食用植物油中反式脂肪酸含量的激光拉曼光谱检测

油脂中的反式脂肪酸(TFA)有害人们的身体健康,有必要对其含量进行监测。共收集各类食用植物油样本79个,涉及9个品种和27个品牌,分配到校正集和预测集的样本数分别为53个和26个。采用QE65000拉曼光谱仪采集79个样本的拉曼光谱,利用自适应迭代惩罚最小二乘法去除样本拉曼光谱的荧光背景;在此基础上,采用多种归一化方法对样本拉曼光谱进行处理,并对拉曼光谱的建模波数范围进行初选;再利用竞争性自适应重加权采样(CARS)方法筛选与食用植物油TFA含量相关的光谱变量,并应用偏最小二乘(PLS)回归将食用植物油TFA的特征变量光谱强度与气相色谱测定的TFA真实含量进行关联,建立食用植物油中TFA含量的定量预测模型。研究结果表明,多种归一化方法中,有4种归一化方法均能提高PLS定量预测模型的性能,其中Area normalization方法的效果最优;经建模波数范围初选,波数范围由686~2 301 cm-1缩减为737~1 787 cm-1,确定较优的建模波数范围为737~1 787 cm-1;经CARS方法筛选,共有31个光谱变量被选择,其选择的光谱变量主要分布在1 265,1 303,1 442及1 658 cm-1拉曼振动峰附近,且974 cm-1拉曼振动峰两侧均有光谱变量被选择;此外,CARS方法的PLS建模结果优于常用的无信息变量消除及连续投影算法。由此可知,激光拉曼光谱技术结合化学计量学方法检测食用植物油中的TFA含量是可行的。归一化方法、建模波数范围初选及竞争性自适应重加权采样(CARS)方法能有效提高TFA定量预测模型的预测精度和稳定性,优化后的TFA定量预测模型的校正集及预测集的相关系数和均方根误差分别为0.949,0.953和0.188%,0.191%。与未优化的预测模型相比,预测均方根误差由0.361%下降为0.191%,下降幅度为47.1%;建模所用的变量数由683个下降为31个,仅占原变量数的4.54%。     

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。     

基于CARS和K-S的马拉硫磷农药浓度吸收光谱预测模型研究

利用马拉硫磷在紫外/可见光波长范围内的不同浓度梯度的吸光度光谱数据,建立其快速有效的定量预测分析模型。在预测模型的建立过程中,参与建模的波长变量和校正集样本的优劣对定量分析模型的预测能力有着决定性作用。首先对实验样本是否存在异常样本进行检查,然后将200.08～750.04 nm波长范围的光谱数据采用不同预处理方法并建立PLS模型,进而将预处理结果最优(均值中心化)的光谱数据采用竞争性自适应重加权采样(CARS)算法和蒙特卡洛无消息变量消除法(MC-UVE)分别筛选出关键波长变量并建立相应的PLS预测模型,模型结果表明, CARS算法在关键变量筛选的性能上优于MC-UVE算法;再将CARS算法筛选出的18个波长变量(为原来变量数的1.137 8%)结合Kennard-Stone (K-S)算法和蒙特卡洛交叉验证(MCCV)分别优选出的44个建模样本(原来样本数的88%)建立CARS-K-S_s-PLS和CARS-CCV_s-PLS定量预测模型,R■分别为0.998 2和0.998 9, RMSEP分别为0.863 4和1.026 2, RPD分别为24.163 5和20.330 1, CARS-K-S_s-PLS模型略优于CARS-CCV_s-PLS模型。结果表明, CARS算法能够淘汰与样本浓度相关性较弱的变量,同时有效剔除无关光谱信息, K-S算法能帮助选择更优的建模样本集,马拉硫磷农药的紫外/可见光吸收光谱结合CARS算法和K-S算法所建立的CARS-K-S_s-PLS模型能够用来定量预测马拉硫磷农药浓度。研究工作为利用光谱技术快速检测有机磷农药浓度提供一定的理论依据和实验基础,在有机磷农药快速检测领域具有良好的应用前景。     

基于UVE-ICA和支持向量机的南丰蜜桔可溶性固形物可见-近红外检测

利用可见-近红外光谱技术联合变量选择新方法对南丰蜜桔的可溶性固形物(SSC)进行快速无损检测研究,以简化南丰蜜桔SSC预测模型和提高预测模型性能。试验共采用300个南丰蜜桔样本,校正集、验证集及预测集样本分别为150,75和75个。采用QualitySpec型光谱仪在350~1 000 nm波段范围内采集样本光谱,利用无信息变量消除(UVE)剔除无用信息波长变量,再采用独立成分分析(ICA)提取光谱的独立成分,最后应用最小二乘支持向量机(LS-SVM)建立南丰蜜桔的SSC预测模型,并利用未参与建模的预测集样本对模型进行评价。研究结果表明,可见-近红外光谱技术联合UVE-ICA- LS-SVM对南丰蜜桔的SSC检测精度高。UVE-ICA可以有效剔除无用信息波长变量,提取特征光谱信息,简化预测模型及提高预测模型性能。UVE-ICA- LS-SVM所建立的南丰蜜桔SSC预测模型性能优于PLS,PCA-LS-SVM及ICA-LS-SVM预测模型,其校正集、验证集及预测集的决定系数和均方根误差分别为0.978,0.230%,0.965,0.301%及0.967,0.292%。     

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。     

近红外光谱的结球甘蓝可溶性糖含量测定

结球甘蓝是一种富含碳水化合物的常见蔬菜,可溶性糖含量是决定其品质的重要参数。可溶性糖易溶于水,是蔬菜和水果口味的有效调节剂。作为碳水化合物,可溶性糖由三种元素C,H和O组成,其分子吸收光谱主要由被检测材料的分子中C-H,O-H和CO等基团的组合频率吸收和倍频吸收组成,包含丰富的有机物信息。因此,采用近红外光谱和化学计量学方法,探索结球甘蓝可溶性糖含量的快速检测方法。用德国布鲁克公司的MATRIX-Ⅰ型傅里叶变换近红外光谱仪采集161份结球甘蓝样本光谱数据。波数范围：12 800～4 000 cm-1(780～2 500 nm)。蒽酮比色法测量样本的可溶性糖。综合应用马氏距离法(MD)和蒙特卡洛交叉验证法(MCCV)剔除异常样本,采用Kennard-Stone(K-S)法将样本按照给定比例划分为校正集和验证集。分别使用Savitzky-Golay卷积平滑(S-G),一阶导数(FD),二阶导数(SD),多元散射校正(MSC)和变量标准化(SNV)及它们的组合共12种方法对样本进行光谱预处理,获得最佳预处理方法,提高光谱数据的信噪比。采用竞争性自适应重加权采样法(CARS)筛选偏最小二乘回归(PLS)模型中回归系数绝对值大的波数点,去掉回归系数绝对值小的波数点,以有效选择与所测特性值相关的最优波数组合,获得具有良好鲁棒性和强预测能力的校正模型。使用模型决定系数R2、交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)作为模型精度评价指标。根据蒙特卡洛交叉验证法和马氏距离剔除异常样本的原理,共剔除10个光谱或者化学值异常的样本。最终参与建模分析的样本个数为151。异常样本剔除后,通过K-S法将样本按照3∶1被分成校正集(110个样本)和验证集(41个样本)。使用原始光谱数据,预处理后的光谱数据和对应于优选波数的光谱数据,建立PLS模型。结果表明,利用MSC+FD光谱预处理可以提高建模精度,校正集R2从处理前的0.68增长到0.93,MSC+FD是本研究中理想的光谱数据预处理方法。利用CARS法共优选了84个建模波数。在12 000~10 000 cm-1波数区域内,有O-H键2级和C-H键3级倍频伸缩振动吸收,此区域主要的背景信息为水和其他含氢基团,在此区域内共包含了36个选定的波数。在8 500~6 000 cm-1区域,存在糖类和水的O-H键的1级倍频伸缩振动吸收,葡萄糖的O-H键的1级倍频伸缩振动吸收,该区域是包含反映可溶性糖成分的主要光谱区间,背景影响较小,CARS方法在此区域共选择了15个建模波数。5 800~4 000 cm-1区域与12 000~10 000 cm-1区域相似,包含的选定波数多,CARS方法在此区域选择了33个建模波数。利用CARS对参与建模的波数进行优选,减少了无关信息,降低了模型的复杂度,选择的波数不但引入了表征待测组分的光谱,同时还引入了代表背景信息的光谱,使得校正模型适应性增强。建立了结球甘蓝可溶性糖的全谱PLS模型,根据CARS波数优选结果,建立了结球甘蓝可溶性糖的CARS-PLS模型。对于全谱PLS定量模型,校正集的决定系数R2为0.93,RMSECV为0.157 2%,RMSEP为0.132 8%。对于CARS-PLS模型,校正集的决定系数R2为0.96,RMSECV为0.076 8%,RMSEP为0.059 4%。数据表明,两种模型具有相当的R2,但CARS-PLS模型的RMSECV是全谱PLS模型的1/2。RMSEP也接近1/2,CARS-PLS模型比全谱PLS定量模型所用建模变量少,模型得到简化,精度更优。用CARS-PLS模型对验证集41个样本进行预测,预测集决定系数R2为0.86,预测标准误差为0.059 4%。提供了一种工作效率较高的结球甘蓝质量无损检测方法。     

可见/近红外漫透射光谱结合CARS变量优选预测脐橙可溶性固形物

可溶性固形物(SSC)是脐橙重要内部品质之一。采用QualitySpec型光谱仪在350～1000 nm波段范围采集脐橙的可见/近红外漫透射光谱,采用CARS(competitive adaptive reweighted sampling)变量选择方法筛选出与脐橙SSC相关的重要变量,并与无信息变量消除(UVE)及连续投影算法(SPA)比较。最后,对选择的38个重要波长变量应用偏最小二乘(PLS)回归建立脐橙SSC预测模型,并对未参与建模的75个样品进行预测。研究结果表明,CARS方法优于UVE及SPA变量选择方法,能有效地筛选出重要波长变量。CARS-PLS建立的SSC预测模型优于全光谱的PLS模型,其校正集及预测集的相关系数分别为0.948和0.917,均方根误差分别为0.347%和0.394%。因此,可见/近红外漫透射光谱结合CARS方法可以预测脐橙可溶性固形物,CARS变量选择方法能有效简化预测模型和提高模型的预测精度。     

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。     

基于变量优选和快速独立成分分析的黄花梨可溶性固形物可见/近红外光谱检测

为建立预测能力高、稳定性强的可见/近红外漫透射光谱无损检测黄花梨可溶性固形物(SSC)数学模型,对比各种预处理方法、变量优选方法、快速独立主成分分析(FICA)以及最小二乘支持向量机(LS-SVM)对黄花梨SSC模型的影响,得出最佳的组合方法用于建立黄花梨可溶性固形物(SSC)预测模型。采用Quality Spec型光谱仪采集550~950 nm波段范围内的黄花梨漫透射光谱并采用遗传算法、连续投影算法和CARS(competitive adaptive reweighted sampling)三种方法筛选黄花梨可溶性固形物的光谱特征变量,再结合FICA提取光谱主成分,最后采用LS-SVM建立黄花梨的SSC预测模型。结果显示,采用CARS筛选的21个变量,经FICA挑选出12个主成分数,联合LS-SVM所建立的CARS-FICA-LS-SVM黄花梨SSC预测模型性能最佳,建模集和预测集的决定系数及均方根误差分别为0.974,0.116%和0.918,0.158%,同直接采用PLS方法建模相比,变量数从401个下降到21,主成分数由14下降到12,建模集和预测集决定系数分别上升了0.023,0.019,而建模和预测均方根误差分别下降了0.042%和0.010%。CARS-FICA-LS-SVM建立黄花梨SSC预测模型能够有效地简化预测模型并提高预测模型精度。     

便携式近红外光谱仪对涤/棉混纺织物的快速无损鉴别

利用便携式近红外光谱仪对376个涤/棉混纺织物进行研究,利用定量分析模型中的偏最小二乘法(partical least squares,PLS)作为校正方法,结合涤/棉混纺织物中涤、棉含量设定的定性鉴别系数,建立了涤/棉混纺织物的半定量-定性分析校正模型。该模型对涤/棉混纺织物进行定性鉴别的同时得出其相对含量,分析结果具有半定量性质。在建模过程中,采用Savitzky-Golay导数法,消除噪声和基线漂移对光谱的影响,并研究了波段选择和不同预处理方法对定性校正模型的影响。纯棉的主要吸收峰位于1 400~1 600 nm,纯涤的主要吸收峰位于1 600~1 800 nm,随着涤或棉含量的增加,其相应的吸收峰强度增强,因此,建模波段以涤、棉主要吸收峰区间为基本波段,进行双向扩展,得到最佳波长区间1 100~2 500 nm(相关系数0.6,波点数934)。利用所建校正模型对验证集样本进行预测,结果表明,在1 100~2 500 nm处,预处理方法为Savitzky-Golay导数、多元散射校正与均值中心化相结合时,该模型评价参数较佳,其中RC(校正集相关系数)0.978,RP(验证集相关系数)0.940,SEC(校正标准差)1.264,SEP(预测标准差)1.590,样品预测正确率达93.4%。表明该定性分析校正模型能够较好地对涤/棉混纺织物进行半定量-定性预测。     

棉籽油分含量近红外无损检测分析模型与应用

棉花是一种重要的油料作物。建立快速、无损检测棉花种子含油量的方法,对于棉花油分育种工作中的材料鉴定、筛选具有重要意义。利用近红外光谱仪采集118份不同油分含量棉花种籽的近红外漫反射光谱,结合化学方法测定验证,建立了棉籽油分含量快速无损检测的近红外模型。光谱预处理方法采用一阶导数＋多元散射校正(MSC),光谱范围5 446～8 848 cm-1,主成分维数为5,以基本覆盖陆地棉棉籽含油量范围的106份试验材料为校正样品集,利用偏最小二乘法(PLS)建立了棉籽仁油分含量近红外反射光谱(NIR)校正模型。校正模型决定系数R2=0.975,校正标准差SEC=0.67。用外部验证样品集进行外部验证,对所建模型的实际预测能力进行检验。结果表明,油分含量预测值与化学值相关系数r=0.978,预测结果误差范围0.1%～1.7%,建立的模型具有很好的预测性。利用建立的模型对784份育种材料进行了油分含量预测,结果显示,该模型应用可以加快棉花育种材料的油分鉴定。     

Variables selection for quantitative determination of cotton content in textile blends by near infrared spectroscopy

Investigations were initiated to develop near infrared (NIR) techniques coupled with variables selection method to rapidly measure cotton content in blend fabrics of cotton and polyester. Multiplicative scatter correction (MSC), smooth, first derivative (1Der), second derivative (2Der) and their combination were employed to preprocess the spectra. Monte Carlo uninformative variables elimination (MCUVE), successive projections algorithm (SPA), and genetic algorithm (GA) were performed comparatively to choose characteristic variables associated with cotton content distributions. One hundred and thirty-five and fifty-nine samples were used to calibrate models and assess the performance of the models, respectively. Through comparing the performance of partial least squares (PLS) regression models with new samples, the optimal model of cotton content was obtained with spectral pretreatment method of 2 Der-Smooth-MSC and variables selection method of MCUVE-SPA-PLS. The correlation coefficient of prediction (r_p) and root mean square errors of prediction (RMSEP) were 0.988% and 2.100%, respectively. The results suggest that NIR technique combining with variables selection method of MCUVE-SPA has significant potential to quantitatively analyze cotton content in blend fabrics of cotton and polyester; moreover, it could indicate the related spectral contributions.     

涤棉混纺织物近红外定量分析模型的建立及相关问题探讨

在废旧纺织品回收再利用中,纤维类型和含量的快速、准确测定是回收方案的关键部分。以598个废旧涤棉混纺织物为研究对象,采用便携式近红外（NIR）光谱仪测试了样品的原始近红外光谱。在1 400～1 700和1 900～2 200 nm光谱区域,100％棉和100％聚酯样品的光谱存在明显差异,并且这些光谱差异存在于各种颜色纤维上。同时探讨了斜线光谱产生的原因可能是由于织物表面效果、着色方法及粘附在纤维表面的细小颗粒造成的。深色样品易造成其光谱基线在短波区发生漂移,经导数预处理后,基线漂移基本消除,斜线光谱呈现出正常光谱的特征。利用偏最小二乘（PLS）法结合一阶导数、S-G平滑、均值中心化和正交信号校正法,建立了废旧棉-涤混纺织物定量分析模型。为了验证模型的可靠性,选取346个样本采用内部交叉验证均方根误差（RMSECV）和预测样品集外部检验法对模型进行检验,模型的RMSECV值0.002、校正集相关系数R_C＝0.998、预测相关系数R_P=0.997、预测标准差SEP＝1.121,模型预测正确率可达97％。对模型进行匹配样本t检验结果显示,NIR方法与国家标准方法无显着性差异。NIR预测值与重量法测定值误差在±3％以内时,二者的一致性在90％以上,当误差在±5％以内,二者的一致性在95％以上,分析时间小于10 s。因此,利用近红外技术结合所建模型可以快速、准确地预测废旧棉/涤混纺织物纤维成分的含量。     

基于小波压缩的马铃薯全粉还原糖近红外光谱检测研究

为探讨小波压缩算法结合近红外光谱技术在马铃薯全粉还原糖含量检测中的可行性,采用傅里叶变换近红外光谱仪采集了250份马铃薯全粉样品的近红外光谱。分别优化了消失矩、小波系数和主成分因子数,优化结果为10,100和20。基于db小波函数将1 501个马铃薯全粉的近红外光谱变量压缩成100个小波系数。分别以1 501个光谱变量和100个小波系数为变量分别建立了偏最小二乘(PLS)校正模型。以62个未参与建模的样品作为预测集,考察模型的预测能力。经比较,小波压缩结合PLS的校正模型预测结果最优,模型预测相关系数为0.98,预测均方根误差为0.181%。实验结果表明小波压缩算法结合近红外光谱技术有效地保留了有效光谱信息,实现了光谱数据降维,简化了马铃薯全粉还原糖PLS校正模型,提高了模型的预测能力。     

赣南脐橙果园土壤全氮和有机质近红外漫反射光谱检测

选取赣南脐橙果园土壤作为研究对象,探讨在4 000～7 500 cm-1范围内的光谱分析土壤全氮和有机质的可行性。采集的近红外光谱采用多元散射校正、一阶微分、二阶微分、七点平滑等多种预处理对比分析,分别建立了有机质和全氮含量偏最小二乘模型。实验得出全氮预测模型在4 000～7 500 cm-1范围内采用七点平滑(SG)进行预处理模型较为理想,校正集相关系数(r_c)为0.802,校正均方根误差(RMSEC)为2.754,预测集相关系数(r_p)为0.715,预测均方根误差(RMSEP)为3.077;有机质预测模型在4 000～7 500 cm-1范围内采用标准正态变量变换(SNV)预处理模型较为理想,r_c为0.848,RMSEC为0.128,r_p为0.790,RMSEP为0.152。研究表明近红外漫反射光谱可快速用于赣南脐橙果园的土壤中全氮和有机质含量的快速检测。