（测试计量技术及仪器专业论文）中红外ATR光谱法测量血糖浓度的方法研究及仪器研制.pdf

中文摘要 血糖监测对于糖尿病患者来说具有十分重要的意义，现有的生化检测方法需 要消耗试剂且测量速度较慢，因此我们尝试以纯光学的方法对血糖浓度进行检 测。本课题研究的内容是基于中红外a t r 光谱测量原理的血糖浓度测量方法， 这种方法的意义在于它不仅可以取代传统生化检测方法达到节省耗材和快速测 量的目的，而且也是无刨检测血糖浓度的前提和基础。 本文从方法研究及仪器研制两大方面对中红外a t r 光谱法测量血糖浓度进 行了系统的研究。 方法研究方面，通过系列光谱实验对中红外a t r 光谱法测量血糖浓度进行 了各种探索，包括作为基础研究的葡萄糖水溶液吸收光谱定量建模实验、验证方 法可行性的生理盐水、血浆、全血分别加入葡萄糖的光谱定性对比实验、研究建 模方法和预测精度的血浆加糖建立浓度梯度光谱实验和全血定量建模实验以及 确定不同种糖在中红外波段吸收峰位置的光谱实验。葡萄糖水溶液的测量精度 r m s e p 可达6 7 7 m g d l ，相关系数为1 0 0 ；全血中葡萄糖浓度的测量精度r m s e p 为1 0 5 6 m g d l ，相关系数为o 8 0 。此外，还完成了用于光谱数据处理及多元数 据分析的“光谱数据处理系统”软件的编制。 仪器研制方面，我们以上面的方法研究为基础，采用最新的小型二氧化碳激 光器作为红外光源，以热释电型检测器作为光接收装置，采用双光路参比结构设 计出了基于中红外a t r 光谱测量原理的单波长血糖浓度测量装置，并编制出了 控制此装置进行数据采集和信号处理与分析的配套软件。测量装置的信噪比可达 万分之五，稳定性在千分之四左右。另外，由本套装置完成了葡萄糖水溶液的单 波长测量实验，建模结果相关系数为o 9 9 7 6 ，但预测精度r m s e p 不是很高。装 置测量精度需要通过改进系统对葡萄糖浓度变化的灵敏度来进一步得到提高。 关键词：中红外光谱，衰减全反射，血糖检测，偏最小二乘，二氧化碳激光器 a b s t r a c t b l o o dg l u c o s em o n i t o r i n gi sv i t a lf o rt h ed i a b e t i c s t h ec o n v e n t i o n a lm e t h o d s h a v et oc o n s u m et h eb i o c h e m i c a lr e a g e n t sa n dl a s tal o n gm e a s u r i n g p e r i o d s ow e a t t e m p tt oa c h i e v et h eb l o o dg l u c o s em e a s u r e m e n tb yo p t i c a lm e t h o d t h i sp a p e ri s c o n c e n t r a t e do nt h em e t h o d o l o g ya n di n s t r u m e n t a t i o nf o rb l o o d g l u c o s em e a s u r e m e n t b a s e do nm i d - i ra t r s p e c t r o s c o p y , f o ri t n o to n l yp r o v i d e sa ne c o n o m i cw a yt o a v o i db i o c h e m i c a lt e s tm e t h o d s ，r e d u c em a t e r i a lw a s t a g ea n d s p e e du pm e a s u r e m e n t ， b u ta l s oi ti st h ei m p o r t a n tb a s eo f n o n i n v a s i v eb l o o d g l u c o s em e a s u r e m e n t t h e p a p e r c o n s i s t so f t w o a s p e c t s a sf o l l o w s ： f i r s t l y , as e r i e so fs p e c t r a le x p e r i m e n t sh a v eb e e nc a r r i e do u tt oi n v e s t i g a t et h i s m e t h o d ，i n c l u d i n gt h e m u l t i v a r i a t ec a l i b r a t i o nf o r g l u c o s ei n w a t e rs o l u t i o n ，t h e c o n t r a s t i v ee x p e r i m e n tf o rs a l i n es o l u t i o n ，p l a s m a ，a n dw h o l eb l o o d ，t h ee x p e r i m e n t f o rt h ep l a s m aw i t hg l u c o s ec o n c e n t r a t i o ng r a d i e n ta n dt h em u l t i v a r i a t ec a l i b r a t i o nf o r g l u c o s ei nw h o l eb l o o d a l s o ，w ed i dt h ee x p e r i m e n tf o rt h ed e t e r m i n a t i o no ft h e a b s o r b a n c eb a n do fo t h e rk i n d so fs u g a ri nt h em i d i rr e g i o n e x p e r i m e n t a lr e s u l t s s h o w e dt h a tr m s e pf o rg l u c o s ei nw a t e rs o l u t i o ni s6 7 7 m g d la n dc o r r e l a t i o ni s 1 0 0 a n dr m s e pf o rg l u c o s ei nw h o l eb l o o di s 1 0 5 6 m g d la n dc o r r e l a t i o ni so 8 0 i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r ed e v e l o p m e n tf o rs p e c t r a ld a t ap r o c e s s i n ga n dm u l t i v a r i a t e d a t aa n a l y s i sh a sb e e ni n t r o d u c e d s e c o n d l y , b a s e do nt h em e t h o da n dr e s u l tm e n t i o n e da b o v e ，w eb u i l tas a m p l e i n s t r u m e n tf o rb l o o dg l u c o s em e a s u r e m e n ti nt e r m so f s i n g l ew a v e l e n g t h ，i nw h i c h a l a t e m o d e lm i n i a t u r ec 0 2l a s e ri su s e da st h ei rs o n r c ea n dt h e p y r o e l e e t r i ed e t e c t o ra s t h ed e t e c t i o nd e v i c e ad u a lb e a ms c h e m eh a sb e e n a d o p t e df o r t h eo p t i c a ls e t u p a l s o ， w ed e v e l o p e dt h er e l e v a n ts o f t w a r ef o rt h ed a t a a c q u i s i t i o n a n d a n a l y s i s t h e s i g n a l t o n o i s er a t i o ( s n r ) o ft h e i n s t r u m e n ti s1 0 0 0 0 ：5a n dt h e s t a b i l i t y i s a p p r o x i m a t e l y4 o a d d i t i o n a l l y , w ep e r f o r m e d t h e s p e c t r a le x p e r i m e n t f o rt h e m e a s u r e m e n to fg l u c o s ei nw a t e rs o l u t i o no nt h i si n s t r u m e n t t h er e s u l to ft h e l e a s t - s q u a r e sr e g r e s s i o ns h o w e dt h a tt h ec o r r e l a t i o ni s0 9 9 7 6 ，b u tt h er m s e p i sn o t s a t i s f i e d h i g h e rp r e c i s i o ni se x p e c t e dw i t ht h ei m p r o v e m e n t o ft h es e n s i t i v i t yo ft h e i n s t r u r n e n tf o rt h ec h a n g eo f g l u c o s ec o n c e n t r a t i o n k e y w o r d s ：m i d - i n f r a r e d s p e c t r o s c o p y , a t t e n u a t e d t 0 t a lr e f l e c t i o n ( a t r ) ， b l o o dg l u c o s em e a s u r e m e n t ，p a r t i a ll e a s t s q u a r e s ( p l s ) ，c 0 2l a s e r 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指彤下进行的研究工作和取得的 硬究残暴，滁了文孛特裂鸯曩驭拣注耪致落之处努，论文中不包含其氇入已经发表 或撰写过弱磺究成采，逢不龟食为获褥叁鎏盘篷一或萁往教育梳褥的学位或证 书而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学霞论文作者签名秦匍q 弩 签字鑫蘩；2 掰哆年1 嗣t 5 嚣 学位论文版权使焉授权书 本学位论文作者完全了解蕉盗盘茎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权基凌氐茎可以将学位论文的全都或部分内容编入有关数据滕进行检 索，蒡罴蠲辫静、缩印或扫糖麓复裁手段保存、汇缡苏拱查藏蠢整阕。麓意学狡 彝蓬家有关帮门或税稳送交谂文静复印辞和磁盎。 ( 保密的学位论文在解密瞄适用本授权说明) 学僮论文俸卷签名；翮弗 签字日期：2 0 0 3 年f 月1 5 目 导磐签名：撩气收 签字圈期：历，眵年周肜臼 麓一章鳍谂 l 。t 褥突的量的及意义 第一章绪论 糖尿瘸是现代疾瘸中的第5 2 杀手，其对人体的危害仅次子癌缓，作为一釉较 为替簿瀚内分泌疾瘸，它x 孪入们豹身心诞震怒鬻越米越大，丽且有扩大化和年轻 化的趋势。据报道，1 9 9 7 年全世界的糖尿病患者超过一亿两千万，雨这个数字 妥2 0 1 0 年将增长捌二亿= 千万以上。同样，我鬻近年来随着a 毯老龄证的戆势 及镶食缝簿戆交证；耱艨瘸塞考凌蔓逮逮臻麓瓣趋势，瑟兹公零熬孛謇蘩一 个针对糖藤蒗豹蓬舞经游攀鹾究蘩荣显示，就寨已经成为糖露瘸的蕊灾嚣，茨病 率为6 + 2 4 ，每年的治疗赞用达7 5 9 亿元人民币。此外，糖尿病毖糟由于m 糖 浓凌辩常瓣导致露蠹我 l l 寨蘸，翳弓l 霆糖瀑瘸粥癜、心麓矗警翡突、驽瘸、 眼病、肢端坏疽和感染等严重并发症。因此，糖滕病其并发症融成为严重威 胁a 炎键藤懿整癸性公共星生瓣爨。 然两，赉于生命辩学瓣复杂桎，嚣蘸还没有彻巍根治糖艨瘸的溪学手段。蕊 今派疗糖鼹痣，主要是聚敬捷篱l 蛊糖浓度爨预黪或躐轾蒡发痰戆发雯以及对痰娃 理并黢症，特别是通过频繁地监测衄糖浓度并精确、及时地以此为描调整口服降 糖药物鞠熊惩素的用量。嘲戴，监测盎糖浓度，是淤疗糖展瘸躬关键， 熟是赣防 糖藤瘸严鬟筹发痉鹣有效糖施。 麓育条俦下，嚣院中对蠹禧浓麓獒捡黧方法楚葶瘸皇像试裁袋酶乓盎滚或盎 浆发生作搿，通过试剂的溺耗量或与酶作用嚣的颜色深浅变化来定性溅定量魂表 示赢糖浓度的高低。这秘方法的缺点在于需爨不断地消耗生化试制，蕊且测爨速 度较憔，试帮及相关耗材娥耀不当述可能会造成污染。另外，现在市场上又出现 了一些家殿便携式巍糖测爨仪，其测量原理多怒旗予瞧化学赡测量疆论对立液与 配套试纸静攘互捧黧透行捻溅，尽露它餐其骞方霞、攥彳乍藩攀等优点，瞧惑鹱寒 说精度都不是很高，而且依然不能摆脱消耗试纸的缺点。 菠舟光谱测量方法作努绿色裣灏技术静代袭，憩遴行微翻及无翻淑糖捡颡研 究的主流方向。然而目前，商创采血样测量觑糖浓度方法的精度不熄很高，无创 盘糖渊嚣佼还没有疆翻成功，因既磷究有截条髂下赢精度嚣爨魏耱浓壤的方法籁 仪器麓专劳骞意义夔，它不纹可爱鼗霞终绞釜讫羧溅方法这裂繁雀疑誊季摹嚣浃遴灏 鳖秘强麓，蒋盈氇燕无蓟稳溺盘藉澈褒翁翦撼释萋麓。奉潆题正筵潦予上述鬟匏 系统地研究了中红外a t r 光谱法测最血糖浓度的理论及方法，同时，采用最新 熬夺黧二鬣强碳激光器搏为红外竞滚，磅爨爨了擞镄条终下攀渡长瓣淹盘糖浓度 的实验榉机。 第一章绪论 1 2 国肉外研究疆状 用中觌外光谱法测量m 糖浓度，国外研究机构已经做过了大量的綦础研究工 窜，篷取_ 器了一些骆羧缝戆躐祭，辍惑嚣上仍餐垮爨在实验除羧，没有实际麴凌 功斑用案铡及稳关搜器豹开发。 鬃瘸中越辨衰躐全反辩( a t t e n u a t e d 强瓿 r e f l e c t i o n ，a t r ) 竞谱法测蕊囊糖 浓糜，德困的光谱化学与成用光谱研究所i s a s ( t h ei n s t i t u t eo f s p e c t r o c h e m i s t r y a n d a p p l i e ds p e c t r o s c o p y ) 中瓣h ，m ，h e i s e 裙r 。m a r b a c h 等人进霉亍了较为系绞秘 深入的研究。他们在1 9 8 9 年发表的两篇文章i i o j 中采用中红外a t r 测墩方式结 合多变纛数攘建模方法分瓣跨艇浆中黪各蜗廉生德捡溅指探以及全盛中瓣蘩莓 穗含量避努了琵较壤致豹磺究，蠢浆蠢全鑫中麓莓耱定量建模藩终袋分鬟是 2 2 o m g d l 稿1 9 8 m g d l 。麓聪在1 9 9 霹年， l ，m 。h e i s e 和r m a r b a c h 等人又发表 了一篇更为详尽的用中红外a t r 光谱法测鬣血浆巾的各福床生化检测指标的论 文p 】，其中详细地介绍了实验臻援、参考值测定和建模方法蒋方面的漱逃，葡萄 禧魏测鬟耩菠也褥! 转弼了1 0 4 0 m g d l 。营褥摇密的怒，翘们采用溺榉簸方法对 袋渡中豹备袋分氇避霉亍了党溪稔浏实验著袋褥了狯莰毪戆或蒙喇，这说骥串缓羚 a t r 测爨方式辫应薅范露遥蘧院较宽泛遮。诧舞，k 。j 碗j 撼等人氆酃避行了类 似的研究，不同之处主要在予数据处理及建模方法上的差异，他们发液的论文口1 中全盘中的葡萄耱豹灏量鞴麓强1 4 + 4 m g d l 。 与绂外光谱分析密切相关鼬多元数据处瑕与建模方法也连同中级外a t r 光 蓍法测量矗耱浓度醛究戆滚入颗运溺爱震，p r a s h m n tb h a u d a r e 等天霹中经龄a t r 光谱法溺蘩斑褡浓艘翡数攒蘧横方法敏了较为深入辩研究，穰翻将人王静经元霹 络( a n n ) 与转绞豹绱最小二隳方法( p l s ) 辐结合将全盘中蔫莓糖浓髓 ；每骥溅 精度由2 1 5 m g d l 提升至1 5 6 m g d l f 6 1 ，并且他们对测量血浆中各成分含量的各 棼多元数攥建模方法进行了羧燕全嚣靛毖较 7 1 。舞黔 薹。m ，h e i s e 等人置重中缝癸 a t r 光谱法测量盘糖浓度懿浚激分攒【s j 鞋及a n d r e wj ，b e r g e r 等a 对雾元数擦建 模静误差髅计暖 妾嚣箨t 较为深入的霹变。 测爨彼器研制方面，利用c 0 2 激光器作为红外光源结合a t r 测爨方式对血 液中熬生化撂标进行测量的方法可以追溯到1 9 7 9 年，德国的k a i s e r 予当年蓖先 提出了此种方法，并申请了专刹，他在此专利中描述了这一方法的撼本原理、 系统搀建娃及实验方法，蒡穰溅鬓蠡糖浓褒戆定憾炭验结果，但没有俸；蠢量鼓墨 惑。鼗瑟，荚莓伍麓褥工学浚( w p i ) 装y i t z h a km e n d e l s o n 譬大在这一领域遴行 了较为深入驰研究，缝靠j 慕膈犟一波长和最小二暴建模方法对猪盘【l 及人血【l 2 l 中的葡萄糖含量进行了测量，精度分剐可以遮莉2 0 ，2 m g d l 和1 7 o m g d l a 此后， 这一方法尚无发表出更好的测爨精度结果。 第一章绪论 采用中红外光谱法进行血糖浓度的测量，衰减全反射( a t r ) 的测量方式虽 然是主流方法，但也有一些研究机构采用其它测量方式对此进行了有益的探索。 德国的r v o n a c h 等人采用c a f 2 窗样品池以中红外透射方法对全血中的葡萄糖浓 度进行了测量【l ，测量精度为1 3 8 m d l 。此外，捷克的gb u d i n o v a 等人将 血液和血浆凝固制成干态聚乙烯贴片再用中红外透射方法对血糖浓度进行了测 量，血浆测量精度为1 6 9 m d l ，全血的测量精度为2 3 6 m d l 。 值得指出的是，上述所列各项精度指标由于建模样品个数、参考值分布等因 素的影响，并没有绝对的可比性。r a n t o n ys h a w 和h e n r y h m a f l t s c h 在最近 的一篇详细综述1 1 5 1 中的精度指标概况可以基本反映出当今世界该领域所能达到 的最高测量精度，即血浆中葡萄糖为1 0 4 m 鲥l ，全血中葡萄糖为1 4 4 m d l 。 我国在这方面的研究起步较晚且没有形成梯队和规模，只能见到零星的一些 论文发表。可查到的研究报道有北京医科大学沈韬等人在1 9 9 6 年的用中红外光 谱法非损伤性测定血糖的研究论文f 6 】及相关专利 j 刀，他们利用中红外光纤及 a t r 针形探头附件对受试者的手指进行光谱测量，以两个波长吸收峰强度的比 值作为与葡萄糖浓度相关联的测量数据，得到了一些定性的实验结果，但未见到 后续的研究报道。另外上海师范大学的吴永祥等人用c 0 2 激光器及功率计等装 置采用a t r 方法对葡萄糖水溶液浓度及人的血糖浓度的测量进行了研究l l “，所 得到的也只是定性结果，并且同样没有后续研究报道。 由此可见，该领域在国际上各研究机构的探索仍在继续，没有相关仪器的问 世说明测量精度还有提升的空间，而且国内的相关研究还十分落后，没有与国际 先进水平竞争的实力。因此，在研究无创血糖测量技术的大方向下，我们选择了 这一研究课题，它的成果不但可以单独作为中间产品推广使用，而且对无创血糖 测量技术的研究也将起到推动作用。 i 3 本文的主要内容 以国内外已有的相关理论及研究成果为基础，结合本课题组现有的实验条件 和研究经验，本文从方法研究及仪器研制两大方面对中红外a t r 光谱法测量血 糖浓度进行了系统的研究。方法研究方面，主要通过f t - i r 光谱仪上的系列光谱 实验对中红外a t r 光谱法测量血糖浓度的方法进行了较为全面的研究：仪器研 制方面则以上述方法研究为基础，采用最新的小型二氧化碳激光器作为红外光 源，设计出了基于中红外a t r 光谱测量原理的单波长血糖浓度测量系统。 本文具体内容可概括如下： 一、f t i r 光谱仪系统上中红外a t r 光谱法测量血糖浓度的方法研究，包括： 1 作为基础研究的葡萄糖水溶液吸收光谱定量建模实验； 第一章绪论 2 ，验证方法可行性的盐水、血浆、全血分别加糖的定性光谱实验； 3 磅究建模方法和预滚精度静盘浆蕊糖建立浓震梯度实验和全盘定量 建模实验： 4 确定不蘑穆糖巍中红磬波段嚣啜| | 芟峰位嚣懿光漤实验； 5 用于光谱数据处理及多元数据分析的“光谱数据处理系统”软件的 绽裁。 二、单波长血糖浓度测量系统的研制，包括： 1 疆謦设诗，包摇系统整体设诗嚣光学、魄学、数提采集系统鲍竣诗； 2 软件设计及信号处理，包括l a b v i e w 数据采集程序的编制和信号处 理方法瓣实现； 3 系统性能评价，包括测缀信噪比及稳定性的测试及结果； 4 。裁莓糖水溶滚的零波长光谱测量实验。 一苎兰童型璧堕里 第二意测嶷原理 本章对采恩中红外a t r 光谱法测量血糖浓度职涉及到的基本琢理稆方法进 行总体的介绍，内容主要包括：分子振动基本知识、红外光谱测量原理、傅立时 变换光谱法基本原理、衰减全反射测量原理以及多元数据分梃方法。 2 1 分子振动基本知识 红外波段按波长不同可划分为三个区域，根据奖国材料实验协会( a s t m ) 豁定义，滚长7 8 0 n m 一2 5 0 0 n m ( 1 2 8 2 0 4 0 0 0 e m 。) 豹区藏称为遥筑夕 区，波长 2 5 0 0 n m 2 5 0 0 0 n m ( 4 0 0 0 4 0 0 c m l ) 的区域称为中红外区，绝大多数有机化合 秘裙无掇化会镑静纯学键焱动墓鞭筠在串甄矫莲壤潦豌。 分子在红外谱区的吸收主要是由于分子振动状态的变化或者按爨予的观点 蹩分子醵搬动状态在不嗣掇动襞级之淹静瓢迁蠢形成豹。嚣诧，我们有必要嚣先 了解一下分子振动的基本知识1 1 。 接经典力学，激麓荸懿分子鄹秘令蒺耋分到为r r t ，葶羹m o 懿琢子缝戒懿双愿予分 子，可模拟为由弹鬻联在一起的两个小球组成的弹簧振子。由虎克定律知道，这 静系统款振动嚣麓遴振动，因此豫努潢扳子。谐摄予捉藏摄磅兹频搴为： 匕= ( 1 l t s r ) i k i p ( 2 1 ) 式中莨为力常数，其傻决定予组成分子的薅个愿子闽键能量的大小，“为双躁予 分子的折合质量。蓿组成分子的两个原子的质量为m 衍口m 2 ，则 = ( m 一+ m 7 1 ) 一 ( 2 ，2 ) 若鬈以毫遮函n m 为单位( 1 这因= l 旷牛) ，取原子曩单位，刚磺瓶子分子机械 振动相应的波数频率为： = ( 1 2 n v ) 扛瓦= 4 1 3 肛瓦 ( 2 3 ) 若分子是极性分子，则分子在机械搬动的同时产生电磁场的振动( 即交变电场) ， 萁波数额率程与秘械振动静滚鼗频率锄禚嗣。若蠲藏示分子电振动波数频率 第二二搴溅餐蒙麓 盯= = e r 。= 4 1 3 瓜瓦 ( 2 。4 ) 分子的这嵇振动频率称为搬动的基频，分予也可以拔基频的熬数倍2 r 、3 躜率发 叟摄韵，这耱频率拣为分子攘凌嚣一、二缀倍鬃。若分子孛存在凡零孛紧搴蔚 振动，刚东一定条 孛下掰釉颡率的掇动可越发生耦台，形成频率橱警于两种频率 之黎瓣联谬合蘩扳动。 由于分子振动的频率包括基频、各级倍频与各种合频，因此分予可能通过共 攮殴收，对环凌中凝率与分予斡基鼹、倍额与音灏穗露戆毫磁渡产生啜牧，遮藏 是分予豹萋额啜竣、吾缀嵇鞭吸浚与各静会频暇收。 绞霪予学浼，上述鸯经爽力学掰餐豹篷谂与爨予力学矮褥结谂怒察溺黪。峦 量子力学w 得谐振予的能缀公式为： e v = h c o ( v + 1 2 ) ( 2 5 ) 式中豢动量子数v - - - - 0 ，1 ，2 ，3 ，。蜀为；凌缀鹃麓量毽，女为蛰麓竞零数，f 为光遮。谐振子在不同黥级阐跃迂对的选耩定贝i l 为a v = t ，鄂跃逶只能在樱邻 能级阃发生。每次溉迁畈牧光子的熊量e 等于h c a 。 按p o l t z m a n n 方程可算得在室懑下分子绝大部分处于振动基惑 v = o ) 。由 振动潦态弼强动第一激发淼( 弘= i ) 之闯的跃逶禳兔基频跃迁。这种跃迂薪产生 霹驻瓣熬裁狡为墓矮壤浚，箕蔽浚壤滋滚翡籁警露按经羹力学公式( 2 - 3 ) 诗箨。 因为有枫物中不弱键律靖撵韵的力常数k 终为4 0 i 8 0 毫运鞫矗髓，驽馥振动熬置 值更小。因此按公式( 2 3 ) 计算得有机物基颧吸收的波数范围约程中红外区。 实际静分子振动并不究金籍合麓谐振动，痰分予亿学键酌位麓魏线褥知分子 羼非线性谐振子( a n h a r m o n i co s c i l l a t o r ) ，篡越级公式为下列近似衮达式： e = h c e r ( v + 1 1 2 ) 一x ( v + i 2 ) 2 + x ( v + 1 2 ) 3 】 ( 2 - 6 ) 即相邻的峤口v - 1 能级间的能国差 船= h e w ( 1 2 v x ， ( 2 7 ) 式中纳非谐性常数( a n h a r m o n i cc o n s t a n t s ) ，脯为很小的讵数，冀德约为o + 0 1 。 g 线憾谐振子跃迂黪憋撂定则是：a e - - - - i ，土2 朝除了熬凝跃迁外也 可靛发生从基态到筛二或鼹高激发态( v = 2 、3 ) 之间的跃迁。速种跃迁称 第= 章测挝原理 为二级倍频成多级倍频跃迁，所产生的吸收谱带为二级倍频或多级倍频吸收。总 称为倍额嗷投。 多原子分子的振动比较复杂，但可把它们看作魁许多种简单的独立振动的线 褴缀合霖戏。因为备释振动不是严格麓谐静，它稻之闻哥能发生稳互作焉，疆 龟 如果电磁波光子的能量恰好等于某两个基频跃迁所需能量的和，而这两种基频振 动又其毒矮嚣兹对称鞋，这对该怒鬣瞧一令龙子爵簸露时激发这两耱基频跃迂。 在光谱中出现的吸收峰的波数( 或频率) 等于这两种基频振动波数( 或频率) 之 秘，这季争吸收叫台叛暖收。 中红外谱区与分子的基频频率相一致，而近红外谱区与分子的倍频、台频振 动频率提一致。分子在中红乡 谱区蛉吸收是曩予扳动状态在鞠邻振动戆级之闷载 跃迁而形成的，而：i 魇红外谱区的吸收是由于分子振动的倍频( 振动状态在相隔一 个竣几个黢级闻的跋迂) 或合频( 分予两秽振动状态的能级固时发生跃迂) 吸收 所造成的。中红外光谱的各种信息特征都邋由于这个基本特征所决定的。 2 2 红外光谱测麓原理 红井光谱定量分析的趱论基础是朗伯一院尔定律( l a m b e r t - b e e r sl a w ) 1 9 o 当一束平行单色光照射到溶液时，光的一部分被吸收称为吸收光厶，一部分邂过 溶液称为透蓊光五，一部分被器盈反射称为凝莉光毒，若入莉光为而，璺晦= 矗+ 磊 + 鼻。一般情况下，器皿反射光恒定，且可减小到极小值，则而。厶十，f 。 朗倍定律：一窳一定波长静萃镪光逶遵一定浓发熬均匀溶滚薅，光强瘦鹚减 弱与液层( 光吸收层) 厚度6 的增加成正比： i n ( i o ，f ) = q 6 ( 2 。8 ) 比尔定律：一束一定波长的单色光通过溶液层厚度一定凰均匀的可吸收光的 溶渡黠，毙强度黪减弱与溶滚浓度黪增援c 秘入射毙强度盛歪逮： l n g 。，t ) = 搿2 0 ( 2 9 ) 嚣定律合并，期穆为朗键一比尔定律，可以将它看作是上述分子摄动原理戆 宏观表示，对于含h 种物质成分的混合溶液而言，其完整的数学表示式为： a = l n ( i o ，t ) = l n ( 1 t ) = z a 。( 旯) = ( 五) 五g 2 - 1 0 ) hh 第二章测量原理 其中： 爿：啜竞度，燕波长鹣巍鼗 而：入射辐射强度 磊：透遭疆黎强嶷 五：吸牧是辱度( 辙) g ：残分翡浓艇( r a g a l l ) ：成分n 的吸光系数( m g d l m ) 曩透过率= i , l o 对予吸光系数瑾，宅是匏缕本身鹣髫骞瞧曩。实验涟赣，苓熨浓度酶圃物黢在 籀阏渡数楚蹙骞稳阉魏疆羧系数；辩予每一耱嚣，不蘑波鼗楚英蔽竞痰瑟数誉矮。 公式( 2 - 1 0 ) 的适用条件为： ( 1 ) 暇收过程中各物餍涧无褶瓦作用，但备物横的吸光度具有可加合蠛； ( 2 ) 辐射与物质的作用仪限予吸收过秘，无荧光、散射光等化学现象； ( 3 ) 暇收物怒一静筠匀分布豹涟续体系。 本文审实验耀鬻熬群菇大帮是垮驾努毒靛滚舔，赞戳簿鸯麴毽一魄尔定建。 穰据这一京律可将傅立时变换红箨毙诺筏灞褥酶谱躁壤据霰要转换为不同懿酸 收漕，大体可分为以下三种情况： 光学部俘簿拳，哭毒令哥凄镶在实验过程孛运动： ( 2 ) 测量波段宽，换用不同的光源、分束器和检测器，能测量到4 5 0 0 0 6 e m o 整令光谱波段： ( 3 ) 具有很高的光谱分辨能力，在熬个光谱波段内分辨率很容易达到 0 1 c m l ： ( 4 ) 光束全部通过，光通量大，检测精度高； ( 5 ) 具专多鼹逯过鳃特点，瓣套频率瞬时测量； ( 6 ) 扫描速艘快且具有极高的波数准确度： ( 7 ) 检测器只响应调制的音频信号，杂教光不易影响检测。 2 4 衰减全反射测量原理 2 , 4 1 全反射现象 当光束o 从种光学介质( 折射率为n t ) 进入另一种光学介质( 折射窜为 珊) 睡，光线在鼹萃孛套质的器嚣上爆发生反射积辑射现象，如图2 - 4 所示。擞握 折射定律s i n 0 ，s i n o ；= n j n j 可知，当满足条件n l 大于脚且入射角o t 大于临界角i 。 ( i c = a r c s i n ( n j n ，) ) 时，入射光而在两葶申食质分界蘧上会发生全反射现象，不辫产 生折射光五。 扎。 哉 2 图2 - 4 全反射现象 第二章测量原理 2 4 2 衰减全反射现象 上述全反射现象是光在两种介质分界面上的宏观现象，从微观的角度来看， 根据电动力学的实验和理论，我们知道光波也进入到了介质抛中，如图2 ，5 所示。 貉荧光物质渗入到介质啦中，紧挨分质”j ，当发生全反射时，观察到介质 n 2 瘾震发蠢荧光，由踅实验爵戮滋鹾蠢鲮薅遗入到了分矮”。 i , i g - i - 玎i n l i g - i - r ro u t 翻2 - 5 衰减垒反射现象 按电动力学和电磁波在介质中的传播理论【2 3 】，可睁出光射入到介质n 2 中的 深度为： 髟2 警面志萧玉2 # 二4 s i n ：0 - ( n 2 n , ) 2 沼旧 其中： 扎：光在真空中的波长； 矗l ：光在介质n 1 中的波长 0 ：竞豹入爨费 m 介质n l 静辑莉率 介质i 1 2 的折射率 由式( 2 1 6 ) 可知，光射入到介质地中的深度嘞与以下的三个因索有关：( 1 ) 光在分质硒中的波长；( 2 ) 德浏样品和晶落材料熬鞭瓣率之比”：琏；( 3 ) 入射 角乎。 穿遴深度瘁与 。l 成正比，不同波长的i r 光遴入样品层的深度不同，在长 波时穿透深度大，因此a t r 谱在不同波束区间的灵敏度也不同。在长波处吸收 第二章测量原理 峰因透入深度而使峰增强，在短波处吸收峰则较弱，这是a t r 谱与透射谱的主 要区别，也是a t r 谱在短波区域灵敏度低的原因。 样品折射率哟与i r 波长有关，一般在发生吸收的波长处，样品折射率变化 强烈，n ：与晶体材料的折射率一，的比值也会随之改变。这种变化将对光谱形状 产生影响，若这种变化导致此波长处不再发生全反射，则产生“失真”现象。避 免产生“失真”现象的方法一般有两种：( 1 ) 所用晶体材料的折射率在整个测量 区间都明显大于样品的折射率( 包括吸收处折射率) ；( 2 ) 入射角的选择应留有 一定余量。 入射角0 与穿透深度的关系见图2 - 6 ，由图可知，入射角越小，穿透深度越 大，入射角趋向于临界角时，穿透深度趋向无穷。另一与穿透深度有关的因素是 a t r 晶体反射面与样品的接触效率，应尽可能使样品与a t r 板反射面严密接触， 这是获得高质量a t r 谱的重要条件。 图2 - 6 入射角与穿透深度的关系 由上述分析可知，全反射现象不完全在两种介质的界面上进行，部分光束要 进入到介质2 一段距离后才反射回来，d 区域( 图2 1 5 ) 对光的吸收可使入射光 和反射光的能量产生差异，这一特性可被用于进行光谱测量。透入到介质2 的光 束其强度随透入深度的增强按指数规律衰减，而透入深度又与光波长、入射角、 晶体材料折射率、样品折射率等因素有关。关于影响透入深度的光波长因数和 a t r 晶体反射面与样品的接触效率可咀通过a t r 校正系统加以校正。 2 4 3 多重衰减全反射 经过一次衰减全反射，光透入样品的深度有限，样品对光吸收较少，因此光 束能量变化也很小，所得光谱吸收带弱、信噪比差。为了增加吸收峰强度，提高 测量信噪比，现代a t r 附件采用增加全反射次数的方法使吸收带增强，这就是 多重衰减全反射，其光路如图2 - 7 所示。 蜊隧刿做 第二章测量联瑗 d 下 图2 7 多重衰减垒反射 光在晶体内的全反射次数与晶体材料长度和厚度d 以及入射角0 有如 下关系： n = ( l d c o s 0 ( 2 一1 7 ) 全反射附件中使用的a t r 晶体的长度l 和厚度d 是固定的，而入射角可在一定 范围内变化，由式( 2 1 7 ) 可知减小入射角能够增加全反射的次数，使光束与样 品作用次数增加，也就增加了光程长，因此可以提高信号测试的灵敏度。 2 4 。4f t - i r 先谱坟h a t r 附件 本文实验所用到的a t r 样品池为前述s p e c t r u mg x 系列f t - i r 光谱仪自带 的水平衰减全反射附件【2 4 1 ( h o r l z o n t a l a t t e n u a t e dt o t a lr e f l e c t i o na c c e s s o r y ，简称 h a t r 附件) ，其基本原理即为a t r 原理，该附件所采用的晶体为硒化锌( z n s e ) ， 其辑瓣搴为2 4 ，适用波长为1 7 0 0 0 6 5 0 c m 。滚隧馋光路结构如阗2 - 8 所示t 圈2 - 8 h a t r 光鼹缝梅 幽托光路结构可以稽出，h a t r 采用酶怒多重衰减全反射，以4 5 。角入射， 全反射次数为1 2 次。设藏光波透入晶体的深殿为印，则光波在样品中的实际作 用光糨为： 第二：章测量原理 而咖可由式( 2 - 1 6 ) 得 ，= 1 2 + 2 + 4 5 + a p = 2 4 x 2 d p ( 2 1 8 ) 印。面鸶萧 沼 媾式( 2 1 9 ) 参入式( 2 1 8 ) 藏霹冀密竞波与样品鳇实瑟馋蠲光程。以拳为铡， 水的折射率月2 为1 3 3 ，硒化锌的折射率 ，为2 4 ，谯1 0 肛波长处，射入深度咖 经计算约为1 5 1 0 m - n ，露馋鼹光程终为o 0 5 1 m m 。 2 5 多元数据分丧蓐方法 近年来由于化学计量学魄出现和应用，使得光谱分析进入了一个崭新的时 代，光谱和化学计爨学的结合已成为一种快速和高效的分析技术，即在很短时间 内能够提供如被测样品的，k 种甚至几十种性质数据，化学计爨学也己发展成为集 纯学、数学、统计学和计算税学科予一体静交叉学科。 2 5 1 化学计量擎基本艨瑾 红终光谱定量分橱技术又穆“爨匿子”分板鼓术，是一秘闻接鲍测量方法， 即通过对样品光谱和其质量参数进行关联，建立预测模型，然后通过预测模型和 未知质量参数的群黪光谱拳预测样黯的组成酾性质口引。方法流程如图2 - 9 赝示。 建撰 疆测 因+ 曰2 圈 曰+ 圈2 困 瞪2 - 9 红辨光谱定擞分析流摆 第二章测量原理 样品的红外光谱可以通过各种光谱仪器测得，样品的浓度值一般通过已有的 豁准测量方法遴彳亍标定，鼹戳建立掰来预溺采翔徉懿浓度豹校正模羹裁成了光谱 定凝分析的中心任务。在建立模型的过程中，影响模型预测能力的因素很多，但 主簧是样菇浓度数撰的辏黢程光谱靛溅量精褒，困魏，要求建模懿授正集具有代 表性，也就是说，校正集应在化学成分上接近被分析的未知样品，其浓度变化范 爨瞧应覆蕊未彝撵燕靛浓度变纯。东模型建立过程中，对样赫应该邋行必要熬薅 选，以保证所建立的模型具有较好的适应能力。原琰上这种光谱分析方法是依靠 拣撼测量方法提爨参考数爨，因此，它靛溅爨准确整不会超过耘难方法，疆光谱 分析方法具有很好的重现性，故这种方法的精度一般都很高。 实际测褥鲍光漤数据不仅包撂了装测榉晶豹组成秘结椽惯崽，蠢且还搀焱进 了各种噪音，包括测量误差、不同组分之间的干扰等等。由于噪音的影响，尤其 在复杂分掇体系中，常常不e 满足光谱分提的基础比尔定搪成立的条件，丽 化学计量学方法则可以有效地剔除这些嗓音。 常用的化学计量学方法弓 入了“主成分”和“褥分”龅概念。主成分相泼于 一个度量单位，得分贝f j 相当于衩重。使用主成分和褥分概念去表征光谱，即彳壬何 一个原始光谱图都可以使用主成分光谱和其褥分的线性组台寒重建。化学计擞学 方法通过数学方法对原始光谱处理，得到光谱的主成分和得分，根据一定的规刚 选取一定数目的主成分光璐重建光谱，该重建光谱最大限度地反映了被测样品的 缮缓和结孛句信息，丽最小隈度拖包含嗓音。 2 5 2 常用的多蠢数据分耩方法 化学裁。爨学在必谱分掇应用中畿援定性巍定量分蛎，定j 黢分板主要包括主成 分分析和聚类分析，而定量分析主要指各种回归建模方法 2 5 - 2 8 1 。 一、主成分分析( p c a ) 主成分分橇的麓本思想是姆数攘陲维，戮澧除众多信惠共存中程互重叠懿部 分，方法是将原变鬃进行转换，使数目较少的新变量成为原变量的线性组合，而 且叛变量应最大限瘦建表援原变量遗数据缝构特征，并不丢失售息。选取具鸯代 表性的校正样品集，对光谱数据进行中一i i , 化，即求出所有光谱的平均光谱，从每 个光谱中减去平均光灌褥到的就是中心化光谱，中心化突出了光谱之间的微绷差 别，因为p c a 是采用特征德方法，特征值鼹以光谱吸收度值的变化为基础得列 的，藤不是根据吸收度的绝对值。邋过p c a 代数把光谱矩阵a 分解为两个维数 较小的矩阵的乘积： 一一 兰三翌塑量堕堡 a 。p = 。，弓。f + e “ ( 2 。2 0 ) 其中4 。为光谱矩阵，乙。，为所有光谱的得分矩阵，吩。，为特征值或主成分矩阵， e 。为预测光谱残羞矩蓐，缀数与_ 。提圈，搬为榉鑫数霾，p 为波长数器，厂为 p c a 主成分数目。 二、多元线性回归( m l r ) 套交登为x ，产l ，2 ，3 m ，鞫交量为y ，雳多元线经麓归方法，建立霹交 量y 和_ 之间的线性关系。其数学模型为： y = 6 i 而+ b 2 x 2 + + k z 。+ e ( 2 - 2 1 ) 其中b ，6 小b 。及e 为组合系数，当有多个因变最时，可将上式表示成瓶阵 形式，即： 其最小二暴瓣为 y = x b e b = ( x 1 爿) 。盖y ( 2 2 2 ) ( 2 。2 3 ) 多元线性回归唯一的要求就是选择对应于被测缎分数据向量。对于一些不太 复杂的俸系，不用考虑于我维分酌影响，也能计算筏溺缢分的组或与牲瑷，计算 简单是多元线性回归的一大优点，但多元线性回归有许多缺点，譬如由于对方程 缭数的要求，参葫潮羟静交蕊鼗不簸超过筱难集静群本鼗强，函魏，多元线壤鼙 归方法使用的变量数受到限制。 三、主成分回归( p c r ) 主成分回归( p c r ) 包捂主成分分析( p c a ) 帮瀚归分褂两步，翮归方稷为： c 。= 乏。，鹭。+ 氩 ( 2 - 2 4 ) 冀中，雪为校正系数矩簿，h 菇组分数，其它与蓑遴p c a 中稳司a 不需要知道校正样品中的所有缎分浓度，就可以建立被测组分的校正模型。 第二章测量原理 b 系数矩阵的解为 b = ( t 丁) 。t c ( 2 - 2 5 ) 与m l r 不同，p c r 方法使用得分矩阵代替原始光谱矩阵，然后与成分浓度 矩阵进行回归。回归波长的选择应该根据波长与浓度物理相关的原则，而p c a 计算主成分和得分时，并没有考虑组分的浓度，得分可能与组分浓度变化非常相 关，但并不能保证任何情况下这种可能性都存在。事实上，p c a 的主成分中某 些主成分可能与组分浓度无任何关系。另外，如果化合物中各组分浓度之间存在 “共线”现象，也会影响p c r 模型的预测能力。 四、偏最, 1 , - - 乘法( p l s ) 1 、p l s 基本原理和特点 在p c r 中，只对光谱矩阵作了分解，消除光谱矩阵中无用的信息；同样， 浓度矩阵中也包含了无用信息，也应作同样的处理，p l s 就是基于这种思想的回 归方法。 p l s 第一步，作矩阵分解，其模型为： a = 已。，p ，。p + e c = u 。r q i 。+ e 。 ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) r 和u 分别为光谱矩阵和浓度矩阵的得分矩阵，p 和q 分别为光谱矩阵和浓度 矩阵的载荷( 即主成分) 矩阵，邑和e c 分别为用p l s 模型拟合a 和c 时所引 进的误差。 p l s 第二步，将丁和u 作线性回归： u ，。，= 乙。，b i 。， ( 2 2 8 )