基于近红外漫反射与漫透射光谱的玉米单倍体鉴别比较研究

使用JDSU公司的MicroNIR1700型微型近红外光谱仪,研究了适合进行单籽粒玉米单倍体鉴别的光谱测量方法。基于近红外光谱定性分析技术,比较了漫反射和漫透射两种情况下玉米单倍体鉴别的效果。光谱数据经过预处理后,采用PLS＋OLDA特征提取算法,应用SVM建立玉米单倍体鉴别模型,分别统计漫反射和漫透射实验条件下,鉴别模型的正确识别率。在微型光谱仪内置光源漫反射的光谱测量方式下,不分胚面朝向,玉米单倍体籽粒平均识别率低于60%,不能有效鉴别玉米单倍体和多倍体。而采用外置光源对籽粒进行漫透射光谱测量方式,获得了平均正确识别率为93.2%的鉴别效果,并且模型稳定性好。实验结果表明,漫反射光谱仅能获得玉米籽粒表层信息,因此玉米籽粒胚面朝向严重影响漫反射光谱鉴别单倍体种子的效果;而漫透射光谱可以实现分析光程纵深信息全累加,能够得到样品内部的信息,因此对胚面朝向不敏感,能够有效地对随机摆放的玉米单倍体和多倍体进行识别。近红外方法能快速、无损地鉴别单倍体,并且微型光谱仪采集速度快,成本低,为实现实用化的自动鉴别提供了条件。     

Comparison of Spectral and Molecular Analyses for Classification of Long Term Stored Wheat Samples

This study aimed to determine whether NIR spectroscopy and protein band analysis can differentiate the grain samples of 15 wheat genotypes stored for different periods: Group Ⅰ (91 weeks), Group Ⅱ (143 weeks), Group Ⅲ (194 weeks), and Group Ⅳ (246 weeks). Samples were harvested from previously-conducted field trials, and stored at +4 ℃. A-PAGE and SDS-PAGE methods were utilized to separate gliadin and glutenin fractions, respectively. A qualitative calibration model based on the Support Vector Machine (SVM) method was generated and validated using NIR spectra taken from samples. Results indicated storage length did not have an effect on molecular band fractions. Use of this method would not be considered an effective tool for discrimination of samples stored for different lengths of time. Spectral techniques may have potential in sorting samples based on their storage time. The SVM calibration model generated here had an acceptable true classification rate (over 80%) for separating all groups, while only Groups Ⅱ and Ⅳ were precisely separated (100% true classification rate) in the validation step.     

内蒙古河套平原表层土壤近红外光谱分析及其意义

近红外分析技术已经广泛应用于岩石分析中,方法简单、快速、有效,可以在短期内分析较多样品,适合应用于区域地质物质成分的分析。近红外光谱中不同矿物分子会表现出不同的峰值特征,故对层土壤进行近红外分析,可以较精确的获得土壤中矿物成分、含水量、矿物结晶程度等信息。通过分析河套平原土壤样品,推测出其矿物成分、含水量、晶体结晶程度等,结合当地气候特征和地质环境,推测其物质来源和矿物形成环境,不仅完善了当地的地质特征,还对河套地区土壤的成因机制的研究有重要意义。实验结果表明,河套平原表层土壤的矿物主要由高岭石、蒙脱石、伊利石、白云母等蚀变矿物组成,从而推测其来源为阴山山脉中酸性岩体,同时提出阴山山脉在气候方面对河套平原土壤形成也有重要影响,内蒙古地区虽然为大陆性干旱气候,但降水量充足,且阴山山脉南北两侧的年平均降水量差异巨大,阴山山脉南部的年平均降水量较北部大,保证了河套平原湿润的环境,有利于沉积物充分蚀变,这些均为土壤成因机制的完善提出了新的研究方向。     

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。     

近红外光谱技术对人参药材人参皂苷含量测定及产地识别的研究

以东北三省6个产地的74份人参样品为研究对象,采集其近红外光谱,以多元散射校正原始光谱;采用超高效液相色谱技术,建立样品中人参皂苷Rg₁,Rb₁,Re的含量测定方法,以样品中这三种皂苷的总量作为参考值,在6 001～4 007和10 000～8 786 cm-1建模区间,采用偏最小二乘法建立了人参样品中人参皂苷近红外定量模型,交叉验证均方根误差为0.115,预测均方根误差为0.167,相关系数分别为0.947 7和0.915 3。同时对近红外原始光谱进行多元散射校正和Savitzky-Golay平滑处理,以8 531～7 559 cm-1谱段对人参样品进行产地识别,结果表明,74份样品可分为3类,分别对应辽宁、吉林和黑龙江产区,校正模型判正率为96%,预测模型判正率达90%。2010版《中国药典》以人参样品中人参皂苷Rg₁,Rb₁,Re的总量作为评价人参质量的化学指标,该工作所建立的近红外预测人参样品三种皂苷总量的方法快速、准确,可用以评价人参样品的质量。     

不同光程对山茶油掺假近红外检测精度的影响

利用近红外光谱在不同光程下对山茶油中掺杂大豆油的掺伪量进行定量检测研究,着重分析光程对掺伪量检测精度的影响。将大豆油按一定质量分数掺入山茶油获取实验样本,掺伪质量分数范围为1%～50%。利用QualitySpec型光谱仪采集样本在不同光程(1,2,4,10 mm)下的透射光谱,通过对比不同建模方法、预处理方法及建模波段范围所建立的掺伪量定量预测模型,分析光程对掺伪量检测精度的影响。研究结果表明,光程由1 mm增加到4 mm时,掺伪量定量预测模型性能随着光程的增加而逐渐变好,检测精度逐步提高;光程由 4 mm增加到10 mm时,掺伪量定量预测模型性能变差,检测精度下降,4 mm为较优的光程。在1,2,4和10 mm下所建立的较优掺伪量定量预测模型的预测集决定系数 (R2_P)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.923, 0.977, 0.989, 0.962和4.58%, 2.54%, 1.72%, 3.20%。     

面向生物过程的阿达玛变换近红外光谱仪

对生物过程中营养物质的消耗进行监测,有利于控制微生物的生长环境,使其始终处于最佳生长条件,从而使目标产物的产量最大化。针对酵母培养液中甘油、甲醇和葡萄糖含量的监测需求,研制了一种基于阿达玛变换(hadamard transform,HT)技术的近红外光谱仪。该光谱仪使用自主改进设计的近红外原位探头进行光谱信号的收集,采用数字微镜(digital micro-mirror devices,DMD)进行阿达玛模板的编码调制,配合自主开发的光谱采集软件和光谱分析处理软件,实现了培养液中营养物含量的实时监测。给出了光谱仪的光路设计、近红外原位探头改进设计、硬件电路和软件模块的设计。通过实验测得该光谱仪的杂散光为0.875%,波动率为±4.28%。利用该光谱仪对一系列标准浓度的甘油水溶液进行光谱采集和数学建模,实验结果表明该仪器测量准确,能够满足生物过程监测的要求。     

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。     

不同近红外光谱仪用于酒石酸美托洛尔片厂家鉴别的对比研究

建立近红外光谱定性分析模型,用于酒石酸美托洛尔片厂家的快速鉴别。采用Antaris Ⅱ傅里叶变换近红外光谱仪和Micro NIR1700型微型近红外光谱仪两种仪器对来自四个生产厂家的66个批次的酒石酸美托洛尔片进行近红外光谱的采集,选用随机(random sampling,RS)法进行样品集的划分,得到校正集样品44个、验证集样品22个,选择一阶导数Savitzky-Golay15(SG15)点平滑、标准正态变量变换(SNV)作为预处理方法,根据不同类样本间光谱的差异结合谱带特征吸收的方法分别选择6 468～7 104和6 468～7 156 cm-1作为建模光谱区间,建立两种采样仪器的偏最小二乘判别分析(PLS-DA)模型。模型的混淆矩阵结果显示两种仪器采集的近红外光谱建立的定性分析模型能够快速、有效的鉴别不同厂家的酒石酸美托洛尔片,模型的准确率和否定率均达到100%。该研究有效证实了近红外光谱分析技术用于酒石酸美托洛尔片厂家定性鉴别的可行性,另外,该研究中采用了目前商业化最小、便于携带的Micro NIR1700型微型光谱仪,为药品的快速现场筛查提供了很好的启示。     

Optical properties of surface-patterned nanostructures

This concepts article describes our developments in nanopatterning related to photonics. We have a nanopatterning toolkit that can generate functional, nanostructured surfaces at nm-length scales and over cm²-areas in a single (or small number of) step(s). This paper will focus on three examples of surface-patterned nanostructures and their optical properties: (i) one-dimensional arrays of metallic nanoparticles; (ii) arrays of small-diameter ZnO nanowires; (iii) mesoscale structures of CdSe/ZnS nanocrystals. The potential for advances in nanopatterning to contribute to a broad range of light-based applications will be discussed.