模型诊断用于近红外光谱建模校正集中奇异样本的识别

由于校正集样本的质量决定校正模型的质量,校正集中奇异样本的检测在多元校正建模中具有非常重要的意义.本研究建立了一种用于近红外光谱多元校正建模时校正集中奇异样本的检测方法.本方法基于奇异样本的定义和偏最小二乘方法的原理,通过考察每个校正集样本在模型的每个因子(或主成分)中对模型的贡献,将与多数样本表现不同的样本识别为奇异样本.采用218个橘汁样本构成的近红外光谱数据进行了分析,结果表明,校正集中存在6个奇异样本,扣除奇异样本后,校正集的交叉验证均方根误差由16.870减小为4.809,预测集的均方根误差从3.688减小为3.332.     

连续投影算法在近红外光谱校正模型优化中的应用

主要从减少变量、提高校正速度的角度,采用了一种新的变量提取方法——连续投影算法(successive projections algorithm)来优化白酒酒精度的近红外光谱定量模型,对于异常样品的剔除沿用了T2椭圆法,使模型更具代表性和稳健性,只用了全部变量的1.17%(9个变量)建立模型,其预测相关系数0.9477,得到了较好的预测效果,并与采用经无信息变量消除法进行波长优选后的偏最小二乘(partial least-squares)方法建立的校正模型做了比较,进一步证明这种算法是切实可行的。     

基于净信号的混合校正方法用于复杂生物样品光谱的定量分析和物理解析

对于复杂生物样品的光谱定量分析,单独应用偏最小二乘回归(PLSR)不易获得被测量信息的物理解析。为此建立了一种基于被测量净信号(NAP)的混合校正模型(NAP-PLSR),并应用于离体和在体实验,进行了葡萄糖含量的近红外光谱定量分析和物理解析研究。实验结果表明,通过NAP-PLSR模型获得的净信号灵敏度曲线易于分辨,能够提取到与葡萄糖分子吸收有关的1 100~1 300nm和1 500~1 800nm两波段信息,提高了模型精度的同时可获得有效的物理解析。     

组合偏最小二乘回归方法在近红外光谱定量分析中的应用

针对近红外光谱数据局部效应显著,变量个数多,彼此间常存在严重的复共线性,并多与样品组分含量呈非线性关系,构建一种组合非线性偏最小二乘回归(E-S-QPLSR)方法。它采用无重复采样技术(subag-ging),从训练样本中生成若干子样,然后每个子样通过二次多项式偏最小二乘回归(QPLSR),建立其子模型,并实现对训练样本因变量的定量预测,再将它们交由线性PLS算法用于计算各子模型的组合权系数。将该法应用于80个玉米样品的水组分含量与其近红外光谱的定量关系建模,效果良好,显示出很强的学习能力,所建模型的预报性能也优于其它方法。     

复杂样品近红外光谱定量分析模型的构建方法

针对复杂样品近红外光谱分析中校正集的设计问题, 探讨了标准样品参与复杂样品建模的可行性. 通过标准样品和复杂基质样品共同构建的偏最小二乘(PLS)模型, 考察了波段筛选和建模参数对预测结果的影响. 结果表明, 采用PLS方法建立定量模型时, 校正集样品性质应该尽量与预测集样品相似, 当样品的性质相差较大时, 适当增加校正集样品的差异性可使模型具有更强的预测能力. 同时, 波段优选对提高预测结果的准确性具有重要的意义.     

仪器噪声在近红外光谱偏最小二乘模型内的传播效应

在实际多元校正应用中有很多因素会影响偏最小二乘(PLS)模型的预测效果,作为光谱数据本源的仪器噪声是其中的重要影响因素。以往的研究工作多使用各种滤波器或平滑方法来降低仪器噪声的影响,然而对于仪器噪声如何影响偏最小二乘的建模过程和模型预测能力鲜有报道。该文阐述并论证了仪器噪声怎样通过第一个隐变量的计算被引入模型中,经过对偏最小二乘计算过程的理论推导,论述了噪声的引入对偏最小二乘权重向量、载荷向量计算具有累积效应,并随着后续隐变量的计算不断在模型中传递,从而对偏最小二乘模型产生影响。同时对偏最小二乘模型的预测误差进行理论分解,将其划分为无噪理想模型本身的误差和由噪声传播导致的误差。结果表明,仪器噪声不仅会降低偏最小二乘模型的预测性能,还会影响偏最小二乘模型的最优复杂度选择。     

样条变换集成罚函数偏最小二乘方法用于光谱数据重构和定量分析

针对高维小样本光谱数据所显现的函数型数据(Functional data)特性、与性质参数的非线性关系及变量间存有的严重共线性,采用了样条变换集成罚函数偏最小二乘回归新技术.它首先以三次B基样条变换实现非线性光谱数据的线性化重构,随后将重构的新光谱矩阵交由罚函数偏最小二乘法(Penalized PLS)构建其与性质参变量间的校正模型,其中罚函数中的光滑因子由交叉验证优化确定以调控模型的拟合精度.最后,通过小麦样品水分含量的近红外光谱定量分析,结果显示该技术光谱数据重构稳健,去噪明显,并有效解决高维小样本的过拟合和变量间的共线性,而预测集的均方根误差(RMSEP)为0.1808%,方法的非线性校正模型预测能力得到了明显提高.     

分段直接校正模型转移结合近红外光谱技术的甲醇汽油中甲醇定量分析方法研究

发展了一种基于分段直接校正(PDS)算法结合偏最小二乘法(PLS)的近红外光谱(NIR)定量分析模型转移方法,用于甲醇汽油中甲醇的准确定量分析.首先,制备了20个不同甲醇含量的甲醇汽油样品,并采集其NIR光谱;其次,考察了不同输入变量(800～2000 nm、1100～1900 nm、1100～1700 nm、1390...     

CCD近红外光谱分析技术在测定红烟硝酸中的应用

从化学计量学角度研究了CCD近红外光谱技术在无机物领域分析中的应用。使用偏最小二乘法(PLS)建立了红烟硝酸的密度、水分含量等五项指标的快速测定模型,验证了近红外光谱测定红烟硝酸各项指标的可靠性。试验证明,CCD近红外光谱方法具有重现性好、分析速度快、使用样品量少、可以在线分析等优点,可以用于无机物的常规分析。     

基于移动窗口-迭代遗传算法的近红外光谱波长选择方法

光谱样本数据常会受到环境噪声和其它组分的干扰，应作波长选择，以提高分析精度。近红外光谱谱区宽，搜索空间过大，难以直接采用遗传算法进行波长选择。为此本研究提出先用移动窗口偏最小二乘法（MWPLS）从宽谱区中初选出信息区间，再采用改进的迭代遗传算法（IGA）从中选出最优的信息子区间。MWPLS用移动窗口沿全谱区扫描，对信息区间的定位效果好，而IGA将顾及光谱数据的连续相关特性，运行多轮GA，并以上轮选择结果平滑处理后作为先验知识支持下轮的种群初始化。由此选出的连续相邻的波长点作为自变量，进行PLS建模，既可显著地简化模型，又保留一定的数据冗余，模型的稳健性好、分析精度高。将其用于小麦水分的近红外分析，效果良好，预测性能明显优于其它方法。     

基于正交信号校正的秸秆青贮饲料粗蛋白近红外分析模型传递方法

探讨了基于不同数据预处理方法的正交信号校正在秸杆饲料近红外光谱模型传递中的应用.以141个秸杆青贮饲料样品为研究对象,以其粗蛋白含量为目标参数,研究了基于无处理、局部中心化、全局中心化和Z-score标准化预处理方法的正交信号校正,在源仪器(SPECTRUM ONE NTS)和目标仪器1(ANTA-RIS)与目标仪器2(FOSS 6500)之间的模型传递效果.实验表明:对于两台傅里叶变换型近红外光谱仪,采用局部中心化、全局中心化和Z-score标准化预处理方法的正交信号校正均可成功实现模型传递,其中局部中心化和全局中心化法的作用效果基本一致,且优于Z-score标准化法.对于傅立叶变换和光栅型近红外光谱仪,全局中心化的作用效果明显优于其它3组处理效果,且只有全局中心化预处理的正交信号校正传递后的模型可用于实际预测.     

基于OSC–WT–PLS近红外光谱法测定烟草中芸香苷

采用正交信号校正(OSC)结合小波变换(WT)对烟草光谱进行光谱预处理,将预处理后的烟草光谱结合偏最小二乘法(PLS)建立了烟草光谱对芸香苷的预测模型。利用OSC滤除光谱中与芸香苷含量无关的光谱信息,确定OSC提取的最佳主成分数为7,再选择WT中的最佳小波基函数bior1.1对OSC预处理后的光谱进行压缩及进一步滤噪,然后进行PLS建模,OSC–WT–PLS所建模型决定系数r~2=0.874,校正标准偏差RMSEC=0.85,预测均方根误差RMSEP=0.743,交互验证系数Q_(ext)~2=0.887。结果表明,用OSC–WT–PLS可滤除光谱信息中与待测样品含量无关的信息、减少光谱数据量,降低建立模型的复杂度、提高建模速度及模型的预测能力、准确度。     

啤酒主要成分的近红外光谱法测定

根据近红外光谱的振动吸收强度与有机分子官能团含量的线性关系,用偏最小二乘法,对啤酒的近红外光谱与其中的酒精度、原麦汁浓度以及总酸含量等3种主要成分进行了线性回归,并建立起相关的模型。用该模型对未知啤酒样品中的上述3种成分的含量进行预测,取得了令人非常满意的结果。可望作为啤酒厂的一种快捷而准确的检测方法予以推广。     

近红外光谱法测定黄芩提取物中黄芩苷含量

近红外光谱技术(NIR)是近年来快速发展的一种新型光谱分析技术,具有快速、高效、无污染、非破坏性以及实时分析等优点~([1]),已在农业、烟草、石油化工、医药等多领域得到广泛应用.尤其在药物分析方面,体现出近红外光谱分析的巨大潜力~([2]).     

主成分-人工神经网络在近红外光谱定量分析中的应用

近红外光谱的主成分由非线性迭代偏最小二乘法（ＮＩＰＡＬＳ）求出。主成分作标准化处理后,作为Ｂ－Ｐ神经网络的输入结点进行非线性迭代。该法的优点是,充分利用了全光谱的数据,得到消除噪声后的最佳主成分,能建立非线性模型,Ｂ－Ｐ神经网络迭代时间显著缩短。用该法对大麦中的淀粉含量进行了定量分析研究。结果为：校准和预测的相关系数分别为０．９８１和０．９５３,校准和预测的相对标准偏差分别为１．７０％和２．４８％。     

有指导的正交投影技术结合斜率/截距校正法实现小试水分近红外定量模型向中试传递

针对小试制剂过程建立的近红外定量模型难以直接应用于中试或大生产过程中的问题,该文以小试和中试条件下多批次药用糊精流化床制粒过程为载体,在线采集其近红外光谱数据并测定水分含量,建立小试过程水分近红外定量模型,提出并应用有指导的正交投影技术结合斜率/截距校正的模型传递方法跨尺度预测中试样本,使中试两个测试集A和B的水分相对预测误差分别由51.04%和26.64%降至4.90%和3.99%,显著提高了模型预测的准确度。将该结果与无指导的正交投影技术结合斜率/截距校正法以及模型更新相比较,该方法能更加有效地去除待测样本光谱中的干扰信息,适用范围广,为小试建立的模型放大应用到中试甚至大生产过程提供了新方案。     

软件技术在近红外光谱定量分析中的应用

为了更好地运用化学计量学方法提高近红外光谱定量分析的质量,全面研究了相关算法技术与软件工具的应用。根据近红外光谱定量分析的一般流程,依次探讨了光谱数据预处理、异常样本检测、样本集划分、波长选择、模型建立及其参数优化的常用算法,并给出了其中各种主流算法的基本步骤;然后介绍了OMNIC、OPUS、Origin、The Unscrambler X和MATLAB等软件工具的功能特点和主要用途,可为相关技术研究和分析检测工作提供参考。     

The Use of Constituent Spectra and Weighting in Extended Multiplicative Signal Correction in Infrared Spectroscopy

Extended multiplicative signal correction (EMSC) is a widely used preprocessing technique in infrared spectroscopy. EMSC is a model-based method favored for its flexibility and versatility. The model can be extended by adding constituent spectra to explicitly model-known analytes or interferents. This paper addresses the use of constituent spectra and demonstrates common pitfalls. It clarifies the difference between analyte and interferent spectra, and the importance of orthogonality between model spectra. Different normalization approaches are discussed, and the importance of weighting in the EMSC is demonstrated. The paper illustrates how constituent analyte spectra can be estimated, and how they can be used to extract additional information from spectral features. It is shown that the EMSC parameters can be used in both regression tasks and segmentation tasks.     

Determination of Parameter Uncertainty for Quantitative Analysis of Shaddock Peel Pectin using Linear and Nonlinear Near-infrared Spectroscopic Models

Fourier transform near-infrared spectrometry has been used in combination with multivariate chemometric methods for wide applications in agriculture and food analysis. In this paper, we used linear partial least square and nonlinear least square support vector machine regression methods to establish calibration models for Fourier transform near-infrared spectrometric determination of pectin in shaddock peel samples. In particular, the tunable kernel parameters of the linear and nonlinear models were set changing in a moderate range and were optimally selected in conjunction with a Savitzky–Golay smoother. The smoothing parameters and the linear/nonlinear modeling parameters were combined for simultaneous optimization. To investigate the robustness of calibration models, parameter uncertainty were estimated in a direct way for the optimal linear and nonlinear models. Our results show that the nonlinear least square support vector machine method gives more accurate predictive results and is substantially more robust compared to the spectral noise when compared with the linear partial least square regression. Furthermore, the optimized least square support vector machine model was evaluated by the randomly selected test samples and the model test effect was much satisfactory. We anticipate that these linear and nonlinear methods and the methodology of determination of model parameter uncertainty will be applied to other analytes in the fields of near-infrared or Fourier transform near-infrared spectroscopy.