近红外光谱和电子鼻技术用于葡萄酒发酵过程中酒精度的定量分析

采用近红外光谱和电子鼻对葡萄酒的酒精发酵过程进行了动态采样检测,通过主成分回归和偏最小二乘回归对酒精度变化进行了监控和预测研究。分别建立了近红外光谱、电子鼻以及二者融合数据对酒精度定量分析的主成分回归和偏最小二乘回归模型。结果表明,近红外光谱数据和电子鼻数据的主成分回归和偏最小二乘回归模型的相关系数(r)均大于0.99,但校正均方根误差(RMSEC)和预测均方根误差(RMSEP)较大。近红外光谱和电子鼻数据融合后,模型质量得到提高,建立的偏最小二乘模型r为0.999 2,RMSEC和RMSEP分别降低为0.206%和0.205%(v/v),定量精度较高。近红外光谱和电子鼻均适用于红酒发酵过程中对酒精度的定量分析,且二者结合应用能提高定量精度。     

基于近红外光谱和稀疏偏最小二乘回归的生物质工业分析

林木生物质能源作为一种新型可再生能源,具有非常广阔的发展前景。基于近红外光谱技术,首次引入稀疏偏最小二乘回归建立木屑生物质的工业分析模型,用于生物质燃料特性的快速分析测定。工业分析总共测定了80种木屑的水分、灰分、挥发分和固定碳含量百分比;按照样品种类和产地将其划分为训练集和测试集,利用近红外光谱仪采集光谱数据并进行小波滤波处理;再利用稀疏偏最小二乘回归建立木屑生物质的定量分析模型,并与主成分回归、偏最小二乘回归、最小绝对收敛及变量筛选方法的建模效果进行比较。结果证明,相对于以上三种建模方法,稀疏偏最小二乘回归能够挑选出有重要影响的波长群组,降低非目标波段的噪声干扰,从而增强数学模型的解释能力并提高定量分析的准确度。利用稀疏偏最小二乘回归算法挑选的波长区间基本覆盖了工业分析中水分的吸收峰,而对于灰分、挥发分和固定碳的吸收峰波段尚无准确定位,需要继续探讨。总体而言,稀疏偏最小二乘回归能够减少无关信息的干扰,提高模型定量分析的准确度,增强模型的解释能力,将会在近红外光谱技术应用领域内起到重要作用。     

秸秆热值近红外光谱模型的外部验证结果间的统计比较分析

从全国24个省(市)收集到222个秸秆样品,包括172个稻秸样品和50个麦秸样品。采用近红外光谱技术,结合主成分回归、偏最小二乘回归和改进的偏最小二乘回归建立了秸秆热值的定量分析校正模型。近红外光谱模型的建立与优化过程中使用了不同的散射校正方法和光谱导数处理来帮助改善模型精度。对得到的54个模型采用统计学的方法分析外部验证的结果,通过比较外部验证的系统偏差(Bias)和Bias校正的预测标准差(SEP(C)),考察了不同光谱预处理和回归方法对秸秆热值的近红外模型预测性能的影响。结果表明:近红外光谱技术能够快速、准确地分析秸秆的热值,模型的SEP(C)在134～178 J·g-1之间;对外部验证结果的统计分析,能够有效地选择较好的建模方法,确定较优模型。     

近红外光谱谱线特性对物质浓度分析误差影响的研究

为解决近红外光谱法分析物质浓度过程中缺乏可测度分析而导致测量过程存在一定盲目性问题,研究在已知测量条件、样品种类、被测组分以及建模分析方法的条件下,利用近红外光谱谱线特性作为参数,在大量样品近红外光谱采集和标准法测得浓度数据等工作前,对被测物质浓度的分析误差做大致估算。经过大量尝试和试验提出等效信噪比（ESNR）和谱线重叠系数（OC）两个重要参数,其中ESNR反映待测组分吸光度占总吸光度的比重,而OC则反映待测组分近红外光谱曲线间的重叠程度。通过理论仿真得到光谱分析中用经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时谱线特性与物质浓度分析误差的关系,分别计算ESNR和OC与被测组分浓度分析误差（RMSE）的关系,并且研究两个谱线参数的独立性。利用理论分析得到结果对浓度为8%~12%乙醇水溶液进行可测度分析,并与近红外光谱法分析的实际结果进行比较。研究通过理论仿真得到使用光谱分析中经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时谱线特性与物质浓度分析误差的关系,其中ESNR与RMSE成反比关系,而OC与被测组分分析误差成非线性的单调关系,并且验证了ESNR和OC两个参数的独立性。通过理论计算和乙醇水溶液近红外光谱检测实验对等效信噪比和谱线重叠系数与光谱分析浓度误差的定量关系进行讨论,通过理论分析得到的乙醇浓度RMSE预估值为0.30%,近红外光谱分析实际RMSE为0.32%,相对误差6.67%,二者结果相符。实现了在测量条件、样品种类、被测组分以及建模分析方法已知的条件下基于近红外光谱分析的待测组分含量理论误差的定量计算和实验验证。该研究明确了对近红外光谱法分析物质浓度有明确定量关系的两个谱线参数,给出了使用光谱分析中经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时的分析误差经验曲线,以及利用曲线进行近红外光谱法待测组分浓度可测度分析方法。结果表明所提出的ESNR和OC两个谱线特性参数的有效性,以及分析误差预估方法的有效性。为近红外光谱法待测组分浓度定量分析提供了有效、快捷的预估方法,完善了近红外光谱法成分含量可测度分析理论,对近红外光谱法物质浓度定量分析研究具有一定指导意义。     

苹果可溶性固形物近红外光谱检测的偏最小二乘回归变量筛选研究

为了提高苹果可溶性固形物含量近红外光谱校正模型的预测能力和稳健性,分别采用反向区间偏最小二乘法、遗传算法和连续投影算法,筛选苹果可溶性固形物的近红外光谱变量,并建立了偏最小二乘回归模型。利用遗传算法筛选的141个变量建立的校正模型,预测效果最好,与全谱建立的校正模型比较,预测相关系数,从0.93提高到0.96,预测均方根误差,从0.30°Brix降低到0.23°Brix。实验结果表明遗传算法结合偏最小二乘回归方法,有效地提高了苹果可溶性固形物近红外光谱检测模型的预测精度。     

近红外光谱法测定不同产地独活中蛇床子素和二氢欧山芹醇当归酸酯含量

应用近红外光谱技术建立对独活中蛇床子素和二氢欧山芹醇当归酸酯的快速检测方法。自不同产地采集97批样品,通过高效液相色谱法测定指标成分含量,并测定样品的近红外光谱图,由于光谱图间差异较小,需要进行光谱预处理,通过比较不同预处理方法的结果,选择最优模型参数,结合偏最小二乘法分别建立独活中蛇床子素和二氢欧山芹醇当归酸酯的定量分析模型。结果显示,预处理方法为一阶导数时,蛇床子素的模型处于最优化性能,模型的相关系数为0.941 3,RMSEP值为0.141;校正集相关系数为0.923 3,RMSEC值为0.163。不经预处理的二氢欧山芹醇当归酸酯模型处于最优化性能,模型的相关系数为0.857 4,RMSEP值为0.103;校正集相关系数为0.831 5,RMSEC值为0.112。研究表明,近红外光谱技术结合偏最小二乘法操作简便,测定方法快速、高效、无损,可以实现对独活中蛇床子素和二氢欧山芹醇当归酸酯的含量进行定量分析,为中药材的质量控制研究和含量测定提供了一种科学有效的方法,同时为近红外光谱技术发展中药实时分析开辟了一个新方法,对保证中药材质量稳定可控有重要意义。     

一种添加历史数据的近红外光谱特征提取方法研究

针对近红外光谱定性分析中,增加新的品种进行建模时,原有模型识别效果不够稳定的问题,提出一种在建模样本的基础上添加同类物质的历史光谱数据的特征提取方法,首先采集建模样本的近红外光谱数据,然后添加同种物质样本的历史近红外光谱数据,再对所有近红外光谱数据进行预处理,其次对所有样本数据进行偏最小二乘(PLS)特征提取得到偏最小二乘空间,并只将建模样本数据向构建的偏最小二乘空间进行投影,最后将投影后的建模数据进行正交线性判别分析(OLDA)特征提取。以玉米种子近红外光谱为研究对象,分别对建模数据添加历史近红外光谱以及不添加历史近红外光谱两种情况进行特征提取,并通过仿生模式识别(BPR)方法构建模型进行验证,实验结果表明,添加历史近红外光谱构建偏最小二乘空间的特征提取方法相对于不添加历史近红外光谱的方法,首先在增加建模集品种数量时,原有的品种识别率基本不变;其次在相同PLS维数时,所建模型对不同时间采集的测试集识别效果基本一致,证明了该方法可以提高模型稳健性。在实际应用中就可以在品种鉴别软件中将特征提取维数设置为固定值,免除了品种鉴别软件的用户在增加建模集品种时为了保证最优识别效果重新选定最优PLS参数的麻烦。     

净信号预处理结合径向基偏最小二乘回归在血糖无创检测中的应用

为了提高人体血糖近红外光谱定量分析模型的预测精度,结合净信号预处理(NAP)算法和径向基偏最小二乘(RBFPLS)回归建立了一种适合于人体血糖测量的非线性建模方法NAP-RBFPLS。本文首先利用NAP对近红外光谱进行预处理来有效地提取原始光谱中仅与葡萄糖信号相关的光谱信息,从而有效地减弱了人体血液中水、白蛋白、血红蛋白、脂肪等成分的吸收干扰以及人体体温的变化、测量仪器本身的漂移、测量环境的变化和测量条件的变化引起的干扰因素与血糖变化的偶然相关问题;然后把净信号预处理后的近红外光谱数据通过RBFPLS建立了非线性定量分析模型来解决由于人体强散射引起的血糖浓度与近红外光谱之间的非线性关系,并与偏最小二乘(PLS)、基于净信号预处理的偏最小二乘(NAP-PLS)和RBFPLS这三种建模方法建立的定量分析模型进行了对比分析。实验结果表明,这两种方法相结合建立的非线性校正模型对预测集的预测精度有了很大的提高,这将对人体血糖浓度无创检测技术的研究具有实际应用价值。     

用遗传算法快速提取近红外光谱特征区域和特征波长

提出了一种遗传区间偏最小二乘法(GA-iPLS),并用该方法快速提取苹果糖度近红外光谱的特征区域,在此基础上采用遗传偏最小二乘法(GA-PLS)提取苹果糖度近红外光谱的特征波长,进行苹果糖度预测。结果表明,整个光谱等分为40个子区间,遗传区间偏最小二乘法能快速寻找出5个特征子区间(第4,6,8,11,18号);在5个特征子区间的基础上用遗传偏最小二乘法继续优化,从中提取44个特征波长。建立在5个特征子区间和44个特征波长上的偏最小二乘法模型精度均优于全光谱偏最小二乘法模型,对预测集的预测相关系数提高了近10%;且模型得到了很大的简化,用于建模的主因子数减少了7个。这些结果表明,用这两种方法不但可以建立简洁、数据运算量少的模型,还可以快速地提取近红外光谱的特征区域和特征波长。     

基于太赫兹光谱技术的D-无水葡萄糖定性定量分析研究

葡萄糖是生命活动中重要的有机分子,研究葡萄糖在太赫兹波段的吸收特性并开展定性定量分析研究具有重要意义。太赫兹光谱对大分子物质具有特异性,当光谱穿透生物大分子时,由于分子间作用力和分子转动振动等因素影响,会产生太赫兹光谱下的特征指纹峰,不同大分子物质的指纹峰具有特异性,利用这一特征可以对不同大分子物质进行鉴别。本研究选取D-无水葡萄糖为研究对象,首先运用太赫兹时域光谱技术测量得到葡萄糖样品的时域光谱,测得的时域光谱经过傅里叶变换得到频域光谱,再采用Dorney和Duvillaret方法计算得到吸收系数,研究样品的吸收特性,然后开展了数学建模研究并建立了D-无水葡萄糖含量与太赫兹光谱的定量预测数学模型。研究结果表明,D-无水葡萄糖在太赫兹波段呈现明显的吸收特性,比较多元线性回归与偏最小二乘方法建立的回归模型,通过多元线性回归对样品的特征指纹峰建立的回归模型,得到的预测模型精度较高,稳定性较好,模型的校正集相关系数达0.977 2,均方根误差为0.061 6,预测集相关系数为0.992 7,预测均方根误差为0.055 2,从而太赫兹时域光谱技术可用于有效开展D-无水葡萄糖定性定量研究,该研究为运用太赫兹光谱技术手段开展果蔬、食品、药品中葡萄糖含量快速检测提供方法参考。     

现代仪器在胆结石研究中的运用

对胆结石组分和元素进行准确的分析可为治疗胆结石和预防其复发提供重要的参考。文章综述了现代仪器在胆结石研究中运用的研究进展,这些技术包括拉曼光谱、能谱(EDX)、傅里叶红外光谱(FTIR)及其二阶导数谱、热重分析(TG)、差示扫描量热法(DSC)、原子吸收光谱、电感耦合等离子发射光谱、高效液相色谱(HPLC)、扫描电子显微镜(SEM)和透射电子显微镜(TEM)等。     

光机系统分析方法

为了使光学仪器能在恶劣的环境下正常工作，需要对其进行详尽的工程分析。对光机系统的分析方法，包括传统分析方法、集成分析方法和统一分析方法进行了研究，说明了它们的工作原理及实现的具体步骤，分别列举了它们的优缺点。进一步指出在集成分析中热弹性分析需要解决的问题及Zernike多项式拟合中需要注意的问题，归纳了使用统一分析方法时需要特别注意的问题。在比较了3种方法优缺点的基础上，对光机分析方法进行了展望，得出集成分析方法在很长一段时间内将是光机系统分析的主要方法的结论。     

Power law classification scheme of time series correlations. On the example of G20 group

A power law classification scheme (PLCS) of time series correlations is proposed. It is shown that PLCS provides the ability to classify nonlinear correlations and measure their stability. PLCS has been applied to gross domestic product (GDP) per capita of G20 members and their correlations analysed. It has been shown that the method does not only recognise linear correlations properly, but also allows to point out converging time series as well as to distinguish nonlinear correlations. PLCS is capable of crash recognition as it is shown in the Argentina example. Finally the strength of correlations and the stability of correlation matrices have been used to construct a minimum spanning tree (MST). The results were compared with those based on the ultrametric distance (UD). Comparing the structures of MST, UD and PLCS indicates that the latter one is more complicated, but better fits the expected economic relations within the G20.     

基于无机元素的含量判别食醋的种类和品牌方法研究

化学计量学广泛应用于食品种类和原产地的区分。文章采用原子吸收法测定了32个食醋样品中的Mg, K, Pb, Zn, Fe, Mn, Ca和Cu等八种无机元素含量。采用向量相似法计算了陈醋和白醋以及同一种类不同品牌食醋的相似度;通过聚类分析和主成分分析对来自北京、江西、江苏和山西4个地区品牌的食醋进行了分类,对不同种类的食醋(陈醋和白醋)也进行了分类。聚类分析和主成分分析都将食醋样品分为两大类,每个大类又将食醋样品按不同品牌分开。食醋中无机元素含量差异可作为食醋种类和品牌判别的测量指标之一。     

Recasting the (Synchrosqueezed) Short-Time Fourier Transform as an Instantaneous Spectrum

In a previous work, we proposed a time-frequency analysis called instantaneous spectral analysis (ISA), which generalizes the notion of the Fourier spectrum and in which instantaneous frequency is utilized to the fullest extent. In this paper, we recast both the Fourier transform (FT) and filterbank (FB) interpretations of the short-time Fourier transform (STFT) as instantaneous spectra. We show that to recast the FB interpretation of STFT as an instantaneous spectrum with valid structure, frequency reassignment is a fundamental necessity, thus demonstrating that this IS is closely related to the synchrosqueezed STFT. This result provides a new theoretical motivation for the synchrosqueezed STFT. Finally, we illustrate through example the instantaneous spectra corresponding to the FT and FB interpretations of STFT using two closed-form examples.     

Recent Applications of Fourier Transform Infrared Spectrophotometry in Herbal Medicine Analysis

Abstract

Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is a fast and nondestructive analytical method. Associated with chemometrics, it is a powerful tool for the pharmaceutical industry. It is becoming a suitable technique for analysis of herbal medicine. This review focuses on the recent developments and updates for the qualitative and quantitative analysis of herbal medicine using FTIR. Moreover, it can be implemented during herbal drug development, in production for process monitoring, or in quality control laboratories.     

Fractional diffusion and reflective boundary condition

Scaling analysis of the magnitude series (volatile series) has been proposed recently to identify possible non-linear/multifractal signatures in the given data [Y. Ashkenazy, et al. Phys. Rev. Lett. 86 (2001) 1900; Y. Ashkenazy, et al. Physica A 323 (2003) 19; T. Kalisky, Y. Ashkenazy, S. Havlin. Phys. Rev. E 72 (2005) 011913]. In this article, correlations of volatile series generated from stationary first-order linear feedback process with Gaussian and non-Gaussian innovations are investigated. While volatile correlations corresponding to Gaussian innovations exhibited uncorrelated behavior across all time scales, those of non-Gaussian innovations showed significant deviation from uncorrelated behavior even at large time scales. The results presented raise the intriguing question whether non-Gaussian innovations can be sufficient to realize long-range volatile correlations.     

Paper Analysis: Nondestructive and Destructive Analytical Methods

Abstract: Forensic examination and dating documents is an important issue in our society, because documents are used throughout our lives to record everything we do. It starts with our birth certificate and ends with our death certificate. Between them there are receipts, leases, deeds, contracts, checks, wills, sales agreements, and medical records. The validity of all of these documents is often questioned during litigation. This study describes the use of nondestructive analysis of paper (Fourier transform infrared [FTIR] spectroscopy using an attenuated total reflectance [ATR] technique, Raman spectroscopy) and destructive analysis of paper (microscopic analysis of fibers, FTIR analysis of paper ash, inductively coupled plasma–mass spectrometry [ICP-MS]). The results are discussed in detail.     

光谱分析在煤结构研究中的进展

煤结构是各类煤相关研究的微观基础,光谱分析作为煤结构研究的重要方法被广泛应用,其在煤结构研究中的进展对光谱分析方法的普及、应用和发展有重要意义.光谱分析方法研究煤结构已成为煤化工领域使用的常规方法,能够快速无损检测,对煤分子结构的破坏小,可为不同环境条件下煤物理化学性质的变化提供有效的检测手段.从光谱分析在煤质、大分子...     

小波分析及神经网络方法在核物理及核工程中的应用

介绍了小波分析和神经网络方法在核物理及核工程领域的应用现状。 分别对小波分析及神经网络方法的基本原理进行了介绍, 详细讨论了小波变换中的多分辨分析方法在γ能谱平滑以及核电站设备监测等方面的应用, 讨论了连续小波变换在γ能谱分析、 粒子种类鉴别以及核反应堆安全监测等领域的应用。 同时, 还详细介绍了神经网络方法在以上各领域的发展现状。 最后, 展望了两种方法在核安全检测、 核辐射防护以及核电站实时监控等领域的发展趋势。 Applications of wavelet analysis and neutral networks in the field of nuclear physics and engineering are reviewed. The principle of these two methods are introduced briefly, and then the applications of multiresolution analysis technique in the smoothing of γ ray spectroscopy, and in nuclear power plant monitoring are discussed in detail. Applications of the continuous wavelet analysis method in γ ray spectroscopy analysis, in particle identification , and in nuclear reactor safety monitoring are also talked over. In addition, the applications of neutral networks in above fields are introduced. Finally, the trends of the future development for these two methods are prospected.