（分析化学专业论文）近红外光谱微量分析方法研究.pdf

摘要 摘要 近红外光谱分析方法具有高效、快速、成本低、无污染且不破坏样品等优 点。它不仅可用于实验室内分析，而且在现场快速检测和实时在线分析方面也 发挥着重要的作用。近红外光谱谱峰较宽且重叠严重，必须借助化学计量学方 法建立校正模型才能进行定性定量分析。然而，在校正过程中，需要收集大量 代表性样品进行化学分析，提供其组分或性质已知的数据来建立和维护模型。 此外，近红外光谱产生于分子振动光谱的倍频和合频吸收，主要记录含氢基团 ( c h o h ，n h ，s h ) 的吸收信息，吸收较弱，因此该方法的检测灵敏度较低。 这些问题严重阻碍着近红外光谱分析方法的发展和应用。本文针对近红外光谱 建模时校正样本的设计问题，开展了近红外光谱简约定量分析模型的构建方法 研究并用于复杂样品的定量分析；针对近红外光谱分析方法检测灵敏度较低的 问题，开展了样品吸附富集预处理结合近红外漫反射光谱用于提高近红外光谱 分析方法检测灵敏度的研究。 1 针对复杂样品近红外光谱分析中校正集的设计问题，探讨了标准样品参 与复杂样品建模的可行性。通过标准样品和复杂基质样品共同构建的偏最小二 乘( p a r t i a ll e a s ts q u a r e s ，p l s ) 模型，考察了波段筛选和建模参数对预测结果的 影响。结果表明，采用p l s 方法建立定量模型时，校正集样品性质应该尽量与 预测集样品相似，当样品的性质相差较大时，适当增加校正集样品的差异性可 以使模型具有较强的预测能力。同时，波段优选对提高预测结果的准确性具有 重要意义。 2 为了对烟草中绿原酸含量实现快速准确的定量分析，采用近红外光谱分 析方法对烟草提取液和绿原酸标准溶液组成的混合样品集进行p l s 回归分析， 通过选用不同的建模样品，讨论了提取液中共存组分对绿原酸定量模型的影响。 选用不同的光谱预处理技术，结合间隔偏最小二乘( i n t e r v a lp a r t i a ll e a s ts q u a r e s ， i p l s ) 对绿原酸的建模区域进行优选，建立了绿原酸的近红外光谱分析模型。 结果表明，波段筛选有效地消除了共存组分的干扰，绿原酸标准溶液样品结合 部分烟草提取液样品可以建立准确、稳健的分析模型。该方法可以作为烟草行 业分析绿原酸的有效手段。 摘要 3 为了改善近红外光谱分析方法灵敏度较低的弱点，在使用近红外光谱对 目标组分进行检测时，引入了吸附富集的样品预处理方法。以饮料中低含量的 苯甲酸和山梨酸为分析对象，以氧化铝为吸附材料对两种目标物进行吸附，吸 附后氧化铝的漫反射光谱用于建模和预测。结果表明，通过采用吸附富集的样 品预处理方法，可以极大地提高近红外光谱的检测灵敏度，采用p l s 回归的多 元校正方法可以消除吸附剂表面共吸组分对目标组分的干扰。 4 低浓度水体有机污染物的快速定量分析是分析化学的研究热点之一。为 了实现水体中低浓度有机污染物的同时快速分析，选取大孔吸附树脂为吸附剂， 对废水中的苯酚和对硝基苯酚进行吸附富集，采用近红外漫反射光谱分析方法 对其进行定量分析。研究结果表明，树脂吸附结合近红外漫反射光谱分析方法 实现了低浓度苯酚和对硝基苯酚的同时定量分析，为水体中低含量组分的近红 外光谱快速分析提供了新思路。同时，该工作也说明了树脂吸附预富集是一种 有效地提高近红外光谱分析灵敏度的方法。 5 为了对复杂体系中低浓度氨基酸进行定量分析，以氨基酸混合物标准溶 液以及合成饮料中的氨基酸和氨基态氮为研究对象，采用凝胶型阳离子交换树 脂和大：j ：l m t 离子交换树脂对其进行吸附富集预处理，结合近红外漫反射光谱分 析方法进行定量分析，探讨了不同离子交换树脂对定量结果的影响，比较了最 小二乘支持向量回归( 1 e a s ts q u a r e ss u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ，l s s v r ) 和偏最小 二乘回归( p a r t i a ll e a s ts q u a r e sr e g r e s s i o n ，p l s r ) 的预测结果。结果表明，树脂吸附 富集预处理方法的引入，实现了近红外光谱分析法定量分析低浓度氨基态氮的 目标，而对每种氨基酸单独进行定量分析的结果较差；离子交换树脂的颜色、 孔径以及类型对氨基态氮的定量结果没有影响；l s s v r 的多元校正方法的预测 结果略优于p l s r 的预测结果，合成氨基酸饮料中复杂基质的存在不会影响氨基 态氮的预测结果。 关键词：近红外光谱，化学计量学，微量分析，富集，吸附 i i a b s t r a c t a b s t r a c t n e a ri n f r a r e d ( n 佩) s p e c t r o s c o p ya n a l y t i c a lm e t h o di se f f i c i e n t ，r a p i d ， n o n i n v a s i v e e n v i r o n m e n t a lf r i e n d l y , a n di tc a nb er u na t1 0 wc o s t s i ti sn o to n l y s u i t a b l ef o rl a b o r a t o r ya n a l y s i s ，b u ta l s oi n f i e l df a s tm e a s u r e m e n ta n dr e a l - t i m e o n 1 i n ea n a l y s i s h o w e v e r , n i rs p e c t r a lb a n d sa r er e l a t i v e l yw e a ka n dh i g h l y o v e r l a p p i n g t h e r e f o r e ，c h e m o m e t r i c a lm e t h o d sa r ec o m m o n l yu s e df o rb u i l d i n g c a l i b r a t i o nm o d e lf o rq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s h o w e v e r , i no r d e rt o c o n s t r u c t i n ga n dm a i n t a i n i n gm o d e l s ，l a r g en u m b e r so fr e p r e s e n t a t i v es a m p l e sa r e c o l l e c t e df o rw e tc h e m i c a la n a l y s i s ，a n dp r o v i d i n gd a t ai n f o r m a t i o no fc o m p o n e n t s a n dc h a r a c t e r s n i rs p e c t r u mi sb a s e do nm e a s u r e m e n to ft h eo v e r t o n ea n d c o m b i n a t i o nf r e q u e n c i e so ft h ev i b r a t i o n so fc h e m i c a lb o n d s ，a n dm a i n l yr e c o r d st h e a b s o r p t i o ni n f o r m a t i o no fc h ，0 一h ，n ha n ds h ，w h i c hm a k ei t sr e l a t i v e l yw e a k s p e c t r a lb a n d sa n dh i g hd e t e c t i o nl i m i t u pt on o w , t h e s ep r o b l e m sh a v en o tb e e n s o l v e dt h o r o u g h l y , w h i c ho b s t r u c tf u r t h e rd e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fn i r s p e c t r o s c o p ya n a l y t i c a lm e t h o d i nt h ed i s s e r t a t i o n ，t h ed e s i g no fc a l i b r a t i o ns a m p l e s a n di m p r o v e m e n to fq u a n t i t a t i v ed e t e r m i n a t i o na b i l i t yf o r1 0 wc o n c e n t r a t i o na n a l y t e s w e r ei n v e s t i g a t e df o rt h eq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f c o m p l e xs a m p l e s t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t so ft h ed i s s e r t a t i o ni n v o l v e ： 1 t h ed e s i g no fc a l i b r a t i o ns a m p l e si so f t e nu s e dt oi m p r o v e t h e c o s t e f f e c t i v e n e s so fn e a r - i n f r a r e d ( n i r )s p e c t r a la n a l y s i s af e a s i b i l i t yo f c o n s t r u c t i n gap a r s i m o n i o u sm u l t i v a r i a t ec a l i b r a t i o nm o d e lf o rn i rs p e c t r a la n a l y s i s w a sd e m o n s t r a t e db yc o n s t r u c t i n gp a r t i a ll e a s ts q u a r e s ( p l s ) m o d e l sw i t hb o t h s t a n d a r da n dc o m p l e xs a m p l e s w a v e b a n ds e l e c t i o na l g o r i t h ma n do t h e rp a r a m e t e r s w e r ea l s ob ed i s c u s s e df o ri m p r o v ep r e d i c t i v ea b i l i t yo fm o d e l s t h er e s u l t si n d i c a t e w h e nc o n s t r u c t i n gq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sp l sm o d e l ，t h ec a l i b r a t i o ns a m p l e ss h o u l db e a ss i m i l a ra sp o s s i b l et ot h ep r e d i c t i o ns a m p l e s w h e nt h e r ei sab i gd i f f e r e n c ei nt h e p r o p e r t i e so fs a m p l e sb e 锕e e nc a l i b r a t i o na n dp r e d i c t i o ns e t s ，i tc a l li m p r o v et h e p r e d i c t i v ea b i l i t yo f t h em o d e l sb ye x t e n d i n gt h ed i f f e r e n c eo fc a l i b r a t i o ns e ts a m p l e s i i i a b s t r a c t a tt h es a m et i m e ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt oa d o p tw a v e b a n ds e l e c t i o na l g o r i t h m sb e f o r e m o d e l i n gf o ri m p r o v i n gt h ep r e d i c t i v ea b i l i t yo fm o d e l s 2 am e t h o df o rq u a n t i t a t i v ea n a l y s i so f c h l o r o g e n i ca c i di nt o b a c c oe x t r a c t sw a s d e v e l o p e db yu s i n gn e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( n i r s ) a n dp l sr e g r e s s i o n e f f e c t so f t h ec o e x i s t e n c es o l u t e so np l sm o d e lw e r ed i s c u s s e db yc o n s t r u c t i n gd i f f e r e n t m o d e l sw i t hs t a n d a r ds o l u t i o n sa n dr e a lt o b a c c oe x t r a c t s r e s u l t ss h o wt h a ts t a n d a r d s a m p l e sc a nb eu s e da sap a r to ft h ec a l i b r a t i o ns a m p l e sw h e nt h e r ea r en o te n o u g h r e a ls a m p l e s ，a n dt h ei n t e r f e r e n c eo ft h ec o e x i s t e n c es o l u t e sc a nb ee l i m i n a t e db y s e l e c t i o no fs u i t a b l ew a v e l e n g t hr e g i o n s t h ep r o p o s e da p p r o a c ha p p e a r st ob eav a l i d a l t e r n a t i v ef o rf a s ta n a l y s i so f c h l o r o g e n i ca c i di nt o b a c c oi n d u s t r y 3 n e a r - i n f r a r e dd i f f u s er e f l e c t a n c es p e c t r o s c o p y ( n i r d r s ) h a sb e e np r o v e dt o b eac o n v e n i e n ta n df a s tq u a n t i t a t i v em e t h o df o rc o m p l e xs a m p l e s t h eh i g hd e t e c t i o n l i m i to rt h el o ws e n s i t i v i t yo ft h em e t h o d ，h o w e v e r , i sa b i gp r o b l e mo b s t r u c t i n gi t s a p p l i c a t i o ni nt h ea n a l y s i so fl o wc o n c e n t r a t i o ns a m p l e s as t r a t e g yf o rq u a n t i t a t i v e d e t e r m i n a t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o ns a m p l e sw a sd e v e l o p e db yu s i n gn i r d r s t a k i n gb e n z o i ca n ds o r b i ca c i d sa st h ea n a l y z i n gt a r g e t sa n dt h ea l u m i n aa st h e a d s o r b e n t ，p l sm o d e li sb u i l tf r o mt h en i r d r so ft h ea d s o r b a t e s t h er e s u l t ss h o w t h a tt h ed e t e c t i o nl i m i tc a nb ei m p r o v e db yu s i n ga d s o r p t i o np r e c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h e i n t e r f e r e n c e so fc o - a d s o r b a t e sc a nb ee l i m i n a t e db yu s i n gm u l t i v a r i a t ec a l i b r a t i o n m e t h o d 4 o r g a n i cp o l l u t a n t si nw a t e ra r eo n eo ft h em a j o rw a t e rq u a l i t yp o l l u t i o n a m e t h o df o rq u a n t i t a t i v ed e t e r m i n a t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o np h e n o la n d p n i t r o p h e n o l f r o mw a s t e w a t e rw a sd e v e l o p e db yu s i n gn i r d r sa n da p r e c o n c e n t r a t i o np r o c e d u r e o fr e s i na d s o r p t i o n i nt h em e t h o d ，t h ea n a l y t e sw e r ef i r s t l ya d s o r b e do n t on k a i i r e s i nf o rp r e c o n c e n t r a t i o n ，a n dt h e nn i r d r so ft h er e s i ni sm e a s u r e df o rq u a n t i t a t i v e a n a l y s i s t h er e s u l t ss h o wt h a tb o t ht h ep h e n o l i cc o m p o u n d sc a nb ei m m o b i l i z e do n t o t h ea d s o r b e n ta n d d i r e c t l ym e a s u r e db yn 1 r d r s t h em e t h o dp r o v i d e sn e w o p p o r t u n i t i e sf o ra n a l y z i n gl o wc o n c e n t r a t i o nc o m p o n e n t si na q u e o u ss o l u t i o n s a t t h es a m et i m e ，t h ep r o p o s e dm e t h o dm a yb ea ne f f e c t i v ew a yf o ri m p r o v i n gt h e d e t e c t i o na b i l i t yo ft h en i r d r sf o rq u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fl o wc o n c e n t r a t i o n a n a l y t e s ， i v a b s t r a c t 5 t h ef e a s i b i l i t yo fn i r sa n da d s o r p t i o np r e c o n c e n t r a t i o np r o c e d u r ef o r d e t e r m i n a t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o nf r e ea m i n oa c i d si n c l u d i n gt h r e o n i n e ( t h r ) ， m e t h i o n i n e ( m e t ) ，l y s i n e ( l y s ) a n dl e u c i n e ( l e u ) i na q u e o u ss o l u t i o n sa n da m i n o n i t r o g e nw a si n v e s t i g a t e d i nt h em e t h o d ，t w oi o ne x c h a n g er e s i n sw e r eu s e df o r a d s o r p t i o np r e c o n c e n t r a t i o no fa m i n oa c i d s a n dn i r d r s w a su s e df o rc o l l e c t i n gt h e s p e c t r ao fr e s i na f t e ra d s o r p t i o n t h ee f f e c to ft h ed i f f e r e n tk i n d so fr e s i n so nt h e d e t e r m i n a t i o nr e s u l t sw a si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t so b t a i n e db yu s i n gl e a s t - s q u a r e s s u p p o r tv e c t o rr e g r e s s i o n ( l s s v r ) a n dp a r t i a ll e a s ts q u a r e sr e g r e s s i o n ( p l s r ) ， w h i c hw e r eu s e dt oe l i m i n a t et h ei n t e r f e r e n c e sr e s u l t i n gf r o mn e a ri n 丘a r e dd i f f u s e r e f l e c t a n c es p e c t r ao fr e s i na n do t h e rc o e x i s t e n c ec o m p o n e n t s ，w e r ec o m p a r e d 1 1 1 e r e s u l t ss h o wt h a tp r e c o n c e n t r a t i o np r o c e d u r eo fr e s i na d s o r p t i o na n dn i r d r sw e r e s u c c e s s f u l l yu s e di nd e t e r m i n a t i o no fl o wc o n c e n t r a t i o na m i n on i t r o g e n ，w h i l et h e q u a n t i t a t i v er e s u l to fe a c ha m i n oa c i di su n s a t i s f a c t o r y 乃er e s i n sw i t hd i f f e r e n t c o l o u r s a p e r t u r e sa n dt y p e sh a v en oe f f e c to nq u a n t i t a t i v ea n a l y s i s t h ep e r f o r m a n c e o fl s s v rw a ss l i 面t l yb e t t e rt h a nt h a to fp l s r c o m p l e xm a t r i xi n t e r f e r e n c e so f c o e x i s t e n c ei na m i n oa c i db e v e r a g ec a nb ee l i m i n a t e db yu s i n gm u l t i v a r i a t e c a l i b r a t i o nm e t h o d k e yw o r d s ：n i r ，c h e m o m e t r i c s ，m i c r o a n a l y s i s ，p r e c o n c e n t r a t i o n ，a d s o r p t i o n v 南开大学学位论文电子版授权使用协议 ( 请将此协议书装订于论文首页) 论文 系本人在 南开大学工作和学习期间创作完成的作品，并已通过论文答辩。 本人系本作品的唯一作者( 第一作者) ，即著作权人。现本人同意将本作品收 录于“南开大学博硕士学位论文全文数据库”。本人承诺：己提交的学位论文电子 版与印刷版论文的内容一致，如因不同而引起学术声誉上的损失由本人自负。 本人完全了解g 直珏太堂图盘焦苤王堡查! 焦厦堂焦途窒数笸堡盘洼! 同意 南开大学图书馆在下述范围内免费使用本人作品的电子版： 本作品呈交当年，在校园网上提供论文目录检索、文摘浏览以及论文全文部分 浏览服务( 论文前1 6 页) 。公开级学位论文全文电子版于提交1 年后，在校园网上允 许读者浏览并下载全文。 注：本协议书对于“非公开学位论文”在保密期限过后同样适用。 院系所名称： 作者签名： 学号： 日期：年月日 南开大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解南开大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：都勇 2 t 卅年占月2 ) e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 解密时间：年月日 各密级的最长保密年限及书写格式规定如下： 南开大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：蔷覃勇 2 吲年5 月27 e t 第一章综述 第一章综述 第一节引言 近红外光谱( n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y , n i r s ) 主要是由于分子振动能级的 跃迁而产生的，其波长范围为7 8 0 2 5 0 0 衄。近红外光谱主要记录分子中含氢基 团( c h ，o h ，n h ，s h ) 伸缩与弯曲振动的基频振动的倍频和合频信息，每条 近红外光谱是一个或若干个不同基团的倍频和合频谱带的组合【l 】。这就是近红外 光谱分析方法可用于蛋白质2 1 、氨基酸 3 1 、脂肪 4 1 、淀粉5 1 、水分6 1 等组分快速分 析的基础。 自2 0 世纪9 0 年代以来，随着计算机技术、仪器硬件技术的不断完善和化 学计量学方法的发展，近红外光谱分析方法的应用得到了迅速发展，已广泛应 用于石油化工、农业、制药、食品、烟草工业、生命科学以及环境保护等各个 领域川。 近红外光谱之所以能够在许多领域得到广泛应用，是由于它具有以下独特 的优点【8 】：可用于样品的定性和定量分析，样品的定性采用聚类原理，定量 分析采用多元校正方法和一组已知性质或组成的样品建立定量模型：分析速 度快，可用于分析样品的各种性质或多种组分同时测定；操作简单，无需样 品前处理步骤；不破坏样品、不使用试剂、不会污染环境，是一种绿色分析 方法；近红外光谱的采集方式可以是透射方式，也可以是漫反射方式，样品 可以是气体、液体或者固体；光导纤维的引入使近红外光谱分析方法的应用 领域扩展到过程分析以及有毒或恶劣环境的远程分析。 然而作为一种分析方法，近红外光谱也有其固有的应用局限或弱点：近 红外光谱分析方法是一种间接分析方法，其对未知样品的分析是基于一个成熟 的校正模型。为建立一个精确、稳健的校正模型，近红外光谱分析方法对建立 模型的样品有较高的要求，样品不但要具有代表性而且还要体现出其中的物理 化学信息。对不同的测量对象都要收集对应的校正样品集，而且还要选用合适 的多元校正方法来构建校正模型。在实际分析过程中，建立校正模型时不仅需 要收集大量的校正样品，而且样品对应的校正指标都需要提前采用传统的化学 第一章综述 方法进行标定，因此建模过程的工作量较大，而且模型建好后，需要在实践中 不断地对建模的样品集进行扩充继而进行模型的修正。近红外光谱分析方法 的测试灵敏度相对较低，这主要是因为近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收， 跃迁几率较低，一般近红外光的倍频和合频的谱带强度是其基频吸收的。1 0 到 1 0 0 0 0 分之一，对组分的分析而言，其含量一般应大于o 1 【9 】，即如果分析的样 品仅有几m g ，或需要分析的组分在样品中的含量很低，则近红外光谱分析方法 无法满足分析要求。 就目前国内外近红外光谱的研究现状而言，虽然近红外光谱分析方法的应 用领域非常广，相关的研究论文和报道也很多，但是针对近红外光谱分析方法 固有的应用局限开展的研究工作非常少，即在简化校正样品集和定量分析低含 量组分两方面的研究较少，因此极大地阻碍着近红外光谱分析方法应用领域的 拓展。 第二节近红外光谱的定量分析及应用 近红外光谱分析中常用的光谱形式主要包括透射光谱与漫反射光谱。由于 近红外光具有很强的穿透特性，其透射与反射光谱各有其独特之处。 透射光谱一般用于均匀透明的溶液样品，测量得到的吸收光谱符合朗伯比 尔定律【lo 】。近红外光可直接透过样品池对其盛装的样品进行检测。a r m e n t a 掣1 1 】 通过对近红外透射光谱采集参数的优化，成功地进行了敌草隆农药的定量分析； m c g l o n e 等1 1 2 】利用近红外透射光谱进行苹果褐心病感染比例的在线预测，得到 了较好的结果，预测相关系数达到0 9 0 0 以上；l a 仔a n c e 等【l3 j 利用近红外透射光 谱对人体血液中的乳酸进行定量分析，结果表明，血液中乳酸的实际含量和近 红外光谱的预测含量间的相关系数达到0 9 7 8 ，该方法可用于临床医学领域，对 人体健康状况进行评价。 在利用近红外光谱对固体粉末样品进行分析时，样品一般不需要进行化学 预处理，近红外光的波长远小于样品颗粒的直径，光在样品中传播时散射效应 较大，而且能够穿透到样品内部，携带内部信息，使得近红外光谱可直接对样 品进行测定。近红外漫反射光谱分析方法在近红外光谱分析中占有非常重要的 地位，农业及农副产品的分析大多是通过漫反射技术完成的。由于漫反射过程 中样品与光的作用有多种形式，除样品的组成外，其粒径大小及分布和形状均 2 第一章综述 对漫反射光的强度有一定的影响【1 4 1 ，因此漫反射光的强度与待测组分含量不是 严格的符合朗伯比尔定律。s a n c h e z 等 15 】采用近红外漫反射光谱对芦笋的货架期 进行定性判别，得到了准确可靠的预测结果。c h e n 掣1 6 】将近红外漫反射光谱成 功地应用于绿茶中多种儿茶酚的同时定量分析。m o r o s 等【l7 】采用漫反射光谱对土 壤中的碳酸钙含量、p h 值、电导率等参数进行了预测，结果表明近红外漫反射 光谱分析方法在土壤分析中具有非常重要的作用。 除了上述两种常用的光谱采集方式外，近红外光谱分析法针对某些特殊的 样品也有特殊的测样方式，如对于原油和水的混合物，其为透明程度很差的乳 状液。样品中的水珠颗粒对光产生散射效应，光的走向和光程都不确定，而且 样品自身吸收较强，因此可采用“透一反射检测 的采样方式【l8 1 。 近年来，随着分析样品的千变万化以及化学计量学方法的发展，近红外光 谱的研究热点主要集中于漫反射光谱的定性和定量分析。为了对影响漫反射光 谱定量分析结果的因素有全面的认识，首先需要对漫反射光谱的定量分析原理 有清楚的认识。 1 2 1近红外漫反射光谱定量分析原理 近红外漫反射光谱定量分析已被广泛应用于农产品加工和日用品生产【1 9 , 2 0 1 等领域。其基本原理为当光线照射到样品上时，一部分光在样品表面产生镜面 反射，另一部分光经折射进入样品内部，在样品内部与样品分子作用而发生反 射、折射、散射和吸收现象，最后光线由样品表面辐射出来，辐射出来的光由 于散向空间各个方向而被称为漫反射。由于漫反射光曾进入样品内部与样品分 子发生作用，因此漫反射光载有样品组成及其分子的结构信息，这是漫反射光 谱分析方法的工作基础。 关于近红外漫反射光谱用于固体样品的多组分定量分析的算法已有很多文 献报道【2 心3 1 ，然而在这些算法中，对于待测组分的浓度和光谱谱带强度间的线 性或非线性关系并没有给出统一的规定。到目前为止，关于漫反射光谱响应与 样品中组分含量间的相互关系主要有两种表达方式，一种是采用漫反射率来表 示，另一种是采用k u b e l k a - m u n k 函数表示。 为了理解漫反射光谱定量分析的基本原理，首先引入几个漫反射光谱参数。 k 为漫反射体的吸光系数，其含义与透射光谱的吸光系数相当，主要取决于样 3 第一章综述 品的化学组成；s 为散射系数，表示样品对光的散射，反映光在样品中经过单位 光程后光的衰减程度；r 为漫反射率，反映出射光与入射光的比率。 r 与s 和k 之间的关系可由公式( 1 1 ) 表示： 尺二= l + 等一 ( 等) 2 + 2 ( 等) ( 1 1 ) 式中，r ：是样品厚度无穷大时的绝对漫反射率。由于疋不易测定，实际应用中 测定相对漫反射率r 。，即以一个在近红外区域不产生吸收的材料作为参比( 如 b a s 0 4 ) ，参比材料的r o o 1 ，k 0 ，可得到待测样品厚度无穷大时的相对漫反 射率r 。 耻糍小扣争2 c 2 ， 在漫反射分析中，只有在一定的浓度范围内，吸光度系数k 才与样品的组 分浓度成线性关系，而r 。与样品中的组分浓度则不成线性关系2 4 2 5 1 。与组分浓 度成线性关系的漫反射函数有两种，即反射吸光度么和k u b e l k a - m u n k 函数( 简 称k m 函数) 。反射吸光度彳的定义与透射光谱吸光度相似，定义公式如下： 川o g ( 寺= - l o g 1 + 了k _ ( 扣2 ( 钞) ( 1 3 ) 由公式( 1 3 ) 可以看出，漫反射体的反射吸光度么与酬s 的关系为一对数曲线。 在特定的较小的叫s 范围内，a 与纠s 可以用直线关系代替曲线关系。即简化 为公式( 1 4 ) - 彳：口+ 6 竺( 1 4 ) s 由于k 和c 在一定浓度范围内有线性关系，当散射系数s 不变时，漫反射吸 光度4 与样品浓度的关系可表示为： a = 口。+ b c( 1 5 ) 显然，漫反射吸光度与浓度的关系表达式同透射光谱中朗伯比尔定律吸光 度与浓度的关系式有明显的差别。其一，漫反射定量式中的线性浓度范围较窄， 且有截距；而透射光谱朗伯比尔定律的截距为零，且浓度范围较宽。其二，公 4 第一章综述 式( 1 5 ) 的成立必须以假设样品的散射系数s 恒定为前提。 将公式( 1 2 ) 变形，得到叫s 与j r 。间的关系式( 1 6 ) 。 一k ：q 二鱼笙 ( 1 6 ) 一= 一 i_nl s 2 r 。一 将公式( 1 6 ) 右侧定义为一个函数，这个函数称为k m 函数。 耻护警= 善 ( 1 7 ) 由公式( 1 7 ) 可以看出，当样品的散射系数s 为一常数时，k m 函数与吸 收系数k 成正比，即与样品浓度成正比，k m 函数与浓度的关系可表示为： f ( r 。) = x 4 s = b c ( 1 8 ) 公式( 1 8 ) 的表达形式与朗伯比尔定律相似，所不同的是公式中系数b 除 与摩尔吸光系数及光程有关外，还与样品的散射系数有关，样品的粒径大小及 分布和形状等多种因素均影响样品的光散射。 由公式( 1 5 ) 和公式( 1 8 ) 的推导过程以及假设前提条件可知，漫反射光 谱采用k m 函数形式表达，其光谱强度与样品浓度的关系表达式简单且线性关 系较好，然而k m 函数形式的漫反射光谱由于较强的基线漂移，使得光谱重现 性差，定量分析结果误差较大。对于采用漫反射吸光度形式表达的漫反射光谱， 虽然它的光谱强度与样品浓度间的线性不如k m 函数好，然而由于其基线误差 较小，光谱重现性好，结合一定的多元校正方法，可以得到很好的分析结果2 6 1 。 因此，广大分析工作者普遍采用漫反射吸光度形式表达的漫反射光谱开展分析 研究工作。 1 2 2 近红外光谱定量分析过程 近红外光谱分析方法是一种通过建立定标模型后对未知样品进行定量或定 性分析的间接分析方法。其测量步骤包括收集样品、参考值的化学分析、光谱 采集和预处理、建立定标模型和模型的验证，最后进行样品预测分析【9 ，2 7 j 。 1 收集样品 建立定标模型前，收集有代表性的样品非常重要。样品应能涵盖以后要分 析样品组分的含量范围，而且在各个范围内的样品分布数目最好均匀一致，以 5 第一章综述 保证以后定标模型测量的精度均匀一致。收集样品的含量范围越宽，则所建立 模型的适用面越广，但是分析结果的精度会有所下降：反之，如果所收集的定标 样品的含量范围较窄，则建立的定标模型精度会相对提高，而其适用范围将有 所缩小。 2 参考值的化学分析 用常规方法进行化学分析时，最好选用国际或国家规定的标准测试方法， 如测定酒精度采用蒸馏法；测量食醋中的总酸和氨基态氮采用滴定法等，并且 尽量减少人为误差。预测模型结果的准确性在很大程度上取决于化学分析结果 的准确性。虽然化学分析中误差是不可避免的，但可以通过增加测定的重复次 数或选用精密度较高的仪器来减小误差，以便降低因化学分析而带入定标模型 的误差。 3 光谱采集 进行光谱采集时，测量时间尽量与化学分析时间一致，以免时间间隔过长 引起样品内组分含量的变化，特别是受环境影响较大的组分。另c h e f 界环境的 变化也会影响仪器的稳定性，测量最好选在不同的时间进行，这样可将由于时 间、温度不同造成光谱数据的变化信息包括到模型中。 4 光谱预处理 通过对光谱进行适当的预处理，可以减弱以至消除各种非目标因素对光谱 的影响，提高谱图质量，为校正模型的建立和未知样品组成或性质的预测奠定 基础。 5 建立定标模型 采用化学计量学方法建立常规分析方法测得的数据和预处理的光谱数据之 间的定标模型。由于近红外光谱中各组分的谱带重叠严重，用单波长数据建立 的校正模型会产生较大的误差，因此，需利用多波长甚至全谱的数据建立校正 模型。常见的化学计量学方法包括多元线性回归、主成分回归、偏最小二乘回 归以及最小二乘支持向量回归等，这些线性或非线性方法的引入，使定标模型 应用范围得到进一步扩展。 6 定标模型的验证分析 定标模型建立后，必须对其进行检验，以确定模型的可靠性。一般的做法 是从收集的样品集中取出一些能够代表该批样品但含量范围又不超出定标样品 范围的样品( 这些样品没有参与定标) ，对建立的定标模型进行验证分析。如果 6 第一章综述 没有足够的样品，则可以用交互验证法进行验证，即从样品集中取出其中一个 或一组用于验证定标模型，其余用于定标，然后混合在一起，重新取另外一个 或一组用于验证，其余的用于定标，直至循环一周，接着将各组算出的各个指 标汇总在一起求出平均值。 7 样品分析 一个可靠、稳定的定标模型建立之后，就可用于样品分析。在分析样品前， 要注意定标模型所能测量样品浓度的范围，包括样品类型间的差异及同一样品 类型不同状态的差异和含量范围。定标时的浓度范围是待分析样品的