水分对土壤近红外光谱检测影响的二维相关光谱解析

为了能进一步分析水分对土壤近红外光谱检测的影响,分别从三个地方(桃园堡、 牧场和农大示范田)采集了三种土壤,经过筛、 烘干后分别配制了含水率为20%, 15%和10%的土壤,然后采用ASD公司的FieldSpec3光谱仪在保证其他检测条件不变的情况下,对不同含水率下不同采集地的土壤进行了检测,获得了其不同含水率下的动态光谱图。 最后视水分为外部干扰,应用二维相关光谱的理论对其进行了分析。 结果表明,在350～2 500 nm波段范围内,三个不同采集地土壤的同步二维相关光谱图比较类似,都在2 210和1 929 nm附近处出现较强的自动峰,在1 415 nm附近处有较弱的自动峰;从三处自相关峰的密集程度来看,1 929 nm处对应的官能团对水分最敏感,2 210 nm处次之,1 415 nm处最不敏感。 该研究明确找出了水分对土壤近红外光谱检测影响的敏感波段和敏感程度,为今后消除水分影响建立抗水分干扰模型提供了依据。     

芳酸类药物的近红外及二维相关(2DCorr)光谱分析

结合傅里叶变换近红外(FT-NIR)光谱法和二维相关分析(2D-correlation analysis, 2DCorr)方法研究了芳酸类药物水杨酸、乙酰水杨酸(阿司匹林)、苯甲酸在升温过程中的结构变化特征。三种芳酸类药物随着温度升高的红外光谱的特征峰在一维图上变化不明显,借助于2DCorr分析,将一维近红外谱图拓展到二维,提高了分辨率和可解释性。通过不同芳酸类药物NIR及2DCorr光谱的比较和分析,对芳酸类药物NIR吸收峰进行了归属,对其结构特点进行了研究,实验结果特别肯定了水杨酸的六元环内氢键结构。通过该文的研究更深层次地理解了芳酸类药物,为其进一步的研究和使用提供参考。     

广义二维相关光谱技术及其应用

广义二维相关光谱技术目前逐渐成为光谱分析中广泛应用的研究方法,综述了其历史发展、基本原理、获取谱图方法、数学计算过程、谱图性质及其解释规则,并介绍了二维红外、近红外、拉曼和荧光光谱相关光谱技术在各个领域中的应用,展望了广义二维相关光谱技术的发展趋势。     

二维相关光谱分析在无创血糖检测特异性研究中的应用

主要利用二维相关光谱分析方法考察了血液中主要成分、测量过程中的系统漂移等因素对近红外光谱中的葡萄糖分子特异性的影响。首先测量了葡萄糖水溶液的近红外透射光谱,以葡萄糖浓度为外扰,计算二维相关同步谱及异步谱,通过对比分析确定了葡萄糖在合频和倍频区域的特征吸收峰位置。当葡萄糖水溶液中加入少量白蛋白后,其二维相关谱中葡萄糖的一级倍频吸收峰(1 590 nm)和二级倍频吸收峰(1 195 nm)出现了不同源的现象,表明白蛋白可能破坏了葡萄糖的特异性;进一步开展了人体口服葡萄糖耐量实验,测量了手掌部位的漫反射光谱,其二维相关谱中葡萄糖的同源性吸收也遭到破坏。另外,由于葡萄糖浓度变化引起的光谱变异信息较小,很容易被系统漂移掩盖,一般需要进行背景修正。在葡萄糖水溶液的透射实验和人体漫反射实验中,分别引入纯水样本和5%标准漫反射板作为参考,以时间为扰动的二维相关光谱分析的结果表明,经过参考样本的背景校正后,系统漂移在二维同步切线谱中引起的谱峰偏移变小,葡萄糖的特征吸收被增强。因此,在近红外光谱无创血糖检测中,应尽量避开与葡萄糖特征吸收不同源的波段,并有必要采取一定的参考测量方法以提高检测的特异性。     

基于二维相关技术的氯吡脲拉曼光谱分析

氯吡脲作为一种苯脲类生长调节剂,被广泛应用于果蔬中,但是氯吡脲若过量使用,会严重影响果蔬的内在质量,且摄入过多会影响人的身体健康。现有的检测方法,虽然技术上成熟、精度高,但技术条件要求高、样品预处理过程复杂、耗时、检测费用高。利用二维相关拉曼光谱技术对乙酸乙酯中氯吡脲的浓度变化进行检测研究,建立一种灵敏、快速、高效的检测果蔬中氯吡脲的技术提供理论基础,对食品安全具有重大意义。采集氯吡脲粉末的拉曼光谱图,结合氯吡脲分子的结构图可对拉曼光谱谱图中的峰进行归属。配置浓度分别为2.5,5.0,7.5,10.0,12.5,15.0,17.5和20.0 g·L-1的氯吡脲乙酸乙酯溶液并采集拉曼光谱,对不同浓度的氯吡脲乙酸乙酯溶液的光谱数据进行二维相关分析,得到氯吡脲的拉曼二维相关同步谱图和异步谱图,分析同步谱图得出842, 992, 1 044, 1 442和1 604 cm-1的几处交叉峰具有协同作用,随着氯吡脲浓度的升高而升高;分析异步谱图得出交叉峰敏感性为1 044 cm-1>992 cm-1>842 cm-1,1 735 cm-1>1 604 cm-1>1 442 cm-1,842 cm-1>1 735 cm-1。结果表明,乙酸乙酯中氯吡脲的拉曼特征吸收峰分别为842,992,1 044,1 442,1 604和1 735 cm-1,其中1 044 cm-1（苯环的环伸缩振动）、992 cm-1（吡啶环的环呼吸振动）、842 cm-1（C-O-N假对称的伸缩振动）、1 735 cm-1（C=O伸缩振动）对氯吡脲浓度变化比较敏感,敏感度顺序为苯环的环伸缩振动>吡啶环的环呼吸振动>C-O-N假对称的伸缩振动>C=O伸缩振动>多个耦合峰的C=C伸缩振动>C-H的变形振动。拉曼光谱与二维相关技术相结合可以准确地反映出氯吡脲随浓度变化,为果蔬中氯吡脲含量的检测奠定了理论基础。     

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。     

处方应用三种葛根水煎液的二维相关红外光谱分析

中药是复杂的化学体系,建立快速、有效的分析方法有助于中药水煎液的实时质量控制。葛根在处方中常用有三种,分别为粉葛、野葛和煨葛(葛根炮制品),且传统应用中多采用水煎煮的方式,因此,采用傅里叶变换红外光谱技术(FTIR),二阶导数光谱(SD-IR),结合二维相关红外光谱(2D-IR)对三种葛根水煎液进行快速分析。结果表明,通过FTIR和SD-IR光谱能够将粉葛水煎液明显区别于野葛和煨葛水煎液。经过2D-IR分析,发现野葛经过煨制后水煎液化学成分发生了变化,二者在主要的自动峰和交叉峰的位置和强度方面存在较大差异,在1 800~1 300 cm-1范围内,野葛水煎液中最强的自动峰为1 556 cm-1,次强峰为1 561 cm-1,而在煨葛水煎液中最强自动峰为1 563 cm-1,次强为1 572 cm-1,再次为1 556 cm-1。另外,在野葛水煎液中出现了明显的1 536和1 634 cm-1自动峰,二者的强度相当。野葛及煨葛水煎液的2D-IR光谱中,出现的自动峰1 448和1 518 cm-1的相对强度有较大的差异。在野葛水煎液的2D-IR光谱中,交叉峰(1 518,1 561)和(1 518,1 563) cm-1强于煨葛水煎液中相应峰。凭借2D-IR自动峰和交叉峰可以较直观地鉴别野葛和煨葛水煎液,并揭示二者相应各官能团的变化规律,能够为葛根在临床处方应用过程中,水煎液的快速质量控制提供依据。利用FTIR,SD-IR结合2D-IR的整体性和宏观指纹性,可以为中药等复杂体系的逐级鉴别提供快速、准确的方法和手段。     

基于双光谱二维相关谱的葡萄糖溶液温度扰动分析方法研究

在近红外光谱分析应用中,温度扰动导致的光谱变化对于定量分析的准确度影响较大。针对温度扰动识别及定量分析的需要,研究了基于双光谱二维相关谱(2T2D-COS)的光谱扰动分析方法。选择葡萄糖水溶液为样本,根据人体血糖浓度范围和在体组织温度范围设计实验,测量样本在浓度扰动和温度扰动下的透射光谱。对其进行基线校正和滤波预处理后,通过2T2D-COS分析得到浓度扰动和温度扰动下的异步谱。结果表明,温度扰动引起的交叉峰出现在强氢键结合水对应的特征吸收波长(1 474 nm)和弱氢键结合水对应的特征吸收波长(1 410 nm)附近,而葡萄糖浓度扰动引起的交叉峰出现在水分子对应的特征吸收波长(1 450 nm)和葡萄糖分子对应的特征吸收波长(1 595 nm)附近。为了定量分析样品温度,进一步提取了温度扰动异步谱交叉峰1 410 nm波长下的切片谱,其在1 410～1 600 nm波段的相关峰强度随温度的升高而增大,与样品温度之间具有较好的相关性;选择波长(1 475±4) nm范围内的切片谱,对谱峰强度积分后进行线性拟合,建立样品温度的线性回归模型,对温度的预测均方根误差可以达到0.125 9℃。以...     

基于二维相关光谱分析的纯棉与丝光棉制品鉴别分析

纯棉与丝光棉制品是日常生活中常用的两种纤维制品,但是由于二者在物理结构和化学结构上非常相似,以至于使用一些简单的方法难以准确识别一部分纯棉与丝光棉制品。提出一种使用水含量作为扰动的二维相关光谱结合机器学习方法来对二者进行鉴别的新方法。共使用从专业机构获得的200个标准样本来设计实验对新方法进行验证,其中包括100个纯棉样本与100个丝光棉样本。对每一个样本,使用水含量作为扰动,分4次改变样本水含量并采集该水含量下样本的一维光谱,其中4次的水含量分别为20.20%,14.52%,7.77%与0%。根据四条不同的一维构造每一个样本的动态光谱,再通过二维相关算法来计算其同步二维相关光谱,从该同步二维相关光谱中使用移动窗口技术提取三组不同的分类特征,每组特征分别对应一个设计好的支持向量机(SVM)分类器。之后本文提出一种基于信息熵的多分类器融合方法,根据权值不同,将三个分类器融合为一个具有更优效果的强分类器。为了验证方法的准确性与有效性,设计了严谨的实验对方法进行验证。实验首先按照传统的从一维光谱中提取特征的方法对纯棉与丝光棉样本进行鉴别,使用两种样本各50个来进行分类模型建立,剩余的进行模型验证,分类效果最高只有76%。但是基于从二维相关光谱中提取的三组特征设计的三个支持向量机(SVM)分类器的准确率分别可以达到88%,90%,88%,最后根据提出的基于信息熵的多分类器信息融合方法将三个分类器进行融合同一可以得到92%的分类准确率,比三个基础分类器准确率都有提升。与从一维光谱中提取特征并设计分类器进行分别鉴别相比,从二维相关光谱中提取特征设计多个分类器并使用基于信息熵的多分类器信息融合方法进行分类鉴别具有更高的分类准确率。二维相关光谱将光谱信息扩展到更高的维度,将一维光谱中隐藏的折叠峰进行展开,因此具有更高的分类准确率。提出的方法是一种快速准确鉴别纯棉与丝光棉制品的新方法。     

二维相关光谱的猪肉TVB-N特征变量优选研究

为了探讨利用二维相关可见/近红外光谱法优选猪肉挥发性盐基氮(TVB-N)特征变量的可行性,以贮藏时间为外扰,研究了不同新鲜程度猪肉样本的二维相关光谱特性。首先,获取56个猪肉样本在贮藏1～14 d的400~1 000 nm范围的可见/近红外反射光谱,经过标准正态变量变换(SNV)处理后,基于全波段光谱建立TVB-N的偏最小二乘回归(PLSR)模型。然后,依据TVB-N实测值,从中挑选出10个具有一定浓度梯度的样本(贮藏时间分别为0,36,72,108,144,180,216,252,288和324 h),利用一阶导数对光谱进行预处理后,根据不同样本之间的光谱差异,选取7个波段用于二维相关光谱解析。分析各个波段的二维相关同步谱和自相关谱,从7个波段范围内共选取23个变量作为不同贮藏时间下与TVB-N相关的敏感波长,并建立简化的PLSR模型。相较于全波段光谱数据所建模型,模型效果有所改善,预测集决定系数R2_p由0.792 1上升至0.865 8,误差从3.658 2 mg·(100 g)-1下降至3.246 0 mg·(100 g)-1。表明基于二维相关光谱对猪肉TVB-N特征变量进行优选的思路是可行的,该方法能够从全光谱数据中筛选出与目标物质相关的敏感变量,这也为近红外光谱特征波长选择提供了一个新的方法。     

蛋白质二级结构的二维红外相关光谱模拟研究

利用Voigt函数模拟了蛋白质二级结构的红外光谱吸收带和酰胺I带,其中1680cm-1吸收峰被严重叠加。为了研究二维红外相关光谱分析技术对叠加峰的分辨能力,选取1680cm-1吸收峰作为研究对象。当1680cm-1单峰峰高发生变化时,其同步谱中自相关峰能准确的反映出来。当1680cm-1和1640cm-1双峰峰高都发生变化时,其同步谱中自相关峰不但能准确反映出这两个峰的变化,还能获得1680cm-1子峰对外部扰动的灵敏度高于1640cm-1子峰的信息。它们同步谱中负交叉峰说明了1680cm-1和1640cm-1的变化取向相反,异步谱中该位置的负交叉峰说明了1640cm-1的变化快于1680cm-1。二维相关分析的结果和模拟吸收带假设的变化情况一致。研究表明二维红外相关光谱技术具有高分辨率、高灵敏度等优点,可以用于研究严重叠加的酰胺I带,获取蛋白质二级结构变化的相关信息。     

杨木和桉木的二维相关红外光谱

采用红外光谱结合二维相关分析技术,对两种速生阔叶树杨木和桉木进行了快速鉴别研究。结果表明,二者在一维红外光谱图上差别不明显,而二维相关红外谱图具有较大的差别。在800～1 500 cm-1波段范围内,二者的同步二维相关光谱图还比较类似,都在1 221,954,879 cm-1处出现较强的自动峰,在1 470, 1 150,1 1 05, 1 008 cm-1处出现微弱的自动峰。在1 500～1 800 cm-1波段范围内,杨木在1 655 cm-1处有一个非常强的自动峰,在1 600 cm-1附近有一个很弱的自动峰,二者形成了一对正的交叉峰;桉木在1 725,1 650和1 600 cm-1处均出现较强的自动峰,并形成一个较强的3×3峰组。除此之外,桉木还在1 580和1 510 cm-1出现2个弱的自动峰,其中1 580 cm-1和其余4个自动峰形成了较弱的负交叉峰,1 510 cm-1和其他3个自动峰形成正的交叉峰。这说明,桉木在1 500～1 800 cm-1波段对应的官能团比杨木相应的官能团对热微扰更为敏感,杨木和桉木的二维相关红外光谱差别,快速鉴别这两种木材的。     

白芥子炒制过程的红外及二维相关光谱研究

采用傅里叶变换红外光谱技术动态跟踪药用植物白芥子的炒制过程,获得了不同炒制时间样本的红外谱,二阶导数谱和热扰动下的二维相关红外谱。白芥子的红外谱表明,白芥子在炒制过程中1 747 cm-1油脂特征蜂的相对强度变化不明显,说明白芥子羧酸酯相对较稳定;而1 657 cm-1附近酰胺Ⅰ带峰和1 546 cm-1附近的酰胺Ⅱ带的吸收峰相对强度显著减小,是因为白芥子在高温炒制过程中,蛋白质(酶)发生了热变性;1 055 cm-1附近的纤维多糖的特征吸收峰在炒制10 min后明显减弱,这与药材表皮纤维多糖加热分解相关联。二阶导数谱和二维相关红外谱的变化规律与红外谱的结果相一致,进一步验证了白芥子药材在炒制过程中发生的主要变化是蛋白质变性及多糖的分解。该方法揭示了药材在炮制过程中所发生的物理化学变化过程,从分子光谱水平上奠定了白芥子药材炮制的目的“杀酶保甙”的理论基础。     

基于小波变换的二维红外相关光谱鉴别人参的生长年限

探讨了将小波变换处理方法应用到不同生长年限人参的二维红外相关光谱数据预处理中。结果表明： 经过小波变换处理后,可以有效提高二维红外相关光谱同步图的分辨率,增强谱图中的信号峰,提高谱图中重叠峰的分离度,还可提供新的信息,从而在很大程度上增强了二维红外相关光谱对复杂体系的分析鉴别能力。借助此方法,可以鉴别人参的生长年限。     

二维红外相关光谱研究温度对卵转铁蛋白构象的影响

采用傅里叶变换红外光谱(FTIR)和二维相关光谱分析技术研究了无铁卵转铁蛋白和饱和铁卵转铁蛋白在加热条件下(25～95 ℃)构象变化规律。结果表明,随着温度升高,无铁卵转铁蛋白在3 300 cm-1处的峰的迁移程度比饱和铁卵转铁蛋白大,说明卵转铁蛋白结合铁后氢键作用增强,对热的抵抗性增强。二维红外图谱分析显示,无铁卵转铁蛋白与饱和铁卵转铁蛋白的二级结构变化顺序为β-折叠>酰胺Ⅱ>-CH₂-弯曲振动。通过对比无铁卵转铁蛋白和饱和铁卵转铁蛋白的二维同步和异步图谱发现,在1 652和1 688 cm-1处的交叉峰存在差异,卵转铁蛋白结合铁后温度对其二级结构中α-螺旋影响变小,而对β-转角的影响变大。     

乳菇和红菇的红外光谱及其二维相关红外光谱的分析与鉴别

采用傅里叶变换红外光谱原始谱、二阶导数光谱以及二维相关谱的三级鉴定方法,对红菇属和乳菇属六种蘑菇进行了鉴别分析。六种样品的原始光谱吸收峰非常相似,主要为蛋白质和碳水化合物的吸收组成,但在各样品吸收峰强度、峰形和峰位上仍有微小差异。对其进行二阶导数分析,在二阶导数谱中,1 800～1 400和1 200～800 cm-1范围内的吸收峰强度、位置、峰形状显示出明显差异。二维相关红外光谱提高了光谱的分辨率;对六种蘑菇样品进行二维相关红外光谱分析,发现在1 690～1 420 cm-1范围内,三种乳菇出现了3个明显的自动峰,另外三种红菇出现了4个自动峰,而且自动峰和交叉峰位置、强度均不同;在1 110～920 cm-1二维光谱范围内,六种蘑菇的自动峰和交叉峰的数量、位置和强度也都不同;说明不同样品中蛋白质和糖类化合物的显著不同。结果表明：应用红外光谱、二阶导数谱和二维相关红外光谱三级鉴定的技术可以快速有效地分析和鉴别辣乳菇、绒白乳菇、香乳菇、稀褶红菇、变绿红菇和近似酒红菇。该多级鉴定的方法对于分类鉴别蘑菇是一种快速、准确、有效的方法。     

利用二维相关红外光谱方法确定气体最优定量波数区间

气体检测中需选用最优波数范围来进行气体光谱的定量分析。传统波数范围的选取主要根据标准光谱的特征吸收,存在抗干扰性较差、在实际情况中容易出现较大偏差的问题。文章将二维相关红外光谱方法用于气体检测,对SO₂,NO及NO₂进行光谱结构分析和光谱信息发掘,以确定最优定量波数区间。以浓度值为微扰量,用含不同浓度某气体成分的一组红外吸收光谱,做二维相关得到SO₂,NO及NO₂的动态光谱,利用同步相关光谱和异步相关光谱来分析对气体浓度变化最敏感的波数区间,确定了被测气体定量分析的优选波数范围,包括一系列独立的波数点和连续的波数区间。作为一种新颖的最优定量波数区间选取方法,其得到的结论与理想的分析谱带选取的结果相吻合,证明了此方法的有效性。     

常见野生蘑菇的红外光谱及其二维相关红外光谱的鉴别

采用傅里叶变换红外光谱结合相关性分析、二阶导数谱和二维相关谱对13种常见野生蘑菇进行鉴别研究。结果显示13种野生蘑菇的红外光谱光谱特征相似,主要由蛋白质、多糖的吸收组成,13种样品的相关系数最小为0.779,最大值为0.960。在1 700~1 400和1 400~800 cm-1范围的二阶导数光谱中,各样品吸收峰的强度、位置和形状均有明显差异。二维相关红外光谱在1 380~1 680 cm-1范围的强自动峰整体相近,但自动峰和交叉峰位置、形状存在差异;在920~1 230 cm-1的范围,各样品的自动峰和交叉峰的数量、强度和位置差异明显。结果表明傅里叶变换红外光谱结合相关性分析、二阶导数谱和二维相关谱有望发展为区分不同种类蘑菇的快速方法。