近红外光谱分辨率对液体样品近红外定量模型影响的研究

以四种组分的液体混合样品为实验对象,研究了不同分辨率下(1,4,16,32和64 cm-1)的近红外光谱模型,采用偏最小二乘法建立校正模型,全交互验证法进行检验。用目标函数值来评价定量模型性能。对于原光谱所建立的模型,苯和苯甲醛在分辨率1 cm-1时的目标函数值最大,甲苯在4 cm-1时的目标函数值最大,而氯苯在16 cm-1时的目标函数值最大;对于一阶导数光谱所建立的模型,四种组分的目标函数值均在1 cm-1时最大。结果表明,首先,仪器分辨率对近红外光谱定量分析结果有影响,对于光谱重叠严重的组分,提高分辨率对定量分析有利;但在分析对象的真实带宽较大的定量分析中,可采用较低分辨率以保证信噪比。其次,仪器分辨率对不同的组分的影响是不同的。此外,原光谱的信噪比及样品中不同组分光谱的带宽共同影响定量结果,在保证光谱信噪比的前提下,高分辨率对定量模型有利。     

近红外光谱定量校正模型适用性研究

近红外光谱作为一种依靠模型进行分析的技术,对测定的样品进行模型适用性判断是得到可靠分析结果的前提。对于通过校正集样本近红外光谱测量和标准方法测定的基础数据依靠因子分析技术建立的多元校正模型,提出将因子分析与Mahalanobis距离相结合判断定量模型适用性的方法,以近红外光谱测定柴油十六烷值为例,对影响模型适用性判断的一些因素进行了讨论。     

土壤金属元素近红外光谱定量校正模型适应性初步研究

为研究土壤金属元素近红外光谱定量校正模型适应性,采用近红外光谱结合偏最小二乘算法,针对风干土壤中的K,As,Hg,Cu,Zn,Pb,Cr,Cd元素,在剔除异常值后,建立定量校正模型;并对风干、烘干处理的外部验证集样品分别预测上述元素含量。结果表明,风干外部验证集样品的预测值-参考值相关系数皆大于相应烘干外部验证集样品的预测值-参考值相关系数;风干外部验证集各元素的预测值-参考值均具有显著的相关关系,烘干外部验证集中K,Hg,Cr的预测值-参考值之间不具有显著的相关关系。对土壤金属元素近红外光谱定量校正模型的适应性进行了初步研究,可为土壤中金属元素快速定量监测方法以及农产品产地环境监测等提供一定的参考。     

近红外光谱相关系数法用于快速检测药品的质量

对近红外光谱相关系数法检测药品质量变化的效果进行了研究,并考察了相关系数方法对同一品种药品来自不同厂家生产的样品的区分能力进行了计算,还研究了在不同仪器上、由不同人员测定光谱时相关系数方法的识别能力。本文还对计算相关系数时的光谱预处理方法和谱段等参数进行了探讨,提供了建议性的参数条件,为近红外光谱相关系数方法用于药品质量快速分析提供参考。     

南疆红枣品质近红外光谱在线模型参数的实验研究

为建立南疆红枣品质近红外光谱在线校正模型,分析了在线检测结果的主要影响因素,对相应的参数进行了实验研究。设置红枣不同的光谱采集条件,如测量状态、波段谱区、仪器参数等,利用近红外光谱仪和自行设计的红枣批量采集附件,获取南疆红枣品质光谱,通过光谱预处理和检测精度相结合的办法选择条件参数。通过不同建模参数进行PLS光谱校正和二维相关光谱分析,选择糖度特征光谱参数。结果表明:红枣糖度中心波长9 116,9 418和10 500cm-1,采集分辨率16cm-1,扫描次数8次,糖度相对误差8%～10%,单粒红枣光谱数据量减少为原来的1/10,采集时间减少了3s左右。通过实验参数,压缩了数据量,建立了初级在线校正模型,基本实现南疆红枣品质近红外光谱在线检测。     

近红外光谱温度修正定量分析模型的研究

以小麦粉末样品为实验材料,研究了环境温度对近红外光谱定量分析结果的影响。将环境温度作为外部变量,使用不同温度下的45个样品建立了测定小麦蛋白质含量的温度修正模型,预测不同温度下的小麦样品的蛋白质含量,结果同以22 ℃恒温下45个样品建立的模型进行了比较。分析结果表明：温度修正模型的预测标准差(SEP)平均为0.333,而恒温模型(22 ℃)的预测标准差随着环境温度与建模时温度差的增大而增大,当环境温度4 ℃时,SEP=0.601 6。温度修正模型可以有效的提高近红外光谱定量分析精度。     

基于堆栈压缩自编码的近红外光谱药品鉴别方法

由于近红外光谱在药品鉴别应用中具有分析速度快、样品无损、可现场检测等突出优点，目前已在众多领域中广泛应用。但近红外光谱存在信噪比低，吸收强度弱且谱峰重叠等缺点，无法从光谱中直接得到定性/定量的物质信息，因而近红外光谱分析技术常作为一种间接分析技术，并且光谱的化学计量学建模方法成为近红外光谱分析的核心内容。深度学习是机器学习的一个新的分支，并已经成功运用于多个领域。深度学习的网络结构和非线性的激活能力，使其模型特别适合高维、非线性的大规模数据建模。为进一步丰富近红外光谱建模方法，并提高近红外光谱分析技术的回归精度或分类准确率，将深度学习方法应用于近红外光谱分析，发展新的建模方法十分必要。面向近红外光谱定性分析技术，提出一种基于堆栈压缩自编码网络(SCAE)光谱定性分析方法，并应用于多类别药品的光谱分析，以区分或鉴别不同厂家生产的同种药品。压缩自编码网络(CAE)以自编码网络(AE)为基础，进一步加入雅克比矩阵作为约束项。自编码网络最初是用实现数据降维，以学习数据内部特征，而雅克比矩阵包含数据在各个方向上的信息，将其作为AE的约束项则可使提取到的特征对输入数据在一定程度下的扰动具有不变性，从而提高AE提取特征的能力。SCAE是一种由多层CAE构成的神经网络。前一层CAE的隐藏层作为后一层CAE的输入层，网络的全部参数是通过采用逐层贪婪的训练方式来获取的，训练结束后将所有网络视为一个整体，通过反向传播算法进行微调，最后使用Logistic/Softmax分类器进行定性分析。实验数据均为中国食品药品检定研究院采集，以头孢克肟胶囊作为二分类实验数据，硝酸异山梨酯片作为多分类实验数据。通过Bruker Matrix光谱仪测定每个样本在不同波长下的吸光度值得到其光谱曲线，再通过OPUS软件消除漂移等因素对光谱样本之间产生的偏差。接下来通过实验确定约束项雅克比矩阵的系数λ为0.003之后建立模型。建模过程分为五个阶段，分别为： 预处理阶段，预训练阶段，微调阶段，测试阶段和对比阶段。为了验证SCAE在分类准确性、算法稳定性和建模时间等方面的性能，与BP神经网络、SVM算法、稀疏自编码(SAE)和降噪自编码(DAE)开展对比实验研究。分类准确性方面，在不同的训练集与测试集的比例下，SCAE均有最佳的分类准确性与算法稳定性。建模时间方面，由于SVM算法不需要预训练和特征提取，所以运行时间方面比其他算法有大的优势，但是SCAE建模速度优于除SVM之外的其他对比算法。综合而言，使用SCAE进行药品鉴别有效可行。     

基于波形叠加极限学习机的近红外光谱药品鉴别

近红外光谱药品鉴别作为识别假冒伪劣药品的一种有效技术手段,已被广泛应用到各大医疗行业和药品监督管理机构,并结合模式识别建模方法在基层药品打假中得到较好的推广。由于传统建模方法很难满足药品鉴别中大规模、多分类、快速建模等问题,因此采用一种基于波形叠加极限学习机(SWELM(CS))分类方法对光谱数据进行鉴别。通过选用极限学习机(ELM)作为光谱药品分类器,使得分类模型具有快速学习能力以及对训练样本不敏感的特点;由于极限学习机的连接权值和隐层神经元阈值是随机生成导致网络稳定性差,因此结合布谷鸟搜索算法优化分类模型参数;采用反双曲线正弦函数与Morlet小波函数叠加的激励函数代替ELM原有的单一激励函数改善了分类模型的收敛速度和稳健性。通过上述改进方法使得SWELM(CS)具有对训练样本不敏感性,布谷鸟参数优化的分类稳定性、波形叠加函数的强收敛性与信号特征提取能力。该方法为核函数提供的信号特征提取及拟合的思想,可推广到其他学习算法中以获取更高的分类准确度及稳定性。该实验选定西安杨森制药厂生产的249个近红外光谱药品样本作为研究的主要对象,重点研究光谱药品的二分类和多分类实验,实验证明SWELM(CS)分类器相比BP神经网络、标准ELM以及粒子群优化ELM等传统分类器算法具有更高的分类准确度、分类稳定性及更小的训练样本敏感性。     

基于近红外漫反射光谱的农田原位表层土壤含水量定量建模方法比较

在农田尺度下,土壤表层因理化性状、粗糙度、作物根系和秸秆残茬等引起的空间异质性较为明显,样点间含水量差别相对较小,这对基于近红外漫反射光谱技术的表层土壤含水量原位测定带来极大的挑战。本研究分别利用基于单一波长(1 200,1 400,1 450,1 820,1 940,2 000和2 250 nm)反射率构建的指数衰减模型、基于归一化土壤湿度指数(NSMI)和相对吸收深度(RAD)构建的线性模型、基于土壤含水量高斯模型(SMGM)所得的拐点宽度(σ)、函数中心振幅(R_d)和高斯曲线面积(A)三个参数构建的线性或二次模型,以及基于波长区间反射率构建的偏最小二乘模型(PLS),对土壤体积含水量(VMC)进行定量分析。结果表明：(1)在单一波长反射率构建的所有指数衰减模型中,2 000 nm波长显示出最佳验证效果,RMSEp最低(2.463),RPD最大(1.06);(2)与RAD相比,NSMI的验证精度更令人满意,R2(0.312)和RPD(1.224)更高,RMSEp(2.133)更低;(3)在SMGM模型参数以及PLS模型拟合VMC的验证结果中,R_d具有最佳拟合精度,其R2(0.253)和RPD(1.175)最高,RMSEp(2.222)最低;(4)总的来看,NSMI指标构建的线性模型是所有方法中精度最高的,而且计算过程简单,易于操作,可作为表层土壤含水量原位测定的首选方法。     

基于近红外光谱检测和平衡级联稀疏分类的药品鉴别方法

近红外光谱检测和模式识别方法相结合,在药品的现场快速无损监督管理中有广阔的应用前景。传统的鉴别方法以最小化错误率为目标,往往忽略了样本数据的类别不平衡性,从而使得少数类样本被多数类样本淹没,降低少数类样本对分类器的影响,使分类结果更加倾向正确识别多数类样本,严重影响鉴别结果。针对药品光谱数据中真假药品类别不平衡问题进行研究,融合平衡级联和稀疏分类方法(SRC),提出一种级联的稀疏分类药品鉴别方法(BC-SRC)。文中在多数类样本中选取和少数类数目相同的样本作为训练样本,并在多数类样本中进行多次平行采样使得多数类样本被全部获得过(采样次数为多数类样本数与少数类样本数商的向上取整),最终得到测试样本的多组预测结果,根据得到的多组结果获得最终预测标签。将提出的方法在Matlab 2012a上进行仿真实验,通过三组样本集的实验证明该方法的有效性,实验结果表明该方法优于常用的偏最小二乘(PLS)、极限学习机(ELM)和BP神经网络分类法,特别是在解决类别不平衡问题时,当不平衡因子大于10时,BC-SRC算法分类相对于其他算法性能更好,且稳定性更高。     

近红外水分稳健分析模型研究

样品水分含量差异对近红外光谱分析模型的稳健性影响最为严重。文章以全籽粒小麦蛋白质含量为研究对象,分析了光谱预处理、有效波数区间的选取和全局校正模型应用对建立近红外水分稳健分析模型的可行性。结果表明,仅通过光谱预处理方法不能减少样品水分差异对预测结果的影响;选择有效波数区间和建立全局校正模型对消除水分的影响均有效,建立全局校正模型的效果最佳。并从理论上初步分析了各种方法的作用机理。     

噪声对近红外光谱分析的影响及相应的数学处理方法

以玉米籽粒的粉末样品为例,对噪声较高近红外光谱分析仪进行近红外分析的可行性进行了分析。结果表明,采用四次平均光谱,不采取其他数据处理,使用PLS算法,自编软件CAU-NIR可以得到很好的预测模型。通过与其他噪声较低近红外分析仪预测结果的对比,噪声较高的光栅型近红外光谱分析仪预测样品的相关系数高达98%,变异系数为6.2%。因此当近红外光谱分析仪器的信噪比低于105时,借助一定的软件技术,仍然可以用于定量分析。     

近红外光谱定量分析模型的样本影响研究

作为二次分析方法,近红外光谱分析的重现性和可靠性非常依赖于建模过程。以近红外光谱小麦蛋白质定量分析模型为例,研究了多变量定标建模过程中异常样本问题,旨在讨论复杂样本建模中的样本对模型的影响和作用。以PLSR算法建模中校正方差与验证方差的解释百分比曲线的背离特性作为异常样本存在的判据,当两个百分比曲线显著偏离时,则认为样本集中存在异常样本,并对建模产生了显著影响。异常样本的识别和处理,以及影响分析是本文主要的创新性工作,采用了基于样本删除的子模型遍历统计方法,能够渐次识别并提取出异常样本。在剔除异常样本后的模型预测结果中,以模型的预测残差标准差作为参考距离对异常样本进行了离群程度分级,可分为显著离群样本,相对离群样本以及潜在离群样本,数据集中显著离群样本约占7.8%,相对离群样本约占15.6%。异常样本对模型的影响表现在对正常样本的预测残差上,使预测值偏离理想拟合直线,分散性增加。剔除异常样本或以样本权重建模可有效抑制异常样本的影响,使模型的解释性更偏向于多数样本数据,降低模型的经验风险误差。     

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。     

表面粗糙度对近红外光谱分析木材密度的影响

近红外(NIR)光谱技术是一种基于多元统计分析建立预测模型的定量分析技术,应用十分广泛,然而,近红外光谱分析结果的准确性会受到多种因素的影响。文章分析了木材表面粗糙度对近红外光谱预测木材密度的影响。结果表明,当待预测样品的粗糙度和建模样品的粗糙度一致时,分析结果较好;二者不一致时,分析误差较大。采用不同粗糙度样品建立混合预测模型,可以显著提高模型对粗糙度的适应性和稳健性。     

基于Elman网络的近红外光谱技术多组分定量分析研究

研究了Elman神经网络(反馈神经网络,Recurrent Network)在近红外光谱定量分析中的应用。以饲料样品为实验材料,采用Elman网络建立了饲料中苯丙氨酸(Phe)、赖氨酸(Lys)、酪氨酸(Tyr)和胱氨酸(Cys)四种氨基酸含量的近红外光谱定量分析模型。用偏最小二乘法(partial least squares ,PLS)将原始数据压缩为主成分,取前3个主成分的12个吸收峰值输入Elman网络,网络中间层神经元个数为47。Elman网络模型对样品4个氨基酸含量的预测决定系数(r2)分别为0.960,0.981,0.979,0.952。表明所建Elman网络预测模型通过近红外光谱能够较准确预测饲料中苯丙氨酸、赖氨酸、酪氨酸和胱氨酸四种氨基酸的含量,为通过近红外光谱技术进行多组分定量分析提供了新思路。     

近红外光谱定性与定量分析技术在莲子无损检测中的应用

通过提取采后不同时期的莲子、莲仁的近红外漫反射光谱特征,以莲子的可溶性固形物(SSC)和干物质含量(DM)为指标进行定量和定性分析。利用偏最小二乘回归(PLSR)分析和距离判别分析(DA)计算所得的结果表明：SSC和DM含量与莲子、莲仁的吸收光谱特征具有明显相关。莲子SSC、DM的PLSR模型在5 941～12 480 cm-1谱区综合性能较好,预测相关系数(r₁)分别为0.74和82,校正相关系数(r₂)分别为0.82和0.84,留一交互相关系数(r₃)分别为0.72和0.71。莲仁SSC的PLSR模型在7 891～9 310 cm-1谱区综合性能较好,r₁为0.79,r₂为0.84,r₃为0.77。DM的PLSR模型在全光谱的综合性能较好,r₁为0.92,r₂为0.89,r₃为0.82。莲子在5 400～7 885 cm-1谱区的判别性能较好,正确率达84.2%,而莲仁在9 226～12 480 cm-1谱区的判别性能较好,正确率达90.8%。对不同年份和有膜有芯的干莲仁进行DA判别的精度可达98.9%。研究表明近红外检测技术可用于莲子和莲仁的SSC和DM含量的定量分析及储存期的定性判别,还可对不同年份和有膜有芯的干莲仁进行判别。     

土壤水分对近红外光谱实时检测土壤全氮的影响研究

利用近红外光谱技术实时预测土壤全氮含量是精细农业的研究热点之一,但是由于土壤水分在近红外波段的吸收系数较高,影响了土壤全氮含量的实时预测精度。使用布鲁克MATRIX_I傅里叶近红外光谱分析仪对不同土壤水分的土壤样本进行了近红外光谱扫描,定性和定量的分析了土壤水分对近红外光谱的影响,并提出了一种消除土壤水分对土壤全氮含量预测影响的方法。近红外光谱扫描结果显示在同一全氮含量水平下,随着土壤水分含量的增加,光谱吸光度呈逐渐上升的趋势,且变化趋势为非线性。通过对1 450和1 940 nm两个水分吸收波段的差分处理,设计了水分吸收指数MAI（moisture absorbance index）,再对土壤按照水分含量梯度进行分类,提出了相应的修正系数。修正后的6个土壤全氮特征波段处(940,1 050,1 100,1 200,1 300和1 550 nm)的土壤吸光度值作为建模自变量,使用BP神经网络建立了土壤全氮预测模型,模型的R_C,R_V,RMSEC,RMSEP和RPD分别达到了0.86,0.81,0.06,0.05和2.75;与原始吸光度所建模型相比较模型精度得到了显著提高。实验结果表明本方法可以有效地消除土壤水分对近红外光谱检测土壤全氮含量预测的影响,为土壤全氮含量实时预测提供了理论和技术支持。     

IPLS-SPA波长选择方法在近红外秸秆生物量中的应用研究

在近红外光谱分析模型中全谱信息通常含有大量冗余信息,会导致模型解析时间延长、 加大模型解析难度,因此如何快速有效地选取特征波长至关重要。采用基于间隔偏最小二乘(interval partial least squares, IPLS)结合连续投影算法(successive projections algorithm, SPA)对小麦秸秆发酵过程微生物生物量进行特征波长选择,共制备85个样本,采用氨基葡萄糖法测定微生物生物量,选择68个样本作为校正集,17个样本作为验证集。首先对全谱区520个波长点根据间隔点大小10, 20, 30, 40进行分段建模,选取出4 450～4 925和9 194～9 993 cm-1两个波段范围作为特征波段,将选取出的特征波段再进行连续投影算法及遗传算法(genetic algorithm, GA)特征波长点选取,并进行综合分析对比。实验结果表明采用IPLS-SPA算法选择4 450～4 925和9 194～9 993 cm-1的组合波段具有最佳建模效果,相比于全谱建模其参与建模的波长点由520个减少到10个,模型验证集决定系数(R-Square, R2)从0.884 9提升至0.945 28,验证集均方误差根(root mean square error prediction, RMSEP)从11.104 9降至8.203 3,GA遗传算法虽取得了更优的模型精度,但其实验结果并不稳定且随机性较强,而IPLS结合SPA方法能够稳定而准确的(地)选择特征波长信息,提高模型运算速度并降低模型拟合难度,可以作为一种新的波段选择参考方法。结果表明采用近红外光谱分析方法对秸秆发酵生物量进行快速检测是可行的。