近红外透射光谱结合判别分析方法在汽车制动液品牌与新旧鉴别中的应用研究

采用近红外透射光谱研究了汽车制动液品牌及新旧的鉴别。采集宝马(BMW),丰田(Toyota),沃尔沃(Volvo)以及嘉实多(Castrol)四种品牌的汽车制动液全新样本以及用过的样本的透射光谱。分别对每一种品牌下全新与用过汽车制动液样本的光谱数据进行主成分分析(PCA),主成分得分图表明不同品牌制动液以及该品牌下全新样本以及用过的样本能够被较好的区分,其光谱特性存在差异。基于主成分载荷(Loadings)进行特征波数选择,偏最小二乘判别分析(PLS-DA),线性判别分析(LDA),簇类独立软模式法(SIMCA),k最邻近分类算法(KNN),随机森林(RF),误差反向传播人工神经网络(BPNN),径向基神经网络(RBFNN),极限学习机(ELM),支持向量机(SVM),最小二乘支持向量机(LS-SVM)等判别分析方法用于建立基于特征波数的判别分析模型,判别模型的建模集和预测集判别正确率均略低于或达到了100%。与其他三种品牌汽车制动液相比,嘉实多全新样本与用过样本的差异较小,KNN与LS-SVM模型的建模集正确率均低于100%。结果表明,近红外透射光谱结合特征波长选择以及判别分析模型对不同品牌制动液以及同一品牌下全新样本以及用过的样本进行识别是可行的,为开发在线或便携式仪器提供理论支持。     

人血红细胞傅里叶变换红外和近红外拉曼光谱

通过人血红细胞傅里叶变换近红外拉曼光谱和红外光谱研究,基本上确定了人血红细胞中特征官能团的归属, 发现不同拉曼频移的拉曼信号强度随激发光功率呈非线性变化规律。近红外激光拉曼光谱结合红外光谱信息,可作为研究人血红细胞结构的有效测试手段。     

近红外透射光谱的动物全血鉴别

在进出口检测检疫部门,血液制品的检验与分类是件重要且复杂的事情。对于全血样品,开放式的采集可能带来污染,且血样中的致病因子可能会对检测人员造成危害。因此急需非接触式的全血分类鉴别方法。常用流式细胞术中的光谱方法由于需要对血细胞进行采样,所以无法在非接触全血分类鉴定中采用。红外吸收光谱学是一种可用来分析样品分子结构和化学键的技术,可以在不直接接触样品的情况下对样品进行探测。为寻找一种可实现非接触式血液样品种属差异性状探测的可行光谱方法,采用近红外谱段(4 497.669～7 506.4 cm-1)对犬猫鸡三类常见动物全血样品进行了透射光谱测量。结果发现所测样品均在5 184～5 215 cm-1之间有个明显的吸收峰,在7 000 cm-1附近有个较平缓的吸收峰,且同种动物个体之间的透射光谱分布相似,只在整体透射率上有些差别。采用相关系数比较三类动物全血样品近红外透射光谱的区别,计算得出同种动物不同个体光谱曲线的相关系数均大于0.99,而不同种动物光谱曲线的相关系数在0.509 48～0.916 13之间。其中鸡与猫光谱曲线的相关系数在0.857 23～0.912 44之间;鸡与犬光谱曲线的相关系数在0.509 48～0.664 82之间;猫与犬光谱曲线的相关系数在0.872 75～0.916 13之间。犬猫同属哺乳纲,两者全血的近红外透射光谱相关系数比犬鸡或猫鸡非同纲动物的大,即光谱曲线的相似度更高。研究结果表明近红外透射光谱是一种非接触式动物全血鉴别的可行方法。     

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。     

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。     

亚心形扁藻傅里叶变换近红外拉曼光谱

测定并研究了亚心形扁藻的傅里叶变换近红外拉曼光谱。结果表明,采用1 064 nm近红外激光激发,以亚心形扁藻藻液离心所获得的藻泥为测试样品,当激发光功率为360 mW,累加70次,可以获得较清晰的亚心形扁藻近红外拉曼光谱信号。其主要谱峰为：381～432, 552～556, 611～613, 710, 873, 953～964, 1 108～1 119, 1 457, 1 523～1 527, 2 986 cm-1,确认其归属主要为蛋白质、不饱和脂肪酸以及酯类等亚心形扁藻的主要组成物质。该研究为藻类分类以及环境胁迫下藻类的生理生化变化提供一种快速、实时、无损的检测方法。     

基于激光驱动等离子体光源的近红外傅里叶变换光谱系统

近红外傅里叶变换光谱仪作为一种常用的科研级近红外光谱检测仪器,广泛应用于各个科研领域。目前的近红外光谱仪着重于光谱分辨率方面的提升,在光谱信噪比提升方面关注较少。光谱信噪比直接影响光谱线指数测量精度的优劣,光谱信噪比越高,光谱线指数测量精度越高,越有利于对微量物质进行精细光谱比对。因此,提升光谱仪的光谱信噪比是十分必要的。对比常用的钨灯光源,激光驱动等离子体光源(LDLS)不仅在近红外区域具有高光照强度的优点,而且其独特的高频调制输出信号在经锁相放大器调制解调后能够很好的抑制背景信号对干涉光谱所带来的影响。高亮度与辐射调制的结合使得以LDLS作为光源的近红外傅里叶变换光谱系统在光谱信噪比方面获得显著提升。基于上述原因,提出利用新型激光驱动等离子体光源作为光谱信号输出源的近红外傅里叶变换光谱系统,并与含有调制能力的钨灯光源搭建的近红外傅里叶变换光谱系统进行了信噪比的比较实验。首先利用钨灯光源由斩波器高频调制再经过锁相放大器解调的方式,对锁相放大器积分时间进行优化并通过计算干涉光谱信噪比进行评估,分别对比了积分时间为0.5,1,5,10和20 ms的干涉光谱信噪比与对称度,确定后续系统中的锁相放大器最佳积分时间为5 ms,该状态下钨灯光源所实现的干涉光谱信噪比经计算约为90∶1;其次利用激光驱动等离子体光源代替钨灯光源和斩波器,在最佳积分时间下进行干涉光谱信噪比对比评估,结果表明激光驱动等离子体光源的干涉光谱信噪比与传统钨灯光源相比提升111倍;最后,利用近红外标准片对系统进行光谱测量准确性评估,结果表明利用该光源的近红外傅里叶变换光谱系统的近红外吸收峰值误差<0.5 nm,具有高光谱准确性与分辨能力。     

傅里叶变换近红外光谱信息资源共享的基础研究

为了实现农产品傅里叶变换近红外光谱库信息资源的共享 ,使光谱库的信息资源达到充分利用 ,首先研究了仪器间光谱信息的准确表达 ,即仪器到仪器光谱信息间的映射 ;并以映射光谱研究了用于不同仪器上进行定量分析的无标样建模方法。对于 2 2个小麦样品蛋白质含量 ,无标样建模模型预测值与凯氏定氮结果的相关系数r =0 94 1,平均相对误差为 3 2 8% ;为了考察无标样建模模型定量分析的使用性 ,同时亦对 2 2个小麦样品的蛋白质含量采用有标样建模定量分析 ,模型预测值与凯氏定氮结果的相关系数r =0 96 3,平均相对误差为 2 4 %。有标样建模与无标样建模的模型分析结果的比较 ,为不同仪器间光谱信息的可共享性提供了依据。由此根据不同仪器建立的光谱信息库的库信息即可转化为另一仪器的映射光谱信息 ,保证了光谱库信息资源在不同仪器上的共享利用     

鸭梨黑心病可见/近红外漫透射光谱在线检测

鸭梨黑心病是鸭梨的主要生理病害,直接影响鸭梨的出口创汇;准确快速鉴别鸭梨黑心病对于梨的出口业具有重要现实意义。探讨可见/近红外漫透射光谱在线检测鸭梨黑心病的可行性,选取80个正常鸭梨和70个黑心鸭梨作为建模集,建模集被分为校正集和预测集以求获得最优模型。未参与建模的30个正常梨和20个黑心梨作为预测集,用于评价模型的预测能力。鸭梨的可见/近红外漫透射光谱,在5个/秒的速度下采集。建模集能量谱经标准正交变换(SNV)和多元散射校正(MSC)处理后,分别建立健康梨和黑心梨的偏最小二乘判别模型(DPLS)、峰面积判别模型(DPA)、主成分判别模型(DPCA)。用建模集模型判别预测集鸭梨,经比较,DPLS模型的判别准确率最高,黑心梨正确识别率达到100%。实验结果表明：可见/近红外漫透射光谱结合DPLS判别方法,可以实现黑心鸭梨的在线检测。相比传统的人工破损方法,在线检测可为梨出口贸易提供技术支撑和科学参考依据。     

基于可见/近红外透射光谱的孵化早期受精鸡蛋的判别

在种鸡蛋孵化过程中,部分种蛋由于未受精不能正常出雏,不但会造成大量浪费,还有可能引起霉菌感染其他种蛋,利用可见/近红外透射光谱分析技术可以对种鸡蛋中的受精蛋和无精蛋进行检测。为研究孵化初期无精蛋最佳的判别时间,本文通过对孵化环境下种鸡蛋品质随时间变化的研究,最终发现在孵化24h内的种鸡蛋品质还在新鲜状态,在72h后的种鸡蛋品质变为不可食用级别,最终发现36h内是最佳的判别时间。研制了基于可见/近红外透射光谱的静态采集系统,并使用该系统进行了光谱采集。对比同一品种不同样品及不同品种的光谱建模效果,剔除了由蛋黄与蛋壳颜色造成的样本光谱差异区域,选取的有效光谱波段为355~590和670~1 025nm。采用主成分分析法进行预处理,通过不同时间、不同主成分数建模效果的比较,确定最佳的主成分数。同时采用多元散射校正、附加散射校正、导数校正与主成分分析的光谱预处理方法在不同的建模方法下进行对比,并考虑到实际应用与最终的生产效益,建立了有效的判别模型。最佳判别模型为使用24h时采集光谱且采用主成分分析法进行数据预处理并使用Fisher算法建立的模型,判别准确率能达到87.18%。该研究为早期受精蛋与无精蛋的无损伤在线鉴别提供了一种新的方法。     

近红外光谱技术定量测定杨梅汁可溶性固形物

采用近红外光谱分析技术对浙江省不同产地的杨梅汁进行了光谱测定和定量分析,通过计算样品的杠杆值、学生残差和马氏距离来判别异常样品,采用偏最小二乘法(PLS)对杨梅汁的可溶性固形物进行建模分析,选取不同的分辨率和波段范围对光谱进行有效的信息提取和分析,确定了最佳的回归因子数和用于定量分析的最优波段范围。结果显示： 杨梅汁样品中有一个为异常样品,在建模时予以剔除;用于杨梅汁可溶性固形物检测的最佳分辨率和最优波段分别是4 cm-1和4 000～12 267.46 cm-1,最佳的回归因子数是8,该PLS模型的相关系数为0.957 85,校正均方根误差(RMSEC)、预测均方根误差(RMSEP)和交互验证标准偏差(RMSECV)分别是0.431,0.925和1.07°Brix。研究表明近红外光谱检测技术能用于杨梅汁可溶性固形物的定量分析。     

砂岩的近红外光谱特征及其含水量反演

沉积岩石的强度往往会受到水的影响,含水量不同其影响程度也不相同。因此,沉积岩石的含水量测定对于后续评估其物理力学特性具有重要的价值。在岩石含水量测定方面,传统的方法往往费时、费力,而且破坏了工程结构的完整性。近红外光谱分析技术是一种非常有潜力的方法,具有实时、无损等优点。基于近红外光谱分析技术对砂岩的光谱特征以及含水量的反演进行了研究。首先,通过室内试验获取了砂岩试样不同饱和度的近红外光谱曲线;然后,对原始光谱曲线进行了异常曲线剔除以及一阶导数预处理,消除噪声、环境等因素的影响;其次,对R1（1 400 nm）和R2（1 900 nm）附近的两个吸收峰进行光谱特征变量提取以及归一化处理,消除量纲和域值的影响;接着,基于最大信息系数对提取的光谱特征变量进行分析和筛选;最后,基于筛选后的光谱特征变量采用自行搭建的BP神经网分类器对砂岩的含水量进行了反演。结果表明：（1）含水砂岩的近红外光谱吸收曲线在1 400和1 900 nm附近有着明显的吸收峰,位于1 400 nm附近的吸收峰,谱带比较宽缓,位于1 900 nm附近的吸收峰,谱带比较尖锐;随着含水量的增加,近红外光谱曲线在1 400和1 900 nm附近吸收峰的吸收强度也在增加,具有明显的正相关性,可作为砂岩含水量分析、反演的主要谱段。（2）根据计算的最大信息系数值,1 400 nm附近的峰高与含水量的相关性最强,同样1 900 nm附近的峰高与含水量的相关性最强;1 400 nm附近的峰面积、峰高和1 900 nm附近的峰高、峰面积、半高宽、右肩宽,共6个光谱特征变量,其最大信息系数值＞0.9,可作为BP神经网络反演砂岩含水量的特征变量。（3）利用最大信息系数筛选出1 400和1 900 nm附近两个吸收峰的特征变量进行BP神经网络建模,所建立的砂岩含水量反演模型训练集准确率为90.3%,测试集的准确率为83.9%,说明基于近红外光谱分析技术砂石含水量的反演方法是可行的。     

蜂蜜真伪的近红外光谱鉴别研究

如何有效鉴别蜂蜜真伪是目前我国蜂产品质量控制的难题之一。提出了一种用傅里叶变换近红外光谱结合判别偏最小二乘法(DPLS)快速鉴别蜂蜜真伪的新方法。首先采集了71个商品蜜样品的近红外光谱数据,其中包括27个纯蜂蜜和44个掺假蜂蜜,然后5次随机划分建模集样本和验证集样本,并对建模样本进行不同光谱预处理,选择并优化不同波段范围和主成分数,用DPLS法建立了5组蜂蜜样本的真伪鉴别模型,外部交叉验证法预测模型。通过对结果进行比较分析,5组校正模型中真蜂蜜和掺假蜂蜜的总体识别准确率分别为91.49%,94.68%,92.98%,93.86%,94.87%;预测样本的识别准确率为86.96%～93.75%,其中模型2,3,4中掺假蜜的识别准确率达100%。研究结果表明,该方法可作为鉴别商品蜜真伪的一种快速筛选技术,在我国蜂蜜质量监控中具有重要意义。     

基于小波变换的水果糖度近红外光谱检测研究

利用小波变换滤波技术对90个水果样品的近红外光谱信号进行了去噪处理,并结合滤波后重构光谱信号对水果糖度进行逐步线性回归(SMLR)建立其校正模型,通过34个样品的外部检验对校正模型精度进行评价。研究结果表明: 校正模型的预测精度在小波尺度为3时其预测精度最好,预测集的决定系数由原来的0.84提高到0.85, 预测集相对标准误差由原来的6.1% 降为6.0%。因此,使用小波去噪方法有消除原始光谱噪声作用,从而使最终的SMLR模型更具有代表性和稳健性,也提高了品质检测时模型预测精度。     

发酵冬虫夏草菌粉水分腺苷的近红外光谱定量分析及波段选择

研究发现基于800～2 500 nm波段的近红外光谱可对发酵冬虫夏草菌粉中水分和腺苷进行良好的定量分析。选取了4 277.63～4 316.20 cm-1,4 887.06～4 941.07 cm-1,5 056.78～5 172.50 cm-1和5 218.78～5 303.64 cm-1四个特征波段;4 902.49～4 817.64 cm-1和4 740.49～4 107.91 cm-1两个特征波段,分别对水分和腺苷建立了偏最小二乘法(partial least-square,PLS)回归模型。采用全波段建模水分和腺苷的预测相关系数r分别为0.868 3和0.788 2,预测均方根误差RMSEP分别为0.001 999和0.000 134, 剩余预测偏差RPD分别为1.974 4和1.640 7。而采用特征波段建模,其对水分和腺苷的预测相关系数r分别为0.869 1和0.829 0,预测均方根误差分别为0.001 934和0.001 250,剩余预测偏差分别为2.040 7和1.847 6。结果表明,采用对这两项指标特征波长建模后,不仅预测效果有不同程度的提高,还提高了建模速度,为检测仪器的开发提供了依据。     

近红外光谱法分析油页岩含油率中异常样品识别和剔除方法的研究

研究了漫反射近红外(NIR)光谱法分析油页岩含油率过程中异常样品的识别和剔除方法。在近红外光谱定量分析中,环境变化和操作失误等都会产生异常样品,异常样品的存在会导致模型的预测能力下降,因此异常样品的剔除是建模过程中的关键步骤。分别采用主成分分析—马氏距离(PCA-MD)法和半数重采样(RHM)法识别油页岩光谱数据中的异常样品,通过剔除异常样品后所建的偏最小二乘(PLS)分析模型的性能来评价PCA-MD与RHM方法对异常样品的识别能力。实验中考察了不同MD阈值和RHM置信度对异常样品剔除结果的影响,比较了单独和同时应用PCA-MD及RHM法识别并剔除异常样品后所得PLS模型的预测能力。结果表明：与所有样品参与建模时预测偏差均方根(RMSEP)相比,采用PCA-MD法时阈值取平均值与标准偏差之和时RMSEP降低了48.3%;采用RHM法时置信度取85%时RMSEP降低了27.5%;同时采用PCA-MD法和RHM法时RMSEP降低了44.8%,研究内容有效地提高了分析模型的预测能力。     

鲜肉水分近红外漫反射方法及实验研究

研究鲜肉深层水分的快速、无损检测方法,并用于鲜肉深层水分检测仪器的研制,具有很重要的现实意义,也是市场迫切的需求。以猪鲜肉为样品,采用近红外离散式光源,应用基于稳态空间分辨方法的漫反射方式解决了检测深度问题,测量鲜肉水分含量,得到了比较好的实验结果,r均达到0.90以上。用变异系数calculation of coefficient of variability(CV)和组内相关系数intra class correlation(ICC)检验测量的可靠性,CV≤5%,ICC达到0.83,表明方法稳定可靠。     

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。     

近红外反射光谱法(NIRS)测定棉仁粉中蛋白质和棉酚含量的研究

选用49份不同蛋白质和棉酚含量的陆地棉种质资源和188份陆地棉重组近交系为材料,以多年份、多地点种植收获的种子材料组成原始样品集,分别对棉仁粉中蛋白质含量和棉酚含量进行化学测定,采用改进的偏最小二乘法(Modified PLS)和(2,4,4,1)的数学转换方法建立近红外反射光谱(NIRS)定标模型,以寻找棉籽蛋白质含量和棉酚含量的快速测定方法。结果表明,蛋白质含量的定标决定系数(RSQ=0.933)和交叉检验决定系数(1-VR=0.929)较高,定标标准误差(SEC=0.623)和交互校验标准误差(SECV=0.638)较小,预测模型的建模效果较好,可替代化学分析。棉酚含量预测模型的RSQ,1-VR,SEC和SECV分别为0.836,0.811,0.074和0.079,模型预测效果略差于蛋白质模型,但仍可用于棉仁粉中棉酚含量的测定。