分辨率对近红外光谱和定量分析的影响研究

近红外光谱分析技术是近年来发展最快的定性和定量分析技术之一,在较多领域得到了广泛应用。文章利用近红外光谱技术建立了杨梅汁酸度的定量分析模型,研究了不同分辨率对杨梅汁光谱和定量模型的影响。结果显示,分辨率对杨梅汁近红外光谱和其酸度的定量分析结果有较大的影响。高分辨率采集的光谱比低分辨率采集的光谱粗糙,扫描的速度较慢,所需的数据存储空间较大;不同分辨率下光谱的均方根噪声和平均吸光度在α＝0.05水平上差异显著;分辨率为4 cm-1时所建立的杨梅汁酸度模型的精度最高,模型的相关系数达到了0.994 04,校正均方根误差(RMSEC)和交互验证均方根误差(RMSECV)分别为0.023 3和0.153。但是考虑到扫描速度和数据存储空间,在不丢失样品信息的前提下采集光谱时建议将分辨率设为8 cm-1。     

近红外漫反射光谱检测梨内部指标可溶性固性物的研究

旨在建立近红外漫反射光谱与梨水果内部可溶性固形物之间的关系,以评价近红外漫反射光谱在测量梨水果内部指标可溶性固形物的应用价值。应用近红外光谱(350～1 800 nm),采用多元线性回归(MLR)、主成分回归(PCR)和偏最小二乘法(PLS)三种不同的数学校正方法对梨水果的可溶性固形物(SSC)进行了定量分析,并且对梨水果不同位置的吸光度原始光谱,一阶微分和二阶微分三种不同预处理情况下的模型进行了最优化分析。在梨水果赤道部位预测结果较为理想,采用一阶微分预处理方法下应用PLS方法。研究结果为预测集的相关系数为0.851 7, 预测样本均方根误差为0.879 3。研究表明,近红外漫反射光谱可以作为一种准确、可靠和无损的检测方法用于评价梨水果内部指标可溶性固形物。     

一种基于近红外光谱的天然产物抗氧化活性预测评价方法

提出了一种基于近红外(NIR)光谱的黄酮类提取物抗氧化活性计算预测新方法。采用1,1-二苯-2-苦肼基(DPPH)法测定28种黄酮类中药材提取物的抗氧化活性,并在4 000～10 000 cm-1范围扫描样品的红外光谱,采用偏最小二乘(PLS)算法建立了黄酮类组分近红外光谱与抗氧化活性之间的校正模型。建模过程中,以交叉验证相关系数(R2),交叉验证误差均方根(RMSECV)为指标,确定了用于建模的最优近红外波段和光谱预处理方法。校正模型的RSECV为9.50%,R2为 0.901 7,预测误差均方根(RMSEP)为14.8%。该方法快速无损、操作简便,可用于中药及天然产物提取物抗氧化活性的快速评价。     

傅里叶近红外光谱的雪青梨酸度偏最小二乘法定量分析

利用近红外漫反射光谱测定法获取了完整雪青梨的近红外光谱(12 500～4 000 cm-1), 采用多元校正算法偏最小二乘法(PLS)方法,选取不同的波段范围对漫反射光谱进行有效信息提取和分析,得出了不同因子数时PLS方法进行酸度分析的结果及其因子数与交互有效检验标准偏差(RMSECV)关系,确定了最佳回归的因子数和用于定量分析的最佳波段范围。实验结果表明: 校正模型的预测精度在5 452～12 285 cm-1波段范围内,最佳主因子数为7时,雪青梨总酸的预测精度最好,其预测集的相关系数达到了0.79, 预测标准偏差为0.018 6。     

可见/近红外漫透射光谱结合CARS变量优选预测脐橙可溶性固形物

可溶性固形物(SSC)是脐橙重要内部品质之一。采用QualitySpec型光谱仪在350～1000 nm波段范围采集脐橙的可见/近红外漫透射光谱,采用CARS(competitive adaptive reweighted sampling)变量选择方法筛选出与脐橙SSC相关的重要变量,并与无信息变量消除(UVE)及连续投影算法(SPA)比较。最后,对选择的38个重要波长变量应用偏最小二乘(PLS)回归建立脐橙SSC预测模型,并对未参与建模的75个样品进行预测。研究结果表明,CARS方法优于UVE及SPA变量选择方法,能有效地筛选出重要波长变量。CARS-PLS建立的SSC预测模型优于全光谱的PLS模型,其校正集及预测集的相关系数分别为0.948和0.917,均方根误差分别为0.347%和0.394%。因此,可见/近红外漫透射光谱结合CARS方法可以预测脐橙可溶性固形物,CARS变量选择方法能有效简化预测模型和提高模型的预测精度。     

特征变量优选在苹果可溶性固形物近红外便携式检测中的应用

为实现苹果可溶性固形物(SSC)的便携式快速检测,利用环形光纤探头和微型光谱仪搭建便携式苹果可溶性固形物光谱采集系统,结合无信息变量消除(UVE)、遗传算法(GA)、竞争性自适应加权(CARS)算法筛选基于偏最小二乘(PLS)的苹果可溶性固形物的近红外光谱特征波长。另外,采用反向区间最小二乘支持向量机(BiLS-SVM)和GA算法优选基于LS-SVM的特征波长变量,分别建立所选特征波长和全波段的PLS模型和LS-SVM模型。试验结果表明,经过GA-CARS算法从全波段1 512个波长中筛选出的50个特征波长建立的PLS模型效果最好,其预测相关系数和预测均方根误差分别为0.962和0.403°Brix。利用该检测装置结合GA-CARS筛选的特征波长,可有效简化苹果可溶性固形物近红外便携式检测模型并提高模型的预测精度,为进一步构建便携式苹果可溶性固形物检测设备奠定了基础。     

梨可溶性固形物含量的在线近红外光谱检测

应用近红外透射检测技术在线检测梨的可溶性固形物(SSC)。在实验台上以0.5 m·s-1的速度,300 W的光照强度,采用半透射方式检测梨的光谱。实验采用的梨样品为187个,其中147个样品为校正集,40个样品为预测集,应用偏最小二乘回归(PLS)和主成分回归(PCR)建立梨可溶性固形物的在线预测模型。选取550～700 nm, 700～850 nm, 550～850 nm为建模波段范围,发现无论对于PLS还是PCR,都是550～850 nm波段的建模结果好。本实验还研究对比不同的光谱预处理方法(光谱平滑,一阶微分,二阶微分等)对预测模型性能的影响,其中5点S-G(Savitzky-Golay)光谱平滑能有效地提高光谱的信噪比,改善模型预测精度,而一阶微分、二阶微分对模型性能改善基本上没有影响;最好的预测模型相关系数r=0.948 8, 校正标准差RMSEC=0.236,预测标准差RMSEP=0.548。结果表明：PLS模型预测性能较好,梨可溶性固形物的在线检测具有可行性。     

苹果可溶性固形物和糖酸比可见/近红外漫反射与漫透射在线检测对比研究

可溶性固形物和糖酸比是苹果内部品质主要评价指标之一。为此进行苹果糖酸比和可溶性固形物可见/近红外漫反射和漫透射对比检测研究。180个冰糖心和红富士样品被分成建模集和预测集(136∶44),分别用于建立偏最小二乘模型和验证模型的预测能力。在运动速度5个/秒时,采集了冰糖心和红富士两种样品的可见近红外光谱。漫反射和漫透射可见近红外光谱经多元散射校正、标准正态变量变换、基线校正等预处理后,建立了偏最小二乘回归模型。未参与建模的44个样品用于评价模型的预测能力,经比较,漫透射检测方式优于漫反射检测方式,主要因为漫透射检测方式能更有效地克服杂散光。可溶性固形物模型预测相关系数达到0.936,预测均方根误差为0.476°Brix;糖酸比模型预测相关系数达到0.785,预测均方根误差为10.94。研究结果表明： 应用可见/近红外漫透射光谱技术,可实现苹果可溶性固形物和糖酸比在线检测。为大宗水果内部品质分选提供了技术支持和参考依据。     

基于变量优选和快速独立成分分析的黄花梨可溶性固形物可见/近红外光谱检测

为建立预测能力高、稳定性强的可见/近红外漫透射光谱无损检测黄花梨可溶性固形物(SSC)数学模型,对比各种预处理方法、变量优选方法、快速独立主成分分析(FICA)以及最小二乘支持向量机(LS-SVM)对黄花梨SSC模型的影响,得出最佳的组合方法用于建立黄花梨可溶性固形物(SSC)预测模型。采用Quality Spec型光谱仪采集550~950 nm波段范围内的黄花梨漫透射光谱并采用遗传算法、连续投影算法和CARS(competitive adaptive reweighted sampling)三种方法筛选黄花梨可溶性固形物的光谱特征变量,再结合FICA提取光谱主成分,最后采用LS-SVM建立黄花梨的SSC预测模型。结果显示,采用CARS筛选的21个变量,经FICA挑选出12个主成分数,联合LS-SVM所建立的CARS-FICA-LS-SVM黄花梨SSC预测模型性能最佳,建模集和预测集的决定系数及均方根误差分别为0.974,0.116%和0.918,0.158%,同直接采用PLS方法建模相比,变量数从401个下降到21,主成分数由14下降到12,建模集和预测集决定系数分别上升了0.023,0.019,而建模和预测均方根误差分别下降了0.042%和0.010%。CARS-FICA-LS-SVM建立黄花梨SSC预测模型能够有效地简化预测模型并提高预测模型精度。     

番茄碰伤和可溶性固形物近红外光谱同时在线检测

可溶性固形物和碰伤是影响番茄品质的两个主要因素。研究的目的是探索可见近红外漫透射光谱同时在线检测番茄碰伤和可溶性固形物的可行性。在单通道送果速度5个每秒条件下,采集番茄近红外漫透射光谱。对比分析碰伤与正常番茄样品的近红外漫透射光谱特性,结果表明,碰伤与正常番茄样品的近红外漫透射光谱在光强上存在明显差异,碰伤果光强要强于正常果,其原因可能是碰伤后果肉变软,透光性变强;在650和675 nm处碰伤果比正常果要多两个吸收峰,可能是碰伤后,番茄表皮颜色发生变化所致。选取贡献率占比最多的前三个主成数,对正常果与碰伤果近红外漫透射光谱主成分定性分析,正常果与碰伤果不能有效聚类,故近红外漫透射光谱主成分定性分析效果不明显,需选择建立高维近红外漫透射光谱定性判别模型。故建立了碰伤番茄样品的近红外漫透射光谱偏最小二乘定性判别模型,误判率为0%,能正确判别碰伤果,故选用碰伤番茄样品的近红外漫透射光谱偏最小二乘定性判别模型作为番茄碰伤果在线剔除分选模型。通过对未参与建模的样品进行验证,能正确识别出碰伤果。经近红外漫透射光谱偏最小二乘定性判别模型剔除碰伤果后,按照可溶性固形物指标进行分级。分别使用全部波段和606～850 nm的波段进行建模预处理,且对全部波段和606～850 nm波段光谱进行2阶导数预处理,前后平滑设为9,利用连续投影算法与遗传算法优选可溶性固形物的光谱建模变量,对比发现,利用未经算法筛选过的606～850 nm波段光谱变量进行建模,效果最好,建立了可溶性固形物在线检测模型,预测集均方根误差为0.43 Brix°。采用未参与建模的样品进行碰伤和可溶性固形物同时在线检测验证,碰伤样品的分选准确率达96%,可溶性固形物样品的分选准确率达91%。表明：番茄碰伤和可溶性固形物近红外漫透射光谱同时在线检测是可行的。     

FT-NIR光谱仪测定烟草化学成分不同谱区范围对数学模型影响的研究

应用傅里叶近红外技术建立快速定量分析烟草化学成分的数学模型 ,使用BrukerOptics公司的MPA型傅里叶变换近红外光谱仪 ,谱区扫描范围 12 0 0 0～ 4 0 0 0cm- 1 ,选择不同的谱区范围对烟碱、总糖和总氮三种组分的数学模型进行优化 ,结果显示不同谱区范围对同一组分数学模型影响有明显的差异 ,而且不同组分所选择的最佳建模谱区范围是不一样的 ,说明在模型优化过程中选择最佳谱区范围是非常关键的 ,烟碱、总糖和总氮三种组分模型的最佳谱区范围分别是 95 0 0～ 4 2 31 2cm- 1 ,75 0 2 1～ 4 2 4 6 7cm- 1 ,75 0 2 1～4 5 97 7cm- 1 ,三种组分最佳模型交叉检验的均方差 (RMSECV)分别为 0 0 815 ,0 80 8,0 0 5 6。     

桂花酒中山梨酸钾拉曼表面增强预测模型在其他果酒中的传递

自行搭建的拉曼光谱点扫描系统,以柠檬酸钠还原法配制的SC银溶胶为表面增强剂,建立了桂花酒中山梨酸钾的定量预测模型,模型校正集决定系数(R2_C)和均方根误差(RMSEC)分别为0.978 9和0.070 3 g·kg-1,验证集决定系数(R2_P)和均方根误差(RMSEP)分别为0.934和0.165 7 g·kg-1。桂花酒中山梨酸钾的定量预测模型为主光谱模型,结合K/S算法,探讨了基于DS算法和PDS算法将桂花酒主光谱模型向杨梅酒的修正传递方法。结果显示,用K/S算法选取4个杨梅酒样品,基于DS算法传递桂花酒主光谱模型验证结果R_P和RMSEP值分别为0.906 1和0.215 0 g·kg-1。K/S算法选取3个杨梅酒样品(窗口宽度为5),基于PDS算法传递桂花酒主光谱模型验证结果R_P和RMSEP值分别为0.905 5和0.225 0 g·kg-1。DS算法和PDS算法均可以用少量样品将桂花酒中山梨酸钾的主光谱预测模型有效传递给杨梅酒,实现了一种被测物预测模型在同类物种间的传递,具有重要实用意义。     

基于光谱技术的杨梅汁品种快速鉴别方法的研究

为了实现杨梅汁品种的快速无损鉴别,提出了一种用可见和近红外光谱技术快速鉴别杨梅汁品种的新方法。首先采用偏最小二乘法进行模式特征分析,经过交互验证法判别,确定最佳主成分数为9。完成特征提取后,将这9个主成分作为神经网络的输入变量,建立了三层BP神经网络,实现类别预测的同时也完成了数学建模与优化分析工作。3个品种的杨梅汁样本数均为20,共计60个样本。在神经网络学习中,将其分成训练集样本51个和预测集样本9个。对9个未知样本进行预测,准确率为100％。说明本文提出的基于光谱技术和模式识别的方法具有很好的分类和鉴别能力。     

Optical spectroscopy of Ce 3+ ions in BaY 2 F 8 single crystals

In the present work we report on the spectroscopic properties of the Ce 3+ ion in BaY 2 F 8 single crystals. The absorption and excitation spectra of the emission centered at 340 v nm have been measured in the temperature range 15-300 v K. The 340 v nm emission consists of two broad partially overlapping bands, peaking at 324 and 347 v nm (at 15 v K), respectively. The full width at half maximum is about 0.5 v eV at room temperature. The absorption spectrum of the lowest in energy component of the f M d transition of Ce 3+ reveals at low temperature a marked vibronic structure. High resolution (0.02 v cm m 1 ) Fourier transform infrared spectroscopy in the wave number range 500-5000 v cm m 1 and in the temperature range 9-300 v K has been exploited to monitor the f level splitting. The absorption transitions from the three Stark components of the 2 F 5/2 manifold to the four of the 2 F 7/2 one, have been monitored in the wave number range 2000-3400 v cm m 1 . The wave number separation at 9 v K between the lowest level of the ground 2 F 5/2 manifold and lowest one of the 2 F 7/2 manifold is found to be 2197.47 v cm m 1 in good agreement with the splitting detected between the two components of the d M f emission.     

EPR Spectroscopy Using Magnetic Field Gradient Modulated by a Triangular Wave

Magnetic field gradient modulation is one of the techniques to obtain an electron paramagnetic resonance (EPR) spectrum in a selected region of the sample. In this study, the magnetic field gradient modulation using a triangular wave was performed to overcome a problem during the sine wave modulation. Plastic materials were used for the bobbins and cases of the electromagnet to reduce the eddy current loss and drive the gradient coils in three-dimensional directions at a frequency of over 160 Hz. While the EPR signal splitting in a nonselected region, which is a problem in spectral analysis, was observed during the simulation and the actual measurement with the sine wave gradient modulation, the EPR signal broadening without splitting was observed in those with the triangular wave modulation. Thus, it is postulated that the triangular wave is more suitable than the sine one for the field gradient modulation. The spatial resolution was determined to be about 4 or 2 mm at the field gradient of 1 or 2 mT/cm, respectively. The separation of the EPR spectra of two types of radicals was also made by the triangular wave gradient modulation. Authors' address: Hidekatsu Yokoyama, Department of Pharmaceutical Sciences, International University of Health and Welfare, 2600-1, Kitakanemaru, Ohtawara 324-8501, Japan     

便携式中波近红外光谱仪在线无损检测生鲜猪肉胆固醇

应用便携式近红外光谱仪采集320份生鲜猪肉在近红外光谱中波区的光谱信息,采用不同优化方法建立猪肉胆固醇预测模型,并对异常样品的剔除及组合预处理方法对模型性能的改善进行了分析。研究表明：通过对异常值的二次剔除,并使用SG一阶导数(savitzky-golay first derivative, SG 1stD)、SG平滑(savitzky-golay smoothing, SGS)和正交信号校正(OSC)的组合预处理方法,可获得最佳生鲜猪肉胆固醇预测模型,其参数如下：校正集相关系数(R_c)=0.9137,校正标准差(standard error of calibration, SEC)=2.5607,验证集相关系数(R_p)=0.656 7,预测标准差(standard error of prediction, SEP)=4.985 5,主因子数(principal factor, PF)=4,范围误差比(ratio of performance to standard deviation, RPD)=2.5032,相对预测标准差(relative standard error of prediction, RSEP)=8.625 4%,SEP/SEC=1.946 8,说明模型在近红外光谱中波区对猪肉胆固醇的分辨能力和预测准确度较好,通过向校正集中补充代表性样品可使模型稳健性进一步改善。对检验集样品预测值(prediction value, PV)与参比值(reference value, RV)的t检验显示二者之间无显著性差异(p＞0.05),检验集样品总体预测准确率为62.5%,其中50～70 mg·(100 g)-1区段的局部预测准确率达到91.7%,可以用于生鲜猪肉胆固醇浓度的在线快速初步定量分析。该研究将便携式近红外光谱用于在近红外中波区对生鲜猪肉及肉制品中胆固醇浓度的分析和检测,通过进一步的研究和改进,可将其应用于产品的原料分级、品质和过程控制及市售产品的抽检等。     

不同分辨率下气体样品傅里叶变换红外光谱的定量分析误差

通过分析牧场附近测量的大气FTIR光谱中NH3在4种分辨率(分别为1、2、4cm-1和8cm-1)下的浓度,系统研究了不同分辨率下气体样品FTIR光谱定量分析的误差。选择72个实测光谱作为研究对象,其中NH3的光程积分浓度(Path-integrated concentration,PIC)分布在40—1300(μmol/mol).m。分析了NH3的最大吸收峰和次大吸收峰的选取对定量的影响。结果表明:选用NH3的次大吸收峰的定量误差更小;在允许的误差范围内(本研究中设为5%),不需要制作校准曲线,通过选用多个浓度适当的参考光谱,直接应用Beer定律仍能实现气体样品的定量分析;并且分辨率越低,定量分析所需的参考光谱数目越多。本研究通过合理选用多个参考光谱,实现了不同分辨率下FTIR光谱的定量分析;既充分利用了Beer定律,又克服了吸光度-浓度在低分辨率下的非线性问题;为不同分辨率下气体样品FTIR光谱的定量分析提供了参考。     

极紫外波段变栅距光栅刻槽密度变化及光谱分辨能力分析

针对应用于50~150nm波段的变栅距光栅, 采用球面波曝光系统进行优化设计, 分析了不同宽度光栅的刻槽密度变化和光谱分辨能力。理论分析结果表明, 光栅宽度为4mm时, 理论分辨能力高于14000;光栅宽度为10mm时, 理论分辨能力约为9000;光栅宽度为30mm时, 理论分辨能力急剧下降, 约为3000。光栅的宽度越大, 其刻槽弯曲程度就越大, 光栅的光谱分辨能力就越低, 因此球面波曝光系统只适合制作宽度较小的变栅距光栅。