测过程中,通过平滑、导数、标准正态变量变换等光谱预处理后,采用主元回归、偏最小二乘、支持向量机等方法建立回归模型,并由该模型依据待测样本的紫外光谱数据计算出有机污染物浓度。为了探究不同的预处理方法、建模方法在有机污染物浓度检测中的特点及内在联系,本文对一组来自污水厂进出水的光谱数据采用不同的预处理和建模方法进行实验研究,研究结果表明:当获得的原始数据较好时,可以直接进行建模,进行光谱预处理反而会使模型效果下降;由于本实验中污水的样本数小于光谱数据点数,所以最小二乘支持向量机更适合于本组实验样本。     

光谱预处理方法选择研究

复杂样品光谱信号往往会受到杂散光、噪声、基线漂移等因素的干扰,从而影响最终的定性定量分析结果,因此通常需要在建模前对原始光谱进行预处理。目前已有的光谱预处理方法包括很多种,如何寻找合适的预处理方法是很棘手的问题。一种途径是观察光谱信号特点选择预处理方法（visual inspection）,另一种途径是根据建模性能的优劣反过来选择预处理方法（trial-and-error strategy）。前者无需建模,更具有解释性,但是有时会由于选择者主观的因素导致错误的结果;后者无需观察光谱特点,但需要考察大量的预处理方法,对大数据集比较费时。因此需要探讨哪种选择方式更科学与合理。本研究采用9组数据,通过对10种预处理方法的120种排列组合来探讨预处理的必要性及预处理方法的选择。首先,优化偏最小二乘（PLS）的因子数及一阶导数、二阶导数、SG平滑的窗口参数,连续小波变换（CWT）的小波函数和分解尺度。然后把无预处理及一阶导数、二阶导数、CWT、多元散射校正（MSC）、标准正态变量（SNV）、SG平滑、中心化、Pareto尺度化、最大最小归一化、标准化10种预处理方法按照背景校正、散射校正、平滑和尺度化的顺序进行排列组合,得到120种预处理及其组合方法。最后对不同数据及相同数据的不同组分分别进行120种预处理,分析光谱信号特点及预处理后PLS建模的预测均方根误差值（RMSEP）。结果表明,相比观察光谱信号特点,根据光谱与预测组分的建模效果可以更为准确地选择最佳预处理方法。对于多数数据,采用合适的预处理方法可以提高建模效果;对于不同的数据集,因为其数据集信息和复杂性不同,所以其最佳预处理方法也不同;对于相同数据集,即使光谱相同,但不同组分的预处理方法也不相同。因此,不存在普适性的最佳预处理方法,最佳预处理方法除了与光谱有关,还与预测组分有关。通过对已有预处理方法按照预处理目的进行分类再排列组合是选择最佳预处理方法的一种有效途径。     

基于近红外反射光谱的洋葱可溶性固体物检测

研究利用近红外(924～1 720 nm)反射光谱预测了洋葱的可溶性固体物含量。实验选取了三种不同产地和不同采收期的洋葱为样本(268)。在重复采集光谱数据之后,榨取对应光谱采集处洋葱块汁,测定可溶性固体物参考值。研究对比了Savitzky-Golay平滑、散射校正和微分处理等预处理方法,同时基于偏最小二乘回归方法建立了统计模型。结果表明,带S-G平滑的微分处理在平滑窗口为32,跨度为10时效果最佳。一阶微分比二阶微分的预处理效果要好,预测复相关系数R2为0.87,均方根误差RMSEP为2.42 °Brix。对比显示,无平滑处理光谱数据散射校正预处理得到的结果最好,预测复相关系数R2为0.88(RMSEP=2.31 °Brix)。采用交叉验证得到的PLSR模型预测复相关系数R2为0.90,RMSEP为1.84 °Brix,其相对分析误差RPD为3。说明加散射校正处理的近红外反射光谱可用于洋葱的可溶性固体物检测。     

光程变化对基于近红外光谱的黄酒品质检测的影响

以绍兴酒为研究对象,利用近红外光谱分析技术和化学计量学分析方法,开展了光程变化对基于近红外光谱的黄酒品质检测影响的研究,建立了黄酒酒精度、糖度和pH值3个品质指标的分析模型.通过比较0.5,1,1.5,2,2.5和3 mm 6个不同光程,并比较原始光谱、一阶微分光谱和二阶微分光谱三种光谱预处理方式对模型性能的影响,确定了这3个指标的最佳检测方式.黄酒酒精度和pH的最佳检测方式为:光程2 mm,采用偏最小二乘回归结合原始光谱;糖度的最佳检测方式为光程1mm,采用偏最小二乘回归结合原始光谱.这一研究表明光程变化对基于近红外光谱的黄酒品质检测有影响,选择合适的光程能够有效地提高检测精度.     

大米拉曼光谱不同预处理方法的相近产地鉴别研究

用相近产地的大米代替独有的地理因素形成的地域品牌大米,消费者难以辨别。基于拉曼光谱技术,试验对比不同预处理方法包括一阶导数+平移平滑、二阶导数+平移平滑,小波变换+去除基线三种常用的预处理方法,另外提出一种改进的分段多项式拟合+去除基线共四种预处理方法,分别结合偏最小二乘法实现相近产地大米的鉴别分析,提出一种最佳的鉴别相近产地大米的预处理方法。首先用拉曼光谱仪采集了黑龙江省依安县3个相近产地大米的150个拉曼位移为200～3 100 cm-1的大米光谱样本,再对原始拉曼光谱分别用一阶导数+平移平滑、二阶导数+平移平滑、小波变换+去除基线、分段多项式拟合+去除基线进行光谱预处理。分别从每个产地选取33个样本进行训练,并对未知的51个样本建立了基于偏最小二乘法的鉴别分析模型,在训练集中一阶导数+平移平滑的预处理方法相关系数值最大、均方误差和均方根误差最小,小波变换+去除基线的预处理方法相关系数值最小、均方误差和均方根误差最大;在测试集中采用3点2次拟合+去除基线的预处理方法的相关系数值最大、均方误差和均方根误差最小,二阶导数+平移平滑的预处理方法最差。最后再通过PLS建模结果得知,在训练集中,采用四类九种预处理的方法对三个产地大米的总识别率均为100%;在测试集中,采用3点2次拟合+去除基线对三个产地大米总识别率为100%,采用5点2次拟合+去除基线对三个产地大米总识别率为52.9%,其他分段多项式拟合介于二者之间;采用一阶导数+平移平滑、二阶导数+平移平滑和小波变换的总识别率分别为88.2%,86.2%和96.1%;从中发现,分段式多项式拟合中的3点2次拟合+去除基线的优势明显,与其相关系数、均方误差、均方根误差结果吻合,总体识别率高,鉴别效果稳定。     

近红外透射光谱应用于黄酒酒龄的定性分析

应用近红外光谱透射技术,结合化学计量学方法,开展了黄酒酒龄定性鉴别的研究,并对不同光谱预处理方法(未处理、平滑、二阶微分)对酒龄鉴别结果的影响进行了对比分析。试验采用傅里叶变换近红外光谱仪,以86瓶绍兴黄酒为标准样品,并结合不同光谱预处理方法及判别分析法,建立了黄酒酒龄定性鉴别模型。光谱平滑处理对酒龄鉴别结果影响不显著,而微分光谱分析结果最差,近红外原始光谱结合判别分析法的分析结果最优,其校正集正确分类的百分比达98.1%,预测集达90.6%。研究表明,近红外光谱透射技术结合原始光谱及判别分析法可作为一种可靠、准确、快速的检测方法用于黄酒酒龄定性鉴别分析。     

可见光/近红外光谱技术快速测定橙汁柠檬酸含量

为了快速无损测定橙汁的柠檬酸含量,提出了一种用可见光/近红外光谱技术进行检测的新方法。选用高效液相色谱法作为光谱柠檬酸测定的标定方法。采用平滑点数为5的移动平滑法对原始光谱进行预处理消除噪声。由于采集的光谱数据量非常大,为了减少建模时间,建模之前采用小波变换对经过预处理的大量光谱数据进行降维压缩,并在Matlab7.01中通过自编程序实现此变换。利用光谱专用分析软件Unscrambler 9.5,对压缩后的新变量进行分析,建立偏最小二乘(PLS)校正模型。考虑到不同小波基及分解尺度对数据压缩的影响,采用预测平方和PRESS值最小的评价标准,选择最佳的小波基Db4及分解尺度5。用于本实验的样本总数为40,其中30个样本进行建模,10个用于预测。用校正集相关系数(r)和标准偏差(SEC)作为校正模型的评价指标,预测结果采用预测相关系数(r)和预测标准偏差(SEP)来评定。文章将基于小波变换的PLS模型与直接建立的PLS模型进行了比较,偏最小二乘法结合小波变换的模型预测相关系数为r=0.901, 预测标准偏差SEP=0.937;而由PLS建立的模型其预测相关系数r=0.849,预测标准偏差SEP=1.662。由此可见,由偏最小二乘法结合小波变换所得模型效果优于单独使用偏最小二乘法的结果。     

基于拉曼光谱和多空间融合预处理方法的葡萄糖成分检测

采用多空间融合的预处理方法结合偏最小二乘回归,对低浓度葡萄糖样品的拉曼光谱进行定量分析。通过傅里叶变换拉曼光谱仪获得低浓度葡萄糖样品的光谱数据,结合多空间融合预处理方法和采用传统的偏最小二乘方法建立建立线性定量回归分析模型。用相关系数r、预测均方根误差RMSEP、交叉验证均方根误差RMSECV等参数作为评价模型的指标,实验表明,不同的光谱预处理方法对建模效果有较强的的影响,通过比较可知将基线校正、正交信号校正及Savitsky-Golay平滑三种预处理结合后的,模型的r=0.979 8,RMSEP=0.031 7,RMSECV=0.031 0,明显优于其他预处理方式。由此说明,通过多空间融合的预处理方法对光谱数据进行优化的操作是可行的,较好的预处理融合方式对实验模型准确性和稳健性影响很大。     

血浆中葡萄糖浓度的近红外光谱测量和分析

糖尿病是目前较为普遍的一种内分泌疾病。血糖的无创监测是世界各国研究和开发的一个热点。用近红外光谱技术对血浆进行了浓度分析。利用近红外光谱透射测量血糖浓度的吸光度变化,选择包含有葡萄糖特征峰的谱段建立校正模型,所建立的模型应使误差最小和相关系数最大。采用基线校正和曲线平滑的方法对光谱曲线作预处理,滤除噪声,突出有用信息。用偏最小二乘法(PLS)建立回归模型。对血浆中血糖浓度的实际值和计算值做了比较。     

辐照处理对油菜籽光谱特性影响的研究

针对油菜籽经过核辐照处理后其光谱反射特性会发生改变的特点,提出了应用可见／近红外光谱技术进行油菜籽的快速无损鉴别。利用偏最小二乘法和BP神经网络建立鉴别模型,并比较了不同光谱预处理方法、主成分数据变换方式及隐含层节点数对模型预测结果的影响。实验采用五种剂量辐照(50, 100, 150, 200Gy和不经核辐照处理)的油菜籽共135个样本进行建模,49个进行预测。结果显示,最优模型是原始光谱数据先经过中值滤波平滑法、附加散射校正及一阶求导法预处理。经PLS方法提取6个主成分经自然对数变换后,选取神经网络隐含层结点数为4个或9个。最优模型对是否经过核辐照处理的样本识别率达100%,对核辐照剂量预测精度为85.71%, 说明提出的方法可以用于评估核辐照处理对油菜籽光谱特性产生的明显影响。     

盐酸左西替利嗪片的近红外漫反射光谱定量分析

利用近红外光谱结合偏最小二乘法实现对不同品牌盐酸左西替利嗪片剂有效成分的定量分析。经内部交叉验证,确定最佳波数范围和光谱预处理方法,以及最佳主成分数,建立最优PLS校正模型。对验证集样品浓度进行预测,得到均方根误差RMSECV、决定系数R2分别为0.276和0.974。该方法能够用于不同厂家盐酸左西替利嗪片的快速定量分析,是一种有效的药品快速检验技术。     

基于LIBS技术的钢铁合金中元素多变量定量分析方法研究

针对钢铁合金样品元素组成相对复杂,基体效应较严重的问题,利用激光诱导击穿(LIBS)光谱技术对钢铁合金中的元素进行了定量分析。以Nd∶YAG脉冲激光器基频1 064 nm波长激光作为激发光源,采用中阶梯光栅光谱仪和ICCD分光探测钢铁合金样品的LIBS光谱。通过优化实验确定最佳探测延时为1.5 μs,最佳探测门宽为2 μs,激光聚焦点位置在实验样品靶面以下1.5 mm。采用单变量定量分析、多变量线性回归和偏最小二乘(PLS)三种方法分析钢铁合金中Cr元素和Ni元素的含量。结果表明,采用单变量定标方法定标曲线相关系数不高,对待测样的预测误差相对较大,难以有效地定量分析基体元素复杂的钢铁合金中金属元素的含量;采用多变量线性回归分析方法能有效提高定量分析的精度;采用PLS方法得到的Cr和Ni元素的拟合曲线相关系数r分别为0.981和0.995,对两个待测样品中Cr元素和Ni元素的预测相对误差在6.4%和7.1%以内,分析结果优于多变量线性回归方法。可见,采用多变量校正的PLS方法能更有效地校正基体效应对定量分析的影响,提高定量分析的精度。     

简化苹果糖度预测模型的近红外光谱预处理方法

采用正交信号校正法(OSC)和净分析物预处理法(NAP)分别对苹果的近红外光谱(1300~2100 nm)进行预处理,并结合偏最小二乘法(PLS)建立了糖度预测模型。应用结果显示,随着预处理过程中所用的正交信号校正因子或净分析物预处理因子的逐渐增加,偏最小二乘糖度模型(OSC/PLS模型和NAP/PLS模型)所采纳的最佳因子数也会随之减少,甚至可减至1。当采用10个正交信号校正因子预处理苹果光谱时,OSC/PLS糖度模型达到最佳性能,最佳模型采纳的因子数为2;采用11个净分析物预处理因子预处理光谱时,NAP/PLS糖度模型达到最佳性能,最佳模型采纳的因子数为1。从总体上评价,最佳OSC/PLS糖度模型和最佳NAP/PLS糖度模型的性能都明显优于原始光谱的最佳偏最小二乘模型。这些结果表明,正交信号校正法和净分析物预处理法都能在保证精度的同时有效地简化苹果糖度预测模型。     

基于神经网络内部模型的非线性偏最小二乘法用于火电厂烟气光谱定量分析

针对火电厂烟气光谱数据的非线性特性,采用了基于神经网络内部模型的非线性偏最小二乘定量分析方法。该方法进行偏最小二乘（PLS）回归后,将自变量和因变量的隐变量作为神经网络的输入和输出进行训练,即可得到非线性内部模型。将PLS、基于向后传递神经网络内部模型的非线性PLS（BP-NPLS）、基于径向基函数神经网络内部模型的非线性PLS（RBF-NPLS）和基于自适应模糊推理系统内部模型的非线性PLS（ANFIS-NPLS）对火电厂烟气多组分进行测定后比较,BP-NPLS、RBF-NPLS和ANFIS-NPLS较之PLS,将二氧化硫预测模型的预测均方根误差（RMSEP）分别降低了16.96%,16.60%和19.55%;将一氧化氮预测模型的RMSEP分别降低了8.60%,8.47%和10.09%;将二氧化氮预测模型的RMSEP分别降低了2.11%,3.91%和3.97%。实验表明,非线性PLS较PLS更适用于火电厂烟气定量分析。通过神经网络对非线性函数的高度逼近特性,基于本文所提及内部模型的非线性偏最小二乘方法有较好的预测能力和稳健性,在一定程度上解决了基于多项式和样条函数等其他内部模型的非线性偏最小二乘方法的自身局限性。其中,ANFIS-NPLS的效果最好,自适应模糊推理系统的学习能力能够有效降低残差,使模型具有较好的泛化性,是一种比较准确实用的火电厂烟气定量分析方法。     

光谱数据对油页岩含油率近红外光谱分析PLS建模精度的影响

目前油页岩关键的评价参数——含油率的检测方法均无法实现原位测量,无法满足油页岩资源的勘查和开采中样品检测的要求。便携式近红外光谱分析技术,为实现油页岩含油率的原位检测提供了可能性。由于光谱数据的不同形式与样品的成分含量值之间有不同的相关关系,样品不同成分的吸收特性表现在不同的近红外波段上,因此利用合成样品,针对反射率、吸光度、K-M函数等三种不同的光谱数据表示形式和四种不同的建模区间,研究它们对油页岩含油率PLS模型精度的影响情况。结果表明：对于合成样品,进行PLS建模的最佳光谱数据形式是反射率,最佳建模区间是组合特征区间,即适当的光谱数据形式及建模区间可提高模型的精度。     

可见/近红外光谱分析技术鉴别转基因番茄叶

用可见/近红外光谱（Vis-NIR spectrum）漫反射方式对转基因番茄叶和非转基因番茄叶进行了快速、无损的定性分析。实验共对68个样品（转基因38个,非转基因30个）进行分类,用TQ 6.2.1光谱分析软件中集成的判别分析（Discriminant analysis）和偏最小二乘回归法（PLS）建立校正和预测模型。研究对比了不同光谱预处理方法（微分处理和多元散射校正（MSC））对分类结果的影响。实验结果发现用判别分析较最小二乘法判别结果较好,用InGaAs检测器获得的光谱经MSC后的分类结果最好,分类正确率为89.7％（转基因番茄叶86.8％,非转基因番茄叶93.3％）。结果表明VIS-NIR可以作为一种快速的无损检测方法鉴别转基因和非转基因番茄叶。     

近红外光谱技术结合RCA和SPA方法检测土壤总氮研究

基于近红外光谱技术结合连续投影算法和回归系数分析对检测土壤总氮含量进行研究。采集农田土壤样本近红外光谱数据,土壤样本数量共394个。由于原始光谱数据量大,在500～2 500 nm光谱波长范围基础上,为简化模型,在原始光谱基础上采用连续投影算法和回归系数分析提取特征变量,以两种变量选择方法提取的特征变量作为输入,分别采用偏最小二乘回归(PLS)、 多元线性回归(MLR)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)建模方法建立总氮预测模型,共建立了9个预测模型,最优预测集的决定系数为0.81,剩余预测偏差RPD为2.26。研究表明,基于连续投影算法和回归系数分析选择的特征波长可以应用于近红外光谱检测土壤总氮含量,同时可以大大简化模型,适合开发便携式土壤养分检测仪。     

尖椒叶片叶绿素含量的近红外检测分析实验研究

应用傅里叶漫反射近红外光谱技术探讨了尖椒叶片叶绿素含量的无损检测方法。利用偏最小二乘法和主成分回归法分别建立了尖椒叶片叶绿素含量与漫反射光谱间的数学模型,同时对不同光谱预处理方法和不同建模波段范围对模型的预测性能进行对比分析。结果表明,用傅里叶变换光谱仪采集的原始光谱经平滑和基线校正对结果的影响不是很明显;利用PLS建模获得的结果明显好于采用PCR方法建模;原始光谱经二阶微分获得的预测结果比一阶微分光谱和原始光谱的预测结果好;剔除异常样本后,在全波段范围内原始光谱经二次微分的预测相关系数达到0.975 37,校正均方根误差和预测均方根误差分别为2.33和5.49。本研究说明, 应用近红外漫反射光谱检测叶片叶绿素含量是可行的,可为今后快速无损检测叶片叶绿素含量提供理论依据。     

Quantitative analysis of ammonium salts in coking industrial liquid waste treatment process based on Raman spectroscopy

Quantitative analysis of ammonium salts in the process of coking industrial liquid waste treatment is successfully performed based on a compact Raman spectrometer combined with partial least square(PLS) method. Two main components(NH_4SCN and(NH_4)_2S_2O_3) of the industrial mixture are investigated. During the data preprocessing, wavelet denoising and an internal standard normalization method are employed to improve the predicting ability of PLS models. Moreover,the PLS models with different characteristic bands for each component are studied to choose a best resolution. The internal and external calibration results of the validated model show a mass percentage error below 1% for both components.Finally, the repeatabilities and reproducibilities of Raman and reference titration measurements are also discussed.     

黄酒糖度预测的可见-近红外光谱方法研究

提出了用可见近红外光谱结合不同化学计量学方法预测黄酒糖度的新方法。用240个黄酒样本建模,60个样本进行预测。通过对光谱数据进行平滑、变量标准化及一阶导数等预处理,建立并比较了偏最小二乘法,小波变换与偏最小二乘法相结合,主成分分析与人工神经网络相结合以及主成分分析与最小二乘支持向量机相结合四种不同建模方法的预测精度,以相关系数r、预测标准差、偏差等为评判标准,得到黄酒糖度预测的最优模型为最小二乘支持向量机模型。该模型对黄酒糖度预测的相关系数为0.962、预测标准差为0.021、偏差为-0.001,获得了理想的预测精度。结果表明应用可见近红外光谱对黄酒糖度进行预测是可行的,且最小二乘支持向量机模型能得到最优的预测结果。