二维相关近红外光谱检测牛奶中的三聚氰胺

配置合格的纯牛奶样本及含有三聚氰胺质量浓度范围为0.01g/L～3g/L的掺杂牛奶样本各20个,并采集其近红外光谱。以牛奶中掺杂三聚氰胺浓度为外扰,构建二维相关同步谱,研究其相关谱特性。在此基础上,结合偏最小二乘判别分析法(PLS-DA)建立定性模型,可以实现纯牛奶与掺伪牛奶的定性鉴别,正确识别率达100%。同时,将二维相关近红外同步谱矩阵与偏最小二乘法(PLS)结合起来,建立定量分析牛奶中掺杂三聚氰胺的数学模型。对未知样品的预测相关系数R达到0.98,预测均方根误差(RM-SEP)为0.18g/L,说明基于同步相关谱矩阵建立定量分析的数学模型是可行的。该方法无需样品处理,成本低,为快速检测掺伪牛奶提供了一种新的途径。     

Application of transcutaneous diffuse reflectance spectroscopy in the measurement of blood glucose concentration

In this paper, the propagation characteristics of near-infrared (NIR) light in the palm tissue are analyzed, and the principle and feasibility of using transcutaneous diffuse reflectance spectroscopy for non-invasive blood glucose detection are presented. An optical probe suitable for measuring the diffuse reflectance spectrum of human palm and a non-invasive blood glucose detection system using NIR spectroscopy are designed. Based on this system, oral glucose tolerance tests are performed to measure the blood glucose concentrations of two young healthy volunteers. The partial least square calibration model is then constructed by all individual experimental data. The final result shows that correlation coefficients of the two experiments between the predicted blood glucose concentrations and the reference blood glucose concentrations are 0.9870 and 0.9854, respectively. The root mean square errors of prediction of full cross validation are 0.54 and 0.52 mmol/1, respectively.     

遗传算法在近红外无创伤人体血糖浓度测量基础研究中的应用

遗传算法（GA）应用在偏最小二乘法（PLS）校正模型的波长优化选择中具有显著的效果。将遗传算法作为模块循环运行，能更快达到最优解，有效提高测量精度，减少建模所用波长数。本文将该方法应用于无创伤人体血糖浓度光学检测的基础研究中，验证实验所用样品为：①葡萄糖水溶液；②包含牛血红蛋白和白蛋白的葡萄糖水溶液；③人血中的血浆（含葡萄糖）。结果表明：建模的波长个数可分别减少88%、86%、85%；预测标准偏差（RMSEP）分别减少56%、64%。这对无阶伤人体血糖浓度光学检测理论的进一步研究具有指导意义。     

氯化钠对葡萄糖水溶液近红外光谱的影响

人体内钠盐的含量影响血糖代谢且与糖尿病具有较高的相关性。因此,在进行血糖的近红外光谱无创检测时,不仅要考虑血液中大颗粒及大分子物质对光谱的吸收和散射影响,也应从分子结构层面上分析小分子物质对葡萄糖分子结构及其特征吸收的影响。基于声光可调谐滤波器(AOTF)的高精度近红外光谱采集系统,测量并研究了在水溶液环境下氯化钠(NaCl)对葡萄糖分子结构及其近红外特征吸收的影响。首先,测量含有不同NaCl含量的葡萄糖水溶液透射光谱,分别采用纯水和同浓度 NaCl 样本进行背景修正,实验表明,在水溶液环境中 NaCl会改变水分子和葡萄糖分子特征吸收峰的位置和强度;对不含NaCl和含有NaCl的糖水样本分别扣除纯水和同浓度NaCl样本后进行二维相关光谱分析,同步谱的切线谱显示NaCl减弱了葡萄糖分子在1 400和1 520～1 700 nm处的特征吸收。最后,通过偏最小二乘回归模型定量分析NaCl对葡萄糖预测精度的影响,发现模型的预测均方根误差随NaCl含量的增加而增大,并且含NaCl的样本与不含NaCl的样本对葡萄糖浓度预测值之差的平均值与加入的NaCl含量近似为线性关系。结果表明,在水溶液环境下NaCl分子会改变葡萄糖分子键状态并影响其特征吸收,从而降低模型的预测精度。若将NaCl含量作为变量因子,有助于提升血糖的近红外光谱无创检测精度。     

响应量转换近红外检测技术在强散射介质中的应用研究

在近红外光谱定量分析中,由于散射作用的存在使得光谱变化复杂,从而导致校正模型的预测精度较低。消除散射干扰是提高测量精度的有效处理手段之一。为了消除散射对测量结果的影响,文章提出了响应量转换法,即根据被测介质在空间不同位置的光强随被测物浓度的变化率,通过逆倍增模型推出被测介质的吸收系数作为新的响应变量,从而建立校正模型。以牛奶样品为例,分析了脂肪和蛋白质浓度与吸收系数之间的关系,利用蒙特卡罗模拟研究了散射对近红外牛奶成分测量结果的影响,并通过传统预处理方法和响应量转换法进行散射干扰的消除。实验结果表明,响应量转换法能够有效消除散射干扰,与传统MSC和SNV预处理方法相比,脂肪预测精度分别提高了33.9%和55.9%,蛋白质预测精度分别提高了46.5%和33.7%。     

短波近红外光谱在现场安检中的应用研究

快速、准确、高效的现场检测方法对于控制液态危险物的非法输运、使用,进而保证公共安全具有重要的意义。文章利用短波段近红外光对包装物和液体的很强穿透能力,测量了无水乙醇、无水甲醇、氨水、松节油、汽油、柴油、煤油等易燃液态危险物和部分白酒、饮料在近红外短波段范围内（667～1 000 nm）的吸收光谱;对测得的原始光谱数据进行标准化和压缩预处理后,采用SPSS统计软件进行判别分析寻求特征点波长,并以选定的特征波长建立了预测模型。基于该模型采用3个波长（881,935和981 nm）就可以对易燃液体准确判别,据此可以构建廉价光谱装置实现对易燃液体的无损、快速现场安全检查。     

近红外漫反射光谱无损检测乳粉蛋白质的研究

利用近红外漫反射光谱技术对奶粉蛋白质含量的快速无损检测进行了研究。挑选来自国内不同地区的29种奶粉,以化学分析值作参比,采用偏最小二乘回归算法建立奶粉光谱信息和蛋白质含量的定量模型,预测均方根差(RMSEP)为0.687%。采用波长选择对模型进行优化后,波长点从1 558个减为11个,大大加快了运算速度,同时还在一定程度上提高了模型的精度。为了减小颗粒大小不均匀和粒子表面非特异性散射的影响,对光谱数据进行了标准正态变量(SNV)变换和多元散射校正(MSC),结果表明这两种方法是有效的,得到RMSEP减小了约37%。研究结果表明,近红外漫反射光谱测定奶粉中蛋白质含量实时、快速,能满足工业过程分析中的测量精度要求,为提高奶粉质量分析水平提供了新的途径。     

正交偏振法消除生物组织表面反射光的研究

应用光谱方法测量生物组织成分时, 信号的拾取一般有两种方法：透射法和反射法。其中,根据光纤测头与生物组织接触与否,反射法分为接触和非接触两种形式。接触测量时, 只有携带了组织信息的深层反射光进入测头, 但接触测量中压力、温度等变化会导致测量条件的变化,进而影响光谱数据的稳定性;非接触测量时, 虽然克服了接触压力、测头温度等对测量的干扰,却会导致不携带光与组织相互作用信息的表面反射光进入测头,由于表面反射光强度高且集中,将会影响检测器的动态范围。因此非接触测量的最大问题是如何有效地消除生物组织表面反射光的影响。针对非接触测量中生物组织表面反射光的消除方法进行了系统研究, 对课题组之前提出的正交偏振法进行了理论和实验分析。首先,以不同被测物为对象,研究了表面反射光的偏振态,结果表明表面反射光的偏振度与表面粗糙度密切相关,表面粗糙程度越小,偏振度越高,由此推断出,经表面光滑的Intralipid溶液反射后的表面反射光具有保偏特性;然后,以Intralipid-20%溶液为被测对象,对正交偏振法消除表面反射光的效果进行了研究,实验结果显示正交偏振法可以消除97%以上的表面反射光;最后,比较分析单波长下不同源探距离处的接触和非接触式光谱测量曲线,二者高度重合,这一现象进一步说明了正交偏振法消除表面反射光的有效性。该研究通过评价正交偏振法消除组织表面反射光的能力,旨在消除接触式漫反射光谱检测中测量条件变化对测量的影响,以期推动近红外无创光谱检测技术的进一步发展。     

近红外光谱主成分分析与模糊聚类的典型地面目标物识别

近红外光谱技术在遥感监测领域中应用广泛,针对典型地面目标物遥感监测识别需要,提出了光谱主成分分析(PCA)与模糊聚类结合的分类识别方法,提高了识别算法效率及准确性。以四类典型地面目标物作为研究对象,分别测量其在1 100～2 500 nm范围内漫反射光谱,首先对漫反射光谱进行主成分分析,得到代表光谱特征的主成分分量,然后将其作为模糊聚类分析模型输入参数,计算样品主成分集合之间贴合度,最后利用择近原则对样品进行匹配分类。结果表明,主成分分析可以有效提取光谱特征并且降低数据维度,结合基于择近原则的模糊分类方法,可有效提高算法准确性与效率,为遥感光谱在地面目标物识别应用提供了有益的参考。     

基于红外ATR光谱的组织液中葡萄糖信息检测方法研究

通过测量组织液中的葡萄糖浓度获得血糖信息是目前实现血糖连续检测的主要方法,中红外ATR光谱法在分析葡萄糖等生物小分子成分信息方面具有显著优势,但是如何利用中红外ATR光谱法检测皮下组织液中的葡萄糖信息仍是尚未解决的问题。在对中红外穿透深度理论分析的基础上开展了自然状态和渗透状态下人体皮下组织液葡萄糖的中红外ATR光谱检测实验。首先探究将中红外光直接入射到人体皮肤表层上,采集自然状态下人体手指皮下组织液葡萄糖的ATR光谱数据,讨论中红外直接穿透皮下组织获得葡萄糖信息的可行性;在此基础上,通过采用低频超声和真空负压的方法促进组织液渗透到皮肤表层,采集其中红外ATR光谱进而分析和判断是否含有葡萄糖特异信息。由于二维相关光谱技术在红外光谱等光谱研究领域分析分子间反应和物质的吸收峰信息来源时有很高的分辨率和很好的适用性,利用二维相关光谱技术分别分析皮肤表层在自然状态和渗透状态的实验条件皮下组织体中葡萄糖信息。实验结果表明：中红外ATR光谱法无法直接应用于皮下组织液的葡萄糖浓度检测,利用物理或化学的方法促进组织液渗透到皮肤表层,是实现中红外ATR光谱法检测皮下组织液中葡萄糖的一个发展方向。