一种基于近红外光谱的天然产物抗氧化活性预测评价方法

提出了一种基于近红外(NIR)光谱的黄酮类提取物抗氧化活性计算预测新方法。采用1,1-二苯-2-苦肼基(DPPH)法测定28种黄酮类中药材提取物的抗氧化活性,并在4 000～10 000 cm-1范围扫描样品的红外光谱,采用偏最小二乘(PLS)算法建立了黄酮类组分近红外光谱与抗氧化活性之间的校正模型。建模过程中,以交叉验证相关系数(R2),交叉验证误差均方根(RMSECV)为指标,确定了用于建模的最优近红外波段和光谱预处理方法。校正模型的RSECV为9.50%,R2为 0.901 7,预测误差均方根(RMSEP)为14.8%。该方法快速无损、操作简便,可用于中药及天然产物提取物抗氧化活性的快速评价。     

小波阈值降噪模型在红外光谱信号处理中的应用研究

针对近红外光谱经常受到噪声干扰的特点,提出了利用小波阈值降噪方法进行光谱数据的降噪处理,以山羊绒表面油脂的近红外光谱检测为例,对比分析了三种小波阈值降噪模型(Penalty阈值降噪模型、Brige-Massart阈值降噪模型、缺省阈值降噪模型)的降噪性能。对降噪后的光谱数据采用偏最小二乘和支持向量机回归相结合建立了校正和预测模型,通过对比校验参数R2,RMSEC,RMSEP,分析评价了三种小波阈值降噪模型的降噪效果。结果表明: 三种降噪模型都能在一定程度上降低光谱信号的噪声,提高信噪比,改善光谱预测模型的精度,其中,Brige-Massart阈值降噪模型和缺省阈值降噪模型的降噪效果明显优于Penalty阈值降噪模型,与原始光谱信号建模的预测精度(R2=0.793,RMSEC=0.233,RMSEP=0.225)相比较,经过Brige-Massart阈值降噪模型降噪后的光谱信号建模的预测精度(R2=0.882,RMSEC=0.144,RMSEP=0.136)和经过缺省阈值降噪模型降噪后的光谱信号建模的预测精度(R2=0.876,RMSEC=0.151,RMSEP=0.142)均有较大程度的改善和提高,说明提出的小波阈值降噪方法能有效地降低原始光谱噪声作用,使光谱数据多变量分析模型更具有代表性和稳健性, 从而可以提高模型的预测精度。     

小麦品质近红外检测系统的设计与试验研究

为实现快速无损地检测小麦品质设计了基于光栅技术的近红外检测系统,测试了该系统的准确性、重复性和稳定性,选取MPA光谱仪为参比仪器,分别采集56份小麦样品的光谱,建立偏最小二乘回归模型并验证。该系统的四个模型的决定系数R2分别为92.38%,93.48%,93.16%,94.44%,交叉验证标准差RESECV为0.405,0.374,0.383,0.346,相对分析误差RPD为3.62,3.39,3.82,4.24;预测集验证模型的R2为96.97%,94.22%,96.62%,96.34%,预测标准差RMSEP为0.221,0.305,0.233,0.243。MPA光谱仪的建模结果R2 为95.99%,RESECV 为0.293,RDP为5;预测集验证模型的R2为98.31%,RMSEP为0.165。实验表明：小麦品质近红外检测系统所得模型具有良好的预测性,稳定性和重复性;所得光谱波长与吸光度具有重现性;其模型对平均光谱的预测效果优于单张光谱;该系统工作稳定,性能优良,可应用于小麦品质质量检测。     

近红外光纤光谱技术检测西红柿果浆总酸及可溶性糖的研究

为了探索一种简捷、快速、高效的西红柿品质检测方法,应用近红外光谱技术与光纤传感技术相结合的新方法,快速测量西红柿果浆样品中营养成分的含量。实验所用的主要仪器为近红外光纤光谱仪,波长范围为900～2 500 nm。以164个西红柿样品为标准样品,进行了光谱采集及相应的化学值测定。实验数据采用偏最小二乘法(PLS)进行回归,建立西红柿果浆中总酸及可溶性糖含量的数学模型,并对回归方法进行统计分析。结果为：西红柿果浆中总酸验证集的决定系数(R2)为0.967,均方根误差(RMSEC)为0.133,预测均方根误差(RMSEP)为0.103;总糖验证集的决定系数(R2)为0.976,均方根误差(RMSEC)为0.463,预测均方根误差(RMSEP)为0.460。均达到了较好的预测结果,表明该方法对定量分析西红柿果浆中多组分含量是可行的。基于该方法快速、简便及可对同一样品多组分含量同时分析的优点,它是一种极具发展前途的传感器,正在逐渐成为国际传感器领域的研究热点。     

近红外光谱波段优化在白酒酒醅成分分析中的应用

为了提高白酒酒醅主要成分的快速检测技术水平,利用近红外光谱法对白酒酒醅中的水份、淀粉、酸度和酒精度进行定量分析,通过PLS建立酒醅成分定量分析模型,同时采用CARS、间隔偏最小二乘变量选择法(iPLS)和无信息变量消除法(UVE),实现光谱特征波段选择,并利用多元散射校正(MSC)、导数以及标准正态变量变换(SNV)等预处理方法进行模型优化。用决定系数(R2)、预测标准偏差(RMSEP)以及最佳主因子数对模型进行评价,确定最佳建模方法。结果表明：波段筛选能够对模型起到优化作用,并提高模型运算速度,其中CARS优化效果最为明显,酒醅水份、淀粉、酸度和酒精度的R2分别达到0.885,0.915,0.951,0.954;RMSEP分别为0.630,0.519,0.228,0.234,有效地提高了模型的稳定性与准确度。经过优化,所建模型预测效果好,能够满足白酒酒醅主要成分的快速检测要求,在实际应用中有一定的参考价值。     

基于光谱技术的农林生物质原料组分和热值的快速测定

快速检测生物质原料特性对生产高品质压缩成型燃料具有重要意义。利用光谱技术建立松木、杉木和棉杆三类农林生物质组分(水分、灰分、挥发分和固定碳)和热值预测模型。相比原始光谱,基于一阶导数光谱的偏最小二乘回归(PLS)模型预测精度较高。灰分、挥发分和水分PLS模型交叉校验决定系数(R2)分别为0.97,0.94和0.90,预测偏差比率(RPD)分别为6.57,4.00和3.01。固定碳和热值PLS模型精度一般,R2分别为0.85和0.87,RPD分别为2.55和2.73。实验结果表明,利用可见-近红外光谱技术完全可以替代传统工业分析方法,从而实现农林生物质原料组分和热值的快速测定。     

近红外高光谱图像结合CARS算法对鸭梨SSC含量定量测定

高光谱数据量大、 维数高且原始光谱噪声明显、 散射严重等特征导致光谱建模时关键波长变量提取困难。 基于此,提出采用竞争性自适应重加权算法(CARS)对近红外高光谱数据进行关键变量选择。 鸭梨作为研究对象。 采用决定系数r2、 预测均方根误差RMSEP和验证集标准偏差和预测集标准偏差的比值RPD值进行模型性能评估。 基于选择的关键变量建立PLS模型(CARS-PLS)与全光谱变量建立的PLS模型进行比较发现CARS-PLS模型仅仅使用原始变量中15.6%的信息获得了比全变量PLS模型更好的鸭梨SSC含量预测结果,r2_pre,RMSEP和RPD分别为0.908 2,0.312 0和3.300 5。 进一步与基于蒙特卡罗无信息变量MC-UVE和遗传算法(GA)获得的特征变量建立的PLS模型比较发现,CARS不仅可以去除原始光谱数据中的无信息变量,同时也能够对共线性的变量进行压缩去除,该方法能够有效地用于高光谱数据变量的选择。 结果表明,近红外高光谱技术结合CARS-PLS模型能够用于鸭梨可溶性固形物SSC含量的定量预测。 从而为基于近红外高光谱技术预测水果内部品质的研究提供了参考。     

新鲜苹果汁可溶性固形物含量的傅里叶变换近红外光谱检测

用傅里叶变换近红外(FTNIR)光谱透射方式对新鲜苹果汁溶性固形物含量(SSC)进行了快速定量分析。实验共测定了60个果汁样品的SSC,并采集了样品的近红外光谱数据。42个样品用来建模,剩下的18个用来验证模型的性能。对实验室测得的SSC与FTNIR光谱数据进行相关性分析,以TQ 6.2.1定量分析软件中集成的主成分回归法(PCR)和偏最小二乘回归法(PLS)建立了检测模型。该研究对比了不同光谱范围内建立的检测模型的性能。根据预测平方根误差(RMSEP)和相关系数(r2)进行不同模型的预测性能,最好的新鲜苹果汁SSC预测模型的RMSEP＝0.603 0Brix,r2＝0.997。结果表明FT-NIR可以作为一种可靠、准确、快速的无损检测方法来评价新鲜果汁的可溶性固形物含量。     

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。     

可见/近红外光谱漫透射技术检测西瓜坚实度的研究

西瓜是一种广受世界各国消费者喜爱的水果,坚实度是西瓜的一个重要品质指标,文章利用可见/近红外漫透射光谱技术进行了西瓜坚实度(FM)的无损检测研究。采用偏最小二乘法(PLS)和主成分回归法(PCR)建立了FM与漫透射光谱的无损检测数学模型,对比分析了不同光谱预处理方法(原始光谱%T,一阶微分处理光谱D1(%T ),二阶微分处理光谱D2(%T )以及光谱的Savitsky-Golay法滤波)对模型预测性能的影响。根据模型相关系数(r)及预测平方根标准偏差(RMSEP)进行了不同模型的预测性能对比,结果表明：光谱经二阶微分处理并使用Savitsky-Golay法滤波后,采用PLS法可以得到最好的FM建模结果(r=0.974,RMSEP=0.589 N)。研究表明：应用可见/近红外漫透射光谱技术检测西瓜的坚实度是可行的,为今后快速无损评价大果形厚果皮类水果坚实度提供了理论依据。     

不同生产厂家注射用头孢哌酮钠含量测定的近红外定量模型的建立

采用近红外漫反射光谱法和偏最小二乘回归算法建立了2种测样方式对不同厂家注射用头孢哌酮钠中头孢哌酮的含量进行快速测定的定量分析模型。对9个厂家的19批注射用头孢哌酮钠样品及其降解物中头孢哌酮的含量进行了预测,积分球模型的交叉验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.636和2.01,光纤模型的交叉验证均方根误差(RMSECV)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.857和3.71。根据ICH指导原则,从专属性、线性、重现性、稳定性、准确性等几个方面对两模型的方法进行了验证,进而说明光纤测样方式建立的模型专属性和适用性均良好,完全可以对不同生产厂家的同一品种的药品进行快速的初步定量分析,适用于药品检验车的快速无损检测。     

基于蚁群-遗传算法的光谱选择方法与应用

脂肪作为牛奶中的重要营养成分,是评价牛奶质量的一项重要指标。高光谱图像技术能够提供几十到数千波长的数据,能够反映牛奶中不同组成成分细微的光谱差异;另一方面,相邻波段之间往往具有很强的相关性,不仅增加了计算量,而且容易造成维数灾难等问题,因此对高光谱数据进行波段选择非常重要。工作中提出了PLS-ACO特征波段选择方法,并与遗传算法结合,组合成了PLS-ACO-GA的特征波段选择新方法。提出的两种方法以蚁群算法为基础,PLS回归模型回归系数的绝对值作为评价波长重要性的主要依据,以此作为蚁群算法的启发式信息,利用蚁群算法进行智能搜索,结合遗传算法,产生更多优秀的特征波段组合,避免PLS-ACO算法得到的只是局部最优解,得到的最优波段组合能够更好的反映牛奶中脂肪成分的信息;通过计算波长贡献率,筛选出最优波段组合,并与遗传算法,CARS算法和基本蚁群算法光谱特征选择方法比较,最后比较不同特征选择方法下的PLS回归模型预测效果。PLS-ACO, PLS-ACO-GA, CARS, GA和ACO分别筛选了牛奶样品光谱中的18,16,40,43和42个特征波段。其中PLS-ACO-GA筛选波段后的PLS预测模型效果最好,预测集R2_p和RMSEP分别为0.997 6和0.062 2,PLS-ACO次之,预测集R2_p和RMSEP分别为0.997 0和0.077 8。PLS-ACO和PLS-ACO-GA不仅减少了特征波段数量,而且提高了模型的精度。对PLS-ACO-GA进行特征波段选择后的数据,建立MLR,RFR和PLS回归预测模型。MLR预测模型的R2_p和RMSEP分别为0.997 6和0.062 3。RFR回归模型R2_p和RMSEP分别为0.999 9和0.003 0,PLS回归模型的R2_p和RMSEP分别为0.997 6和0.062 2。RFR模型在三种回归预测模型中表现最好。研究结果表明PLS-ACO和PLS-ACO-GA这两种方法可以实现光谱数据特征波段选择,高光谱技术可以实现牛奶中脂肪含量的检测,为牛奶脂肪含量检测提供了一种新的、快速无损的方法。     

Lasso算法的油砂钠元素近红外建模

以油砂中钠元素为研究对象,首次应用近红外光谱,结合Lasso(least absolute shrinkage and selection operator)建模方法,建立了油砂金属钠含量的近红外光谱定量校正模型,并与传统的PLS建模方法进行比较。结果表明,两种方法建立的油砂金属钠含量校正模型都具有很高的精度,预测性能方面略有差异。在实验验证集与预测集中,PLS与Lasso算法的相关系数分别是：R_v=0.878 8,R_p=0.857 9和R_v=0.887 4,R_p=0.860 0。实验验证了使用近红外光谱快速测定油砂金属钠含量的有效性,并分析了PLS与Lasso算法的适用范围。     

基于激光诱导击穿光谱和化学计量学的水体COD实时测量方法

光谱学传感技术测量水体COD是现代环境监测发展的趋势,相比于传统的化学分析方法具有在线连续检测的突出优势,适合对环境水体COD的实时监测。采集实际水样,利用激光诱导击穿光谱技术(LIBS)获取水样的光谱数据。通过不同的光谱预处理方法结合偏最小二乘法建立水样的COD定量预测模型,对水体COD的LIBS光谱测量方法的定量预测及相关模型参数进行分析。发现用基线校正叠加S-G求导预处理后的光谱建立的PLS模型得到最佳预测效果,校正集集R2为0.9958,预测集R2为0.975 3,RMSEC为4.438 7,RMSEP为9.733 9。通过实验结果分析表明光谱传感技术可用于环境实际水体COD的定量预测分析,为开发便携式水体检测设备奠定了理论基础。     

X射线荧光光谱结合CARS变量筛选选择方法用于土壤中铅砷含量的测定

X射线荧光光谱分析作为一种以化学计量学为基础的定量分析技术,所建立模型优劣对结果的预测准确性显得十分重要。竞争性自适应重加权算法(CARS)采用自适应重加权采样技术,利用交互验证选出互验证均方根误差(RMSECV)值最低原则,寻出最优变量组合。为了进一步提高PLS模型的解释和预测能力,将竞争性自适应重加权算法(CARS)与X射线荧光光谱分析技术相结合,对土壤中重金属元素铅和砷进行特征波长变量筛选后建立偏最小二乘(PLS)模型。首先,利用CARS算法对铅含量密切相关的波长变量进行筛选,当采样次数为26次时,筛选出60个有效波长点;对砷含量密切相关的波长变量进行筛选,当采样次数为34次时,筛选出19个有效波长点;然后对优选出的波长点利用PLS方法分别建立土壤中铅和砷含量定量分析模型,并与经连续投影算法(SPA)及蒙特卡罗无信息变量消除(MC-UVE)方法波长变量筛选后所建立的PLS模型进行比较。结果显示：铅的CARS-PLS模型的预测集决定系数(R2)、交互验证均方根误差(RMSECV)、预测均方根误差(RMSEP)和相对预测误差(RPD)分别为0.995 5,2.598 6,3.228和9.401 1,砷的CARS-PLS模型的预测集R2,RMSECV,RMSEP和RPD分别为0.989 9,3.013 2,2.737 1和8.211 6;两元素的CARS-PLS模型性能均优于全波段PLS,SPA-PLS和MC-UVE-PLS模型。基于CARS-PLS的算法可以有效筛选出X射线荧光光谱特征波长点,在简化了建模复杂程度的同时,提高了模型的准确性和稳健性。     

融合波长选择和异常光谱检测的天然气燃烧过程定量分析方法

针对天然气燃烧过程的近红外光谱数据,采用了一种融合波长选择和异常光谱检测的定量分析方法。该方法根据偏最小二乘(PLS)模型的系数及预测误差的统计分布,在实现波长选择的同时,完成异常光谱样本的检测。与PLS、先用留一法将异常样本删除后PLS建模(LOO-PLS)、基于PLS的无信息变量消除法(UVE-PLS)以及先用留一法将异常样本删除后使用UVE-PLS建模(LOO-UVE-PLS)相比较,该方法将甲烷预测模型的预测均方根误差(RMSEP)分别降低了14.33%,14.33%,10.96%和12.21%;将一氧化碳预测模型的RMSEP分别降低了67.26%,72.58%,11.32%和4.52%;将二氧化碳预测模型的RMSEP分别降低了5.95%,19.7%,36.71%和4.04%。实验表明,该方法建立的分析物预测模型具有较高的预测能力和较好的稳健性,在大大减少所选波长数量,降低模型复杂度的同时,还能有效地检测出异常光谱样本,减小两者之间的相互影响。     

近红外光谱在快速测定蛹虫草有效成分含量中的应用

采用偏最小二乘法(PLS)建立测定蛹虫草菌丝体中多糖、蛋白、虫草酸和腺苷含量的近红外光谱定量分析模型.选择了原始光谱建立蛹虫草菌丝体中腺苷和多糖含量的PLS定量分析模型,选择卷积光滑预处理后的光谱建立蛹虫草菌丝体中蛋白和虫草酸含量的PIS定量分析模型.测定蛹虫草菌丝体中多糖、蛋白、虫草酸和腺苷含量的最优PLS定量分析模型的交叉验证均方根误差(RMSECV)分别为0.0091.0.0222,0.0088和0.6520,预测均方根误差(RMSEP)分别为0.0079,0.0196,0.0087和0.5780.结果表明,测定蛹虫草菌丝体四种有效成分含量的定量分析模型稳健性好和预测精度高,在中药有效成分定量分析方面有很大的应用前景.     

近红外光谱法快速测定新疆薰衣草精油主要组分

为建立快速测定新疆薰衣草精油中芳樟醇(linalool)、乙酸芳樟酯(linalyl acetate)含量的定量分析模型,采用近红外吸收光谱法(NIR)测定了165个精油样品,通过对近红外光谱吸收峰分析,在7 100～4 500 cm-1波数范围内化学信息量比较丰富且噪音低,可选择此波数段为分析区间。剔除8个异常样本后,通过聚类方法划分为105个校正集样本和52个验证集样本,结合气相色谱质谱(GC-MS)法测定的薰衣草精油linalool和linalyl acetate的含量,建立原始数据矩阵。对比不同的预处理方法对原始近红外光谱的过滤作用,其中正交信号变换(OSC)方法效果明显,对两种化合物的预测均方根误差(RMSEP) 分别为0.226和0.558,再用向前间隔偏最小二乘法(FiPLS)剔除与待测成分无关或呈非线性关系的波长点,最终得到8个间隔区间共160个波长点的数据子集。使用OSC-FiPLS优化处理的数据子集结合偏最小二乘法(PLS)建立新疆薰衣草精油中linalool和linalyl acetate的快速定量分析模型,在模型中二成分的隐变量数都为8。交互验证均方根误差(RMSECV)分别为0.170和0.416;预测均方根误差(RMSEP)分别为0.188和0.364。结果表明,经OSC和FiPLS预处理建立的PLS-NIR定量分析模型稳健性好,测定精度高,能快速测定薰衣草精油中linalool和linalyl acetate含量,并且具有良好的预测能力。可为新疆薰衣草精油主要成分的快速定量分析提供一种新的有效方法。     

Main Components of Xinjiang Lavender Essential Oil Determined by Partial Least Squares and Near Infrared SpectroscopySCIEI北大核心CSCD

This work was undertaken to establish a quantitative analysis model which can rapid determinate the content of linalool, linalyl acetate of Xinjiang lavender essential oil. Totally 165 lavender essential oil samples were measured by using near infrared absorption spectrum(NIR), after analyzing the near infrared spectral absorption peaks of all samples, lavender essential oil have abundant chemical information and the interference of random noise may be relatively low on the spectral intervals of 7100-4 500 cm(-1). Thus, the PLS models was constructed by using this interval for further analysis. 8 abnormal samples were eliminated. Through the clustering method, 157 lavender essential oil samples were divided into 105 calibration set samples and 52 validation set samples. Gas chromatography mass spectrometry (GC-MS) was used as a tool to determine the content of linalool and linalyl acetate in lavender essential oil. Then the matrix was established with the GC-MS raw data of two compounds in combination with the original NIR data. In order to optimize the model, different pretreatment methods were used to preprocess the raw NIR spectral to contrast the spectral filtering effect, after analysizing the quantitative model results of linalool and linalyl acetate, the root mean square error prediction(RMSEP) of orthogonal signal transformation (OSC) was 0.226, 0.558, spectrally, it was the optimum pretreatment method. In addition, forward interval partial least squares (FiPLS) method was used to exclude the wavelength points which has nothing to do with determination composition or present nonlinear correlation, finally 8 spectral intervals totally 160 wavelength points were obtained as the dataset. Combining the data sets which have optimized by OSC-FiPLS with partial least squares(PLS) to establish a rapid quantitative analysis model for determining the content of linalool and linalyl acetate in Xinjiang lavender essential oil, numbers of hidden variables of two components were 8 in the model. The performance of the model was evaluated according to root mean square error of cross-validation (RMSECV) 9 root mean square error of prediction (RMSEP). In the model, RESECV of linalool and linalyl acetate were 0.170 and 0.416, respectively; RMSEP were 0.188 and 0.364. The results indicated that raw data was pretreated by OSC and FiPLS, the NIR-PLS quantitative analysis model with good robustness, high measurement precision; it could quickly determine the content of linalool and linalyl acetate in lavender essential oil. In addition, the model has a favorable prediction ability. The study also provide a new effective method which could rapid quantitative analysis the major components of Xinjiang lavender essential oil.     

基于舌诊NIR反射光谱血清总蛋白含量的无创测量

采用舌诊近红外反射光谱对人体血清总蛋白(TP)含量进行无创检测。采集58例舌尖反射光谱进行反射率归一化并记录相对应的血清总蛋白生化分析值,将样本分为训练集和预测集,运用主成分分析结合BP神经网络法和偏最小二乘算法分别建立预测模型。主成分分析结合BP神经网络模型对预测集进行预测,平均相对误差为7.35%,均方根误差为3.069 1 g·L-1,相关系数为0.902 1。偏最小二乘模型对预测集进行预测,平均相对误差为4.77%,均方根误差为0.130 1 g·L-1,相关系数为0.971 8。实验结果证实了舌诊近红外反射光谱可以较为准确地用于总蛋白含量的无创检测。