基于近红外谱形分析的中药提取过程终点判断

中药提取是中药生产的重要环节,其终点的判断直接影响到中药疗效与制药成本.本文提出一种基于近红外光谱谱形分析的典型中药提取过程终点判断方法,该方法为满足工业需求以水的光谱作为近红外参考光谱,根据最小二乘拟合原理去除基线,并且采用滑动窗口相关系数的方法描述谱形差异.实验结果表明：该方法能有效判断中药提取过程终点,方便快速,适合于在线过程分析.     

基于炉口辐射光谱支持向量机回归的转炉终点碳含量检测

转炉终点碳含量在线检测对实现炼钢终点准确控制,提高钢铁产品质量,降低能耗,减少废气排放具有重要意义。针对转炉冶炼终点控制及碳含量检测的难题,研究了一种新的基于炉口辐射光谱分析的非接触式在线碳含量检测方法。方法基于辐射光谱的支持向量机回归(SVR)实现转炉终点前过程的碳含量预测。通过远距离光谱采集系统获取炉口火焰光谱信息,基于冶炼过程炉口火焰辐射光谱变化规律的分析,分别提取了表征辐射光谱整体特征的两个参数即总谱宽和辐射峰值、以及表征发射谱的三个特征波长600,630和775 nm处的幅值作为支持向量机的输入,结合脱碳理论和实测碳值拟合重构的脱碳函数曲线作为支持向量机的输出,利用支持向量机回归方法建立光谱分布与碳含量的关系模型。通过训练样本集和测试集循环优化确定模型最佳参数。设计的仪器和优选的模型已安装在转炉生产现场长时间运行,现场实验结果表明,终点碳含量检测准确率为90.2%,测量时间小于0.3 s,可实时在线检测,能够满足生产需求,为转炉冶炼终点的精确控制提供了重要依据。     

在线近红外光谱在我国中药研究和生产中应用现状与展望

中药生产过程具有多单元复杂性特点,制剂生产的各个环节均会影响中药产品的最终质量,在线近红外光谱技术具有快速、无损和不污染环境等优势,能够作为一种快速评价中药生产过程中关键质量属性的分析技术。以院校相关研究为切入点,系统阐述了在线近红外光谱技术在中药生产过程分析与控制方面的应用,并结合院校中药生产在线近红外光谱分析平台搭建为例,以此为依据阐明中药在线近红外光谱分析技术应用的可行性。进而,从企业应用角度出发,较为全面的综述了目前国内大多数应用在线近红外光谱技术的中药生产企业的研究成果及其中药产品。按照中药产品的两大剂型(液体制剂与固体制剂)进行分类,以液体制剂不同生产环节(提取、浓缩及醇沉等)为区分点,以固体制剂不同成品剂型(片剂、胶囊剂及膏剂等)为区分点,分别对近10年来中药生产过程中在线近红外应用进行系统综述,阐明中药生产全过程在线近红外技术应用的可靠性,为中药生产现代化提供有效的技术支撑。     

一种单光谱吸收积分吸光度快速计算方法及应用

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS)作为一种痕量气体精确检测的方法,已广泛应用于生活生产之中,该方法可通过积分吸光度与气体浓度的线性关系准确反演待测气体的浓度。环境变化和系统噪声等易造成吸光度曲线发生变形,故需对吸光度曲线进行非线性拟合,将其回归至Voigt模型。设计并搭建了基于TDLAS的CO实时在线监测系统,在此平台基础上,提出了一种三角替代Voigt线型单光谱积分吸光度的快速计算方法,并与高斯-埃尔米特方法进行比较。结果表明:三角替代方法浓度反演精度仅下降0.11%,平均计算耗时缩短84.19%;三角替代Voigt线型拟合方法以极小的精度损失,大幅提高了线型拟合的运算速度。     

基于可调谐半导体激光吸收光谱的氧气浓度测量研究

采用可调谐半导体激光吸收光谱(TDLAS)技术,利用氧气在760 nm波段的吸收谱线对氧气浓度进行实时在线测量。研制了基于TDLAS直接吸收技术的氧气检测系统,采用压控放大器设计了自动增益控制模块,实现了对光谱信号幅度的精确控制,解决了现场测量中信号幅度波动的问题;采用归一化洛伦兹函数实现Voigt函数的近似计算,并结合Levenberg-Marquardt非线性拟合算法实现了对光谱吸光度曲线的快速Voigt线型拟合,以适应实时在线检测需要。实验结果表明,该算法可以实现吸光度曲线的Voigt线型拟合,对固定浓度的氧气进行连续测量得到系统的最低检测限为523×10~(-6)m,系统的标准偏差为1.75%。检测系统稳定可靠,满足实时在线氧气浓度检测应用。     

水体有机污染物浓度检测中的紫外光谱分析方法

水体中的大多数有机污染物在紫外区域有较强的吸收,因此可利用紫外吸光度检测水体中的有机污染物浓度。在检测过程中,通过平滑、导数、标准正态变量变换等光谱预处理后,采用主元回归、偏最小二乘、支持向量机等方法建立回归模型,并由该模型依据待测样本的紫外光谱数据计算出有机污染物浓度。为了探究不同的预处理方法、建模方法在有机污染物浓度检测中的特点及内在联系,本文对一组来自污水厂进出水的光谱数据采用不同的预处理和建模方法进行实验研究,研究结果表明:当获得的原始数据较好时,可以直接进行建模,进行光谱预处理反而会使模型效果下降;由于本实验中污水的样本数小于光谱数据点数,所以最小二乘支持向量机更适合于本组实验样本。     

紫外指纹图谱结合化学计量学对不同产地中药三七的鉴别研究

三七[Panax notoginseng(Burkill)F.H.Chen]为我国传统名贵中药,其质量受生长环境影响。本研究采用紫外指纹图谱技术建立快速准确的定性方法,研究不同产地三七之间的关系。采集云南10个不同地区共50个三七样品的紫外光谱,通过3组平均、4点平滑和1阶求导对原始图谱进行优化处理;考察样品超纯水、95%乙醇和三氯甲烷提取液紫外光谱的吸收峰数目,确定最佳提取溶剂;比较三七紫外光谱特征,探讨不同产地样品间的差异;利用偏最小二乘判别分析(partial least square discrimination analysis,PLSDA)对光谱数据进行处理,研究不同产地三七样品之间的关系。结果显示,样品三氯甲烷提取液紫外光谱的吸收峰数目最多,该方法的精密度、重复性和在30h内稳定性的变异系数RSD%分别在0.00~0.42,0.00~0.54,0.00~0.60之间。不同产地三七样品的紫外光谱峰形相似,吸光度值具有差异,呈现一定指纹特性;主要共有峰为194,200,204,210和218nm,吸光度分布在0.00~4.00之间,表明三七的主要成分组成与产地相关性低,含量与产地存在相关性。PLS-DA得分图直观显示了不同产地样品的分类情况及三七样品之间的关系,图谱相似的样品聚在较近区域,图谱有差异的样品区分较为明显,10个产地样品被分为四类。该方法能快速准确对不同产地三七样品进行定性分析,阐明样品紫外指纹图谱与产地的关系,为中药的资源鉴别提供理论参考。     

近红外光谱在线测量技术在聚合物加工中的应用研究进展

聚合物材料制品的性能与成型加工过程有着密切的联系,因此在线监控加工过程中材料的状态至关重要。根据在线监控实时反馈的数据,能够实现加工工艺参数的及时调整,确保生产过程的稳定性,从而保证产品质量、减少能源浪费、提高生产效益。近红外光谱在线测量技术是一种成本低、实时性强,可以准确定量分析的技术,已在很多生产领域得到了应用,然而在聚合物加工领域仍处于研究阶段。本文从测量聚合物中的组分含量、熔融指数、熔体密度、填充物的分散性四个方面概述了近红外光谱在线测量技术在聚合物加工中的应用研究进展,指出了近红外光谱在线测量技术尚存在的问题,给出了几点建议,最后对近红外光谱在线测量技术未来的发展进行了展望。指出在未来几十年里,随着光纤光谱仪器科学、计算机科学以及化学计量学方法的发展,近红外光谱在线测量技术在原始数据稳定性、预处理方法、建模方法及模型的稳健性与准确性上将会有长足的进步,将会在更多的领域推广应用,产生巨大的经济与环保价值。     

多种光谱变量筛选算法在红参提取近红外建模中的应用

红参中提取出的有效活性成分人参皂苷含量对后续产品的质量有重要的影响。传统的红参提取质量控制化学检测方法成本高,具有滞后性。已有的研究表明快速无损的近红外检测方法用于红参提取过程具有可行性,但现有方法依赖仪器自带数据处理软件,无法满足生产实际的精度和速度需求。为实现红参提取过程的快速、精确监测,提出将多种智能光谱筛选算法应用在近红外光谱建模中,并对比不同光谱筛选算法的性能和稳健性。以红参提取液中含量高的人参皂苷Rg1和含量较低的人参皂苷Rc为目标,采集了三个不同批次前两次红参提取液样本128份,在线获取1 000～2 499 nm波段近红外原始光谱吸光度数据,并同时采用国标方法高效液相色谱法测定目标人参皂苷含量,首先采用竞争适应性重加权采样法(CARS)、无信息变量消除法(UVE)、随机蛙跳算法(RF)和连续投影算法(SPA)四种波长筛选算法进行波长降维处理,然后使用筛选后的波长建立线性偏最小二乘(PLS)定量模型,并通过模型的均方根误差(RMSE)、决定系数（R2）和预测相对分析误差(RPD)等来评估模型的性能。从四种波长优选算法PLS建模结果可知,经RF优选后,建模特征波长变量下降为原来的0.67%,红参提取液中人参皂苷Rg1和Rc含量的R2都达到了0.94以上, 预测均方误差分别为0.024 6和0.013 5,预测集相对分析误差达到了4.84以上,降低了建模的难度,提高了建模的精度;将RF和CARS在原始光谱、全光谱、SNV预处理后的全光谱上建模对比,RF波长筛选算法建模模型的性能整体较好,不同的光谱范围和预处理方法下性能影响较小,稳健性好。综上表明RF是红参提取液建模相对理想的波长筛选算法,基于RF的PLS算法实现了对红参两次提取液的一次建模,可用于提取液中人参皂苷成分含量的快速检测,为药物的在线提取控制提供理论支撑。     

一种测定纸制品中可迁移性荧光增白剂含量的双波长紫外光谱方法

在现行GB/T 27741—2011的“可迁移性荧光增白剂的定量测定—紫外分光光度法”对纸制品进行萃取时,其中的残余木素会部分析出,对可迁移性荧光增白剂含量的光谱检测造成了干扰。据此,提出了一种双波长(305和348 nm)光谱的改进方法,旨在消除析出木素的干扰。它是基于可迁移性荧光增白剂在348 nm波长处有最大吸收,并且析出木素和荧光增白剂分别在波长305和348 nm的吸光度比值确定,因此可通过双波长光谱法扣除析出木素在348 nm处对荧光增白剂吸光度检测的干扰,从而实现对可迁移性荧光增白剂的准确定量检测。结果表明：双波长光谱法可有效地减少析出木素对可迁移性荧光增白剂吸光度检测的干扰,使定量检测的结果更为可观。方法的重复性检测的相对标准偏差为2.17%;定量检测限为16.9 mg·kg-1;回收率在98%～104%之间。与现行可迁移性荧光增白剂的定量测定的平行标准—液相色谱法相比,由于本方法具有简便、仪器及操作维护费用低等优点,因此更适合生产过程的产品质量控制和市售点对纸制品中可迁移性荧光增白剂含量的快速分析。     

动态紫外光谱法检测湿巾无纺布对苄索氯铵杀菌剂的吸附

生产中苄索氯铵在湿巾中的添加是通过药液浸渍的方式,即无纺布对药液中苄索氯铵分子的吸附而实现的。由于苄索氯铵的吸附是一个时间很短的动力学过程,目前关于无纺布对苄索氯铵吸附速率的研究还未见报道。以湿巾无纺布对溶液中苄索氯铵的吸附为研究对象,根据苄索氯铵在波长269 nm处存在特征吸收峰,通过搭建在线动力学紫外监测平台,利用蠕动泵将溶液输送到紫外分光光度计的流动比色皿进行循环检测,可实现对吸附过程中苄索氯铵溶液吸光度值的在线实时检测;根据苄索氯铵吸光度值与浓度的关系,推导计算得出苄索氯铵吸附量,从而实现了无纺布对苄索氯铵吸附速率的快速准确检测。该方法适用于在线监测无纺布对苄索氯铵吸附时药液浓度变化。结合Weber and Morris内扩散动力学模型,对苄索氯铵的吸附过程进行理论分析,为深入研究无纺布对苄索氯铵的吸附做指导。结果表明：无纺布对苄索氯铵的吸附是一个连续性的分散过程;第一阶段的苄索氯铵线性吸附与表层扩散有关,第二阶段为苄索氯铵扩散过程,第三阶段是苄索氯铵吸附与脱附的平衡动态过程,且第一阶段扩散率常数（41.60）远大于第二阶段的扩散率常数（15.63）,说明表层扩散在整个吸附过程中起了很重要的作用。研究工作对于湿巾生产过程中及时合理的添加苄索氯铵及优化湿巾生产工艺具有现实的指导意义。     

一种改进的奇异值降噪阶次选取方法用于紫外光谱信号去噪的研究

光谱去噪是光谱检测的重要环节。针对光谱信号易受光谱仪热噪声、现场机械振动以及随机噪声等因素影响,而在线监测系统要求减少人为参数选择对去噪效果的影响,提出利用奇异值分解(SVD)理论对光谱信号去噪。提出一种改进的降噪阶次选取方法：指定奇异值差分谱最大峰值点θ₁为所选阶次下界;利用奇异值、奇异值差分谱综合信息选取阶次上界θ₂;将区间θ₁～θ₂定义为模糊区域,通过模糊C均值聚类求取隶属度,赋予模糊区域内奇异值相应的权重系数。用所提方法对不同信噪比下SO₂紫外光谱信号去噪,将信噪比、均方根误差、波形相似系数、平滑度指标用于去噪效果的评价。去噪结果表明：所提方法完全基于数据驱动,具有较好的去噪效果,能够真实的恢复原始信号。     

Optical transmission through multicomponent Thue-Morse multilayers

In this paper, generalizing Thue-Morse (TM) and three-component Thue-Morse (3CTM) models we propose multicomponent Thue-Morse (mCTM) sequence and study the optical transmission vertically through the mCTM superlattice. It is found that at the central wavelength, the indices of the propagation matrix elements (PMEs) are all related to the coefficients of Pascal Triangle, and the propagation matrices (PMs) and transmission coefficients (TCs) exhibit interesting pseudo-2m-cycle and pseudo-m-cycle features, respectively. The optical pseudo-cyclic property can be explained by the cantor-set structure of mCTM and the optical modes of the light. By means of DS method we simplify mCTM sequence and show an optical fractal-like property. As an instance, we show the substitution process of 4CTM. For the pseudo-cyclic optical transmission of mCTM superlattice, there would be potential applications for the designing of some complex optical devices.     

基于顺序注射分析的海水亚硝酸盐快速检测方法研究

为实现海水亚硝酸盐的快速检测,使测量过程更适用于在线监测,对前期已有的顺序注射分析技术进行了优化,结合自主研制的Z型高灵敏度液芯波导样品池和多适应环管器,基于分光光度检测方法,在不完全显色反应的基础上,建立了一种海水亚硝酸盐快速全自动检测方法。进样技术中高精度注射泵与多通道选择阀配合,顺序吸入样品和试剂至储液盘管后,再反推至混合盘管,期间发生不完全显色反应,并最终由注射泵将显色混合溶液缓推过Z型液芯波导样品池,同步流动检测溶液吸光度变化,结合朗伯比尔定律最终获取待测亚硝酸盐溶液浓度。为达到稳定且快速分析的目的,分析了测量方法中几个关键参数,如不完全显色反应时间、检测时流速和盐度对测量结果的影响,寻求最佳的技术及参数组合。不完全显色反应研究结果表明,在10~60 s显色时间范围内,吸光度检测结果的相对标准误差（RSD）均不超过1.64%,说明10~60 s的显色时间对本方法无影响,因此选择10s作为快速检测方法的显色反应时间。通过对不同流速情况下样品检测结果的分析发现,流速过快会导致检测不稳定,过慢则不利于快速分析,选择吸光度测量较为稳定的10,11.6,13和15 μL·s-1四个流速,对测量结果的稳定性和重复性进行分析,结果表明,上述四个流速下的线性效果都很好,因此,选择最快的15 μL·s-1作为该方法的检测流速。为验证该方法对盐度的敏感性,以适应淡水和大范围海水为出发点,研究分析了0~35盐度范围内,三种不同浓度（150,250,350 μg·L-1）亚硝酸盐溶液的吸光度变化情况,得到的RSD分别为1.39%,2.03%和1.28%,证明盐度对本方法的吸光度测量基本无影响。对80,150和250 μg·L-1亚硝酸盐标准溶液平行测定11次得到的RSD分别为2.13%,1.07%和1.83%,说明本方法精密度较好。通过对空白样品进行10次平行样测量,计算得到本方法检出限为37 μg·L-1（约0.5 μmol·L-1）。为验证本方法的可信度,利用该快速检测方法和《海洋调查规范》标准测量方法对同一批次亚硝酸盐标准溶液制作标准曲线,二者的R2均大于0.999,对同一浓度样品两种方法得到的测量结果数据拟合线性回归方程为y=1.046 1x-0.005 7,R2=0.999 6,说明两种检测方法结果高度一致,更进一步验证了该研究快速测量方法的可行性和可靠性。亚硝酸盐快速检测方法测样速率高达50样·h-1,与传统的人工检测和流动注射分析方法相比,亚硝酸盐的测量耗时从十几分钟缩短到1 min左右,检测分析过程中样品和试剂消耗量极少,测量过程重复性好,整个测量过程全自动进行,操作更为简单智能,避免了人工介入带来的误差,使得基于分光光度的营养盐要素在线及原位检测系统更加小巧、快速和低耗,更适用于现场在线及长时间序列监测,具有很广的应用范围和较好的应用前景。     

紫外光谱结合偏最小二乘法测定手性药物对映体的组成

利用R和S对映体与蔗糖间手性作用方式不同而产生的紫外吸收光谱差异分别测定了甲霜灵和布洛芬手性对映体的组成。采用偏最小二乘法(partial Least Squares,PLS)分别建立甲霜灵和布洛芬手性对映体摩尔分数的定量模型,并采用外部检验对模型效果进行评价。甲霜灵-蔗糖体系中精甲霜灵摩尔分数的定量模型校正集的决定系数R2为99.98%,标准偏差SEC为0.003;外部检验集的预测值与理论值的相关系数为0.999 8,标准偏差SEP为0.000 4,相对标准偏差RSD为0.05%。布洛芬-蔗糖体系中S-布洛芬摩尔分数的定量模型校正集的决定系数R2为99.82%,标准偏差SEC为0.007;外部检验集的预测值与理论值的相关系数为0.998 1,标准偏差SEP为0.002,相对标准偏差RSD为0.2%;结果表明本方法可以用于两种药物对映体组成的快速测定,对手性药物质量分析与控制有重要的参考价值。     

含矿物中成药及其胃肠消化液中五种重金属元素的测定研究

传统含雄黄中成药中可能含有多种微量元素及高含量的砷等有毒元素.对含雄黄的三种中成药分别采用微波消解与电热板消解进行处理,用电感耦合等离子体质谱(ICP-MS)及电感耦合发射光谱(ICP-AES)法检测其中的As,Hg,Cu,Cd,Pb.此外,还研究了含雄黄中成药经模拟人工胃肠消化后消化液中有毒有害金属含量.结果显示,三...     

近红外光谱技术在线监测积雪草药材活性成分的大孔树脂分离纯化过程

利用近红外(NIR)光谱技术研究并建立可在线监测积雪草药材活性成分———羟基积雪草苷和积雪草苷的大孔树脂分离纯化过程的方法。收集积雪草药材提取物的50%乙醇大孔树脂洗脱液,并采集其近红外光谱信息,建立上述收集液中羟基积雪草苷、积雪草苷的高效液相色谱(HPLC)含量测定方法;然后,采用偏最小二乘法(PLS)建立上述收集液的NIR光谱与其中羟基积雪草苷及积雪草苷含量的线性关系。建模过程中,以相关系数(R2)、交叉验证均方根误差(RMSECV)为指标,确定用于建模的最优近红外波段和光谱预处理方法,即羟基积雪草苷和积雪草苷模型的最佳建模波段分别为12 000.8～7 499.8cm-1和12 000.8～9 750.3cm-1;R2分别为96.44和96.07;RMSECV分别为0.084 80和0.000 99。将上述模型用于在线监测积雪草药材提取物大孔树脂分离纯化过程中羟基积雪草苷及积雪草苷的含量,结果表明此模型预测效果良好。该方法快速、简便、准确,可用于生产过程中羟基积雪草苷及积雪草苷的在线检测和质量控制。     

Ultrasound-based protein determination in maize seeds

The need for a simple and accurate method for protein estimation in alcoholic extracts led to the reexamination of the optimum conditions of a colorimetric assay based on the biuret reaction. Sonication time and the other experimental parameters were optimized after kinetics study on the extraction of either zein or total proteins. Zein extraction and purity were investigated by ¹H and ¹³C NMR spectroscopy, SDS–PAGE electrophoresis, and UV–visible spectrophotometry (UV–vis). A zein assay was proposed, which involves the reaction of copper ions in copper phosphate powder with zein extracted in ethanolic solutions under strong alkaline environment. Furthermore, we extended this procedure to determine total proteins in maize samples simultaneously with their ultrasonic-assisted (US) extraction with an alkaline–alcoholic solution. Proteins in both types of extracts were well characterized by UV–vis spectroscopy. However, the 545 nm absorbance of the violet-colored supernatants which is proportional to the protein content was found to be the key parameter of the improved biuret-based protein assay. Comparison of values obtained by this procedure and by Micro-Kjeldahl method was in excellent agreement. A scaled-down procedure agreed well with the standard procedure. Enhanced accuracy and repeatability was found in protein determination in maize using the modified biuret method. The optimization of reagent concentrations and incubation times were studied as well.     

基于分块离散小波变换的图像信息隐藏与盲提取算法

提出了一种在小波域中图像信息隐藏与盲提取算法. 该算法首先对载体图像进行分块两层离散小波变换, 找到每块第二级分解子带中的最大值即最重要小波系数, 然后根据小波特征树的对应关系将其在第一级分解子带中的对应区域作为嵌入区域, 在该区域嵌入由秘密信息生成的伪随机序列. 提取过程中, 同样按照小波系数对应关系寻找到嵌入区域并判断其与伪随机序列的相关性即可解密, 不需要提供原始图像. 实验结果表明, 该算法能实现二值图像的嵌入与盲提取, 且提取出的图像质量较好并具备一定的抗攻击能力, 尤其对于剪切攻击的鲁棒性较好.