近红外光谱结合偏最小二乘判别对硫熏浙贝母的无损鉴别

浙贝母(Fritillariae thunbergii Bulbus)是一种常用的化痰止咳中药,为浙江著名的“浙八味”之一。硫熏能够使浙贝母增白、防虫蛀以及延长保质期,然而过度的硫熏不仅会影响浙贝母的品质,还会危害人体健康。因此,进行硫熏浙贝母的无损鉴别分析有利于浙贝母的品质监测,保障中药质量。采用近红外光谱结合化学计量学方法进行六种不同硫熏程度浙贝母的鉴别分析,在近红外(900～1 700 nm)光谱条件下,采用“boxplot”统计分析1 000～1 100 nm内样本间的光谱反射值的差异。同时采用主成分分析(PCA)进行六种样本的聚类分析。应用连续投影法(SPA)进行数据挖掘获得10条特征波段,建立其偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型。结果表明,建立的PLS-DA模型可达到与全谱类似的判别结果。近红外光谱技术结合化学计量学方法能够实现不同硫熏程度浙贝母的无损鉴别分析,这为后续进行硫熏浙贝母品质分析以及研发相应贝母便携检测仪提供参考。     

基于显微拉曼对氮胁迫下微藻油脂变化的研究

利用共聚焦显微拉曼光谱仪获取生长在三种氮营养条件下(氮胁迫、氮正常、氮饱和)培养的蛋白核小球藻(Chlorella pyrenoidosa)的拉曼光谱,通过拉曼散射光谱信息对微藻在不同氮胁迫下生长情况及油脂变化进行研究。对油脂拉曼特征峰值比值作气泡图以直观表达油脂积累量,该气泡图与尼罗红荧光图像具有良好的相关性。光谱信号经预处理后,利用主成分分析(PCA)对全波段进行分析,获得相应的主成分变量,通过线性判别分析(LDA)建立分类模型。利用PCA获取的主成分变量建立的LDA预测模型对三种氮营养条件的预测正确率分别是80%, 93.3%, 86.7%。基于油脂特征位移(RS)处的比率建立的LDA分类模型对三种氮营养条件的分类正确率最高达到86.7%。研究结果表明,利用拉曼技术对微藻生长的不同氮胁迫条件鉴别是可行的,且随着氮胁迫影响的时间增加,油脂的积累差异就越大。     

基于高光谱技术的厌氧发酵液固形物含量检测的研究

实时监测发酵液中固形物含量的变化,对控制厌氧发酵过程的稳定性具有重要作用。研究中采用近红外高光谱技术结合化学计量学方法,对水葫芦和稻草秸秆混合厌氧发酵过程中的固形物含量进行定量检测研究。与传统2540G(APHA,1990)标准方法相比,近红外高光谱技术具有无损、快速的优点。实验过程中,首先获取发酵液样本的高光谱信息,应用移动平均平滑法(MAS)进行光谱预处理,并采用竞争自适应重加权采样算法(CARS)、连续投影算法(SPA)和Random frog算法提取光谱特征信息,然后基于全谱和所选特征波长下的光谱信息分别建立总固形物含量(TS)和挥发性固形物含量(VS)的校正模型,建模方法包括偏最小二乘回归(PLSR)和最小二乘-支持向量机(LS-SVM)。研究表明,SPA-LS-SVM模型的预测结果最好,其中TS的预测均方根误差(RMSEP)及相关系数(R_p)分别为0.005 8和0.841;而VS的RMSEP和R_p分别为0.004 1和0.874。结果表明,利用近红外高光谱结合化学计量学方法可以实现厌氧发酵液中的固形物含量的检测,为布置光谱传感器以便定量检测厌氧发酵过程中的固形物含量奠定了理论依据。     

共聚焦显微拉曼光谱研究碱处理对稻秸发酵制沼气的影响

碱水解法以其方便高效成为稻秸发酵制沼气中广泛采用的化学预处理方法,但是碱水解对于稻秸细胞壁中高聚物成分及其空间致密交联结构的作用机理有待深入研究。采用共聚焦显微拉曼光谱和透射电镜研究了NaOH碱处理对稻秸厌氧发酵产沼气的影响。首先对未处理稻秸和碱处理稻秸进行微米级空间分辨率的拉曼光谱面扫描,然后对这两类样本进行主成分分析,发现累计贡献率达99%的前两个主成分空间中两类样本分别呈射线状分布,两类样本分界线清楚表明碱处理导致稻叶组织的拉曼光谱响应特性发生了明显变化;进一步分析前两个主成分的载荷图,发现拉曼峰1 739,1 508和1 094 cm-1是影响主成分的重要谱带,而这三个拉曼峰分别归属于半纤维素、木质素和纤维素的拉曼散射效应;结合半纤维素、木质素和纤维素的拉曼特征峰和显微图像信息实现了组织细胞中三种成分的化学成像分析,发现碱处理破坏了稻叶组织中上述三种成分的致密空间结构,并使它们的含量明显减少,尤其是木质素。由此得出结论：共聚焦显微拉曼光谱可实现稻叶组织细胞中半纤维素、木质素和纤维素的无损检测,结合显微空间信息可实现稻秸中三种成分的化学成像分析,该研究有助揭示碱处理促进秸秆厌氧发酵产沼气的作用机理。     

基于双波段植被指数(TBVI)的柑橘冠层含氮量预测及可视化研究

氮素(nitrogen,N)是果树生长发育的必需重要元素,及时准确地无损检测果树的氮素水平对果实增产、合理施肥以及减少环境污染等具有重要意义。研究了基于高光谱成像技术进行柑橘冠层含氮量预测及可视化的可行性。实验采用高光谱成像光谱仪ImSpector V10E(Spectral imaging Ltd.,Oulu,Finland)分别采集柑橘叶片实验室样本和野外整个植株冠层的高光谱图像。利用ENVI软件提取每个叶片样本感兴趣区域(ROI)的平均光谱数据作为整个样本的光谱数据进行分析,同时采用杜马斯燃烧法快速定氮仪(ElementarAnalytical, Germany)测定叶片样本的含氮量。通过简单相关分析和双波段植被指数(TBVI)的获取,建立基于光谱数据的含氮量预测模型。计算表明,基于811和856 nm的双波段植被指数(TBVI)能够建立最佳的柑橘叶片含氮量预测模型(R2=0.607 1)。在此基础上,计算上述TBVI的冠层图像,把基于该TBVI的含氮量预测模型导入到TBVI图像中计算生成冠层含氮量的预测分布图。图中直观地显示柑橘嫩叶、中叶、老叶的含氮水平从高到低分布,实现了冠层含氮量的可视化。结果表明,利用高光谱成像技术可以实现柑橘冠层氮素水平的检测和诊断,这为实施基于每颗果树信息的变量施肥技术提供了参考信息。     

高光谱成像技术结合特征提取方法的草莓可溶性固形物检测研究

采用高光谱成像技术结合不同的特征提取方法,实现了对草莓可溶性固形物含量的检测。通过提取154颗成熟无损伤草莓的高光谱图像的874～1 734 nm范围光谱信息,对941～1 612 nm光谱采用移动平均法(moving average,MA)进行预处理。基于残差法剔除19个异常样本后将剩余135个样本分为建模集(n=90)和预测集(n=45)。采用连续投影算法(successive projections algorithm, SPA),遗传偏最小二乘算法(genetic algorithm-partial least squares, GAPLS)结合连续投影算法(GAPLS-SPA),加权回归系数(weighted regression coefficient, Bw)以及CARS法(competitive adaptive reweighted sampling)选择特征波长分别提取14,17,24与25个特征波长,并采用主成分分析(principal component analysis, PCA)与小波变换(wavelet transform, WT)分别提取20与58个特征信息。分别基于全波段光谱、特征波长与特征信息建立PLS模型。所有模型都取得了较好的效果,基于全波段光谱的PLS模型与基于WT提取的特征信息的PLS模型的效果最优,建模集相关系数(r_c)与预测集相关系数(r_p)均高于0.9。结果表明高光谱成像技术结合特征提取方法可用于草莓可溶性固形物含量的检测。     

基于波长选择方法Modeling Power的黑木耳产地判别研究

应用近红外光谱技术结合波长选择方法(modeling power,MP)实现了黑木耳产地的快速准确判别。共收集4个产地240个黑木耳样本,通过光谱扫描,建立了最优的偏最小二乘(PLS)判别模型。同时应用MP选择对黑木耳产地判别的有效波长,作为输入变量,建立最小二乘-支持向量机(MP-LS-SVM)模型。比较了3种MP选择波长的阈值方法,分别为MP值大于0.95,0.90和(0.90+Peak),并建立了相应的MP-LS-SVM模型。以预测集样本的准确判别率作为模型评价标准,分别设定预测的残差绝对值标准0.1,0.2和0.5。预测结果表明,MP-LS-SVM(0.90+Peak)模型在残差标准为0.1,0.2和0.5时的判别效果均为最优,正确判别率分别为98.3%,100%和100%。说明ModelingPower是一种非常有效的波长选择方法,应用近红外光谱技术结合MP-LS-SVM进行黑木耳产地判别是可行的,并获得了满意的判别精度。     

基于中红外光谱和化学计量学算法鉴别核桃产地及品种

为探究中红外光谱快速检测核桃产地和品质的可行性,基于中红外光谱分析技术,并将化学计量学的算法应用于中红外光谱判别分析之中,对中国四大核桃主产区的10类主要核桃品种进行检测,取得较好效果。通过提取核桃粉末的光谱透射率,去除原始光谱首尾部分的明显噪声,对保留的700~3 450 cm-1范围的光谱采用小波分析（wavelet transform,WT）算法进行去噪预处理,并采用无信息变量消除结合连续投影算法（UVE-SPA）提取光谱特征波数,采用主成分分析法（PCA）对光谱定性分析,基于反向传播神经网络（BPNN）、极限学习机（ELM）、随机森林(RF)、径向基函数神经网络（RBFNN）及偏最小二乘判别分析（PLS-DA）对全谱和特征波数建模对比。在4类不同产地核桃判别中,得到12个特征波数：803,1 355,1 418,1 541,1 580,1 727,1 747,1 868,2 338,2 462,2 824和3 166 cm-1,基于特征波数分类的正确率高于全谱的分类结果,BPNN算法结合特征波数建模得到的识别正确率高达97%,RF算法分类判别效果最差,正确率仅69.70%;在10类不同品种判别中,得到10个特征波数：903,1 275,1 507,1 541,1 563,1 671,1 868,2 311,2 845和3 437 cm-1,基于特征波数分类的正确率依然高于全谱的分类结果,BPNN算法结合特征波数建模得到的识别正确率高达83.3%。在特征波数通用性方面,两组特征波数范围中有2个特征波数相同：1 541和1 868 cm-1,其他大多特征波数也都相近,将10类品种特征波数作为输入变量对4类不同产地的核桃进行分类,分类结果较差,因此,在10类品种监督值下选取的特征波数无法适用于4类产地的判别问题,由此推断,即使是同一原始数据,基于不同判别问题得到的特征波数在建模时通用性较差。结果表明,经UVE-SPA算法提取特征波数后,变量数可减少99%以上,有效地简化了模型,减少计算量,提高预测的稳定性;总体上,每个分类器的表现为：BPNN>RBFNN>ELM>PLS-DA>RF;基于小波变换结合特征波数选取和反向传播神经网络算法能有效地实现核桃的产地和品种识别。     

运用响应面分析法优化激光诱导土壤等离子体测试参数

测试参数的选择和优化是进行激光诱导击穿光谱（LIBS）试验的重要步骤之一,合适的测试参数能够保障所得光谱数据的准确性。本研究运用LIBS技术,以土壤中主要元素（硅、铁、镁、钙、铝、钠、钾等）为载体,研究LIBS不同测试参数对元素谱线特性影响,优化得到普适的土壤测试条件。设计了以LIBS系统中激光脉冲能量（LE）、延迟时间（DT）和聚焦透镜到样品的距离（LTSD）三因素的二次中心组合的试验,以土壤中主要元素的特征谱线组合信背比（SBR）Y_SBR为目标函数,分析了三因素之间交互作用对Y_SBR的影响。结果表明：因素DT对Y_SBR的线性效果显著,而LE和LTSD对Y_SBR的线性效果均不显著;三者的交互影响对Y_SBR的交互效果都不显著;对于二次项LE2,DT2和LTSD2对Y_SBR的曲面效应均显著。优化得到最佳的试验条件是：激光能量LE为103.09 mJ,延迟时间为2.92 μs,透镜到样品的距离LTSD为97.69 mm,得到最大组合信背比Y_SBR为198.602。这些测试参数是后期LIBS数据准确分析的前提,为田间实地土壤LIBS检测参数的选择提供重要的借鉴。     

基于傅里叶变换近红外透射光谱的汽车用 无水冷却液和制动液掺水检测

冷却液和制动液是车辆工作过程中非常重要的油品,对车辆的正常运行具有非常重要的作用。在冷却液和制动液中掺水是掺假的主要手段之一,掺水后的冷却液和制动液,其有效成分会减少,从而影响了冷却液和制动液本来的功能,对车辆造成危害,从而影响车辆的正常运行。实现对冷却液和制动液含水率的快速准确检测,是保证冷却液和制动液品质的关键。采用傅里叶变换近红外光谱对不同品牌的掺水的汽车无水冷却液和制动液含水率检测进行了研究。分别采集了3个不同品牌无水冷却液和4个不同品牌制动液在掺入不同含水率(0%,5%,10%,15%,20%,25%,30%,35%)下的近红外透射光谱,并基于10 067～5 442 cm-1范围内的光谱进行了研究。不同含水率的无水冷却液和制动液近红外透射光谱存在差异。单个品牌不同含水率的无水冷却液及制动液的主成分分析(PCA)表明不同含水率样本之间存在差异。采用二阶导数(Second derivative)对单个品牌以及包含有不同品牌的无水冷却液及制动液(不同含水率)的特征波数进行了选择,发现不同品牌之间选择的特征波数相近,且单个品牌与包含不同品牌之间选择的特征波数也相近,而经过特征波数选择后波数减少了至少98.67%。基于单个品牌样本的全谱以及包含有不同品牌样本的全谱和特征波数,分别建立偏最小二乘(PLS)和最小二乘支持向量机(LS-SVM)模型,所有模型的建模集和预测集决定系数均高于0.9,剩余预测偏差(RPD)均高于3,含水率预测模型取得了较好的预测结果。基于全谱的模型预测效果与基于特征波数的模型预测效果相当,表明特征波数选择可用于无水冷却液和制动液中含水率的检测。基于单个品牌样本的模型预测效果与包含不同品牌样本的模型预测效果相近,表明包含品牌差异,建立基于多个品牌的无水冷却液和制动液掺水量的预测模型是可行的。研究结果表明,近红外透射光谱结合化学计量学方法可用于不同品牌汽车无水冷却液和制动液掺水量检测,为研究开发在线检测仪器奠定了基础,也为其他类型的车用液体制品中含水率的检测提供了技术和方法参考。