（应用化学专业论文）荧光光谱法用于天然产物的鉴别和定量分析.pdf

ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt og u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yf o r t h ed e g r e eo fm a s t e ro fe n g i n e e r i n gs c i e n s ei d e n t i f i c a t i o na n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i si nn a t u r a lp r o d u c t sb yf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p ym a s t e r c a n d i d a t e ：c a oj i a j i as u p e r v i s o r ：p r o f c h e nx i a o k a n ga p r i l2 0 1 0f a c u l t yo fc h e m i c a le n g i n e e r i n ga n dl i g h ti n d u s t r yg u a n g d o n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g yg u a n g z h o u ，g u a n g d o n g ，p r c h i n a ，5 10 0 9摘要摘要荧光光谱法是一种灵敏、快速和简便有效的对物质进行定性和定量分析的方法。在对物质定性分析方面，三维荧光光谱应用较多，主要是通过直观比较光谱图的某些参数来对物质进行分类鉴别，带有人为性和不确定性。在定量分析方面，荧光光谱法适用于分子中具有大的共轭7 c 键结构或刚性平面结构的物质，具有一定的局限性。本研究利用图像信息统计法提取了三维荧光等高线特征谱，该特征谱能较全面地反映物质的三维荧光光谱特征，并具有特征性和可计算性，解决了模式识别中特征参数提取的问题，基于特征谱，实现了对不同种天然产物分类鉴别的目的。本研究还尝试用荧光光谱法对六种灵芝( 紫芝、黑芝、赤芝、松杉灵芝、泰山灵芝、龙芝) 的多糖含量进行了测定。主要内容包括：1 、基于等高线特征谱提取的原理，利用v i s u a lb a s i c 6 0 设计了三维荧光等高线识别软件。该软件能够进行等高线图谱浏览，可以提取等高线特征谱并进行等高线特征谱比对，还可以进行平均波长、相关系数、欧式距离等的计算，以及对不同样本进行平面距离聚类分析、相关系数平面聚类分析等。2 、提取了不同种饮料的三维荧光等高线特征谱并对其规律进行研究。对橙汁、绿茶、凉茶三类3 3 个饮料样本进行了三维荧光光谱的测定，并提取了每个样本的特征谱，比较了同种饮料样本的特征谱的变化规律以及不同种饮料的特征谱之间的差异。基于特征谱，计算了各个样本与参考点样本之间的平均相关系数尺，得到平均相关系数直方图，r 0 6 6 为橙汁饮料，0 4 2 r 0 6 6 为绿茶饮料，r 0 6 6 ，g r e e nt e a、舫m0 4 2 r 0 6 6 a n dh e r b a lt e a 、析mr 0 4 2 t h es a m p l e sw e r ec l a s s i f i e da n di d e n t i f i e da c c o r d i n gt ot h eh i s t o g r a mo ft h ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n t 3 , t h ed i f f e r e n tt r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ei n je c t i o nw e r ec l u s t e r e db yt h eh o r i z o n t a ld i s t a n c ec l u s t e r i n ga n a l y s i s t h e3 - df l u o r e s c e n c es p e c t r u mo f3k i n d s3 0t r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ei n j e c t i o ns a m p l e si n c l u d i n gs h e n q i f u z h e n gi n j e c t i o n ，h u a n g q ii n j e c t i o na n dd a n s h e ni n j e c t i o nw e r ed e t e r m i n e da n dt h es a m p l e sw e r ec l u s t e r e db yh o r i z o n t a ld i s t a n c ec l u s t e r i n ga n a l y s i s c l u s t e r i n gr e s u l t ss h o w e dt h ei d e n t i f i c a t i o nr a t ew a sw e l l ，a n dt h et h r e et y p e so fs a m p l e sw h i c hh a dt h es i m i l a rs h a p ew e r er e c o g n i s e df u l l y 4 , d i f f e r e n tk i n d so fe d i b l eo i lw e r ec l a s s i f i e da n di d e n t i f i e db yt h r e e d i m e n s i o n a lc l u s t e r i n ga n a l y s i s t h ef l u o r e s c e n c es p e c t r ao f3c l a s s e s2 9e d i b l eo i ls a m p l e si n c l u d i n gp e a n u to i l ，s e s a m eo i la n db l e n do i lw e r ed e t e r m i n e d ，a n de u c l i d e a nd i s t a n c ed e m ，d e xa n da v e r a g ec o r r e l a t i o nc o e f f i c i e n tro fs a m p l e sw e r eo b t a i n e d t h et h r e e d i m e n s i o n a lc l u s t e r i n ga n a l y s i sw a se s t a b l i s h e db a s e do nd e m ,d e xa n dr d i f f e r e n tt y p e so fe d i b l eo i lc o u l db ec l a s s i f i e da n di d e n t i f i e da c c o r d i n gt ot h ep o s i t i o n so fs a m p l ep o i n t s 5 , t h ec o n t e n t so fg a n o d e r m al u c i d u mp o l y s a c c h a r i d ew e r ed e t e r m i n e db yf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y p o l y s a c c h a r i d e sc o u l dn o tb ed e t e r m i n e db yf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y s o ，i nt h i ss t u d y , f l u o r e s c e n tm a t e r i a lw a sc r e a t e db yr e a g e n tr e a c t i o n t h ec o n t e n t so fg a n o d e r m al u c i d u mp o l y s a c c h a r i d e sw e r ed e t e r m i n e da c c o r d i n gt ot h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nf l u o r e s c e n c ei n t e n s i t yo fp r o d u c ta n dp o l y s a c c h a r i d ec o n c e n t r a t i o n p o l y s a c c h a r i d eo fs i xk i n d so fg a n o d e r m al u c i d u mw e r ee x t r a c t e db yw a t e re x t r a c t i n ga n da l c o h o lp r e c i p i t a t i n gm e t h o d t h er e a c t i o ns o l u t i o nw a sc o n f e c t e dw h e na n h y d r o u sg l u c o s ea ss t a n d a r dc o n f i g u r a t i o n t h es t a n d a r dc u r v ew a sd r e wa n dt h ep o l y s a c c h a r i d e sc o n t e n t so fs i xk i n d so fg a n o d e r m al u c i d u mw e r ed e t e r m i n e d ，w i t ht h e l i n e a re q u a t i o ny = 4 8 6 8 6 x 一3 9 0 4 8 ，r 2w a s0 9 9 9 ，a n dt h ed e t e c t i o nl i m i tw a s0 0 0 8m g m l ，a n dc o m p a r i n gw i t hg a n o d e r m al u c i d u mp o l y s a c c h a r i d e sd e t e r m i n a t i o ni n ”t h ep e o p l e sr e p u b l i co fc h i n ap h a r m a c o p o e i ai va b s t r a c t( 2 0 0 5e d i t i o n ) t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er e s u l t so ff l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p yw e r ei na g r e e m e n tw i mt h er e s u l t so f ”p h a r m a c o p o e i a ”m e t h o d t h er s do ft e s tr e p e a t a b i l i t yw a s0 41 ，a n da v e r a g er e c o v e r yw a s9 9 51 k e yw o r d s ：t h r e e - d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c es p e c t r a ；c h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u m ；p a t t e mr e c o g n i t i o n ；n a t u r a lp r o d u c t s ；c l a s s i f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o n ；g a n o d e r m al u c i d u mp o l y s a c c h a r i d e sv广东工业大学l 页士学位论文目录摘要ia b s t 触c t i i i第一章绪论11 1 分子荧光光谱法概述11 1 1 荧光参数11 1 2 影响荧光的分子结构因素21 1 3 影响荧光强度的环境因素21 1 4 几种荧光分析技术31 2 模式识别的基本理论31 2 1 模式识别的分类41 2 2 模式识别的过程41 2 3 模式识别的基本方法51 2 4 聚类分析方法61 3 荧光光谱技术在物质分类鉴别中的应用81 4 选题意义及研究内容1 0第二章三维荧光等高线特征谱提取程序的设计1 22 1 三维荧光等高线指纹图谱1 22 2 三维荧光等高线特征谱的提取1 32 2 1 三维荧光等高线特征谱的提取原理。1 32 2 2 三维荧光等高线特征谱的提取程序1 42 3 三维荧光等高线特征谱识别软件1 72 4 本章小结18第三章不同饮料的三维荧光等高线特征谱规律研究1 93 1 实验部分1 93 1 1 样品及来源1 93 1 2 仪器及工作条件2 03 2 结果与讨论2 l3 2 1 几个不同饮料样本的等高线图。2 l3 2 2 饮料样本三维荧光等高线特征谱的规律研究2 3v i目录3 2 3 利用平均相关系数法对饮料进行聚类分析。2 53 3 本章小结2 7第四章中药注射液的平面距离聚类分析2 84 1 实验部分2 94 1 1 样品来源2 94 1 2 仪器设备及工作条件2 94 2 结果与讨论3 04 2 1 不同种中药注射液的三维荧光光谱图比较3 04 2 2 不同厂家生产的同一种注射液的三维荧光光谱比较3 24 2 33 0 种注射液样本的平面距离聚类分析3 44 3 本章小结3 7第五章三维聚类分析法在食用油分类鉴别中的应用3 85 1 实验部分3 95 1 1 样品来源3 95 1 2 仪器设备与测试条件4 05 2 结果与讨论4 05 2 1 几种食用油的三维荧光立体图和对应的等高线图。4 05 2 2 三维荧光等高线特征谱的提取4 25 2 3 利用等高线特征谱对样本进行三维聚类分析4 35 3 本章小结4 5第六章荧光光谱法用于不同种灵芝中多糖含量的测定4 66 1 实验原理4 76 2 实验方法与结果4 86 2 1 主要仪器4 86 2 2 试剂及配制4 86 2 3 测试样品。4 86 2 4 实验最佳条件的确定4 96 2 5 标准曲线的绘制5 16 2 6 荧光光谱法与紫外分光光度法对六种灵芝的多糖含量的测定5 26 3 本章小结5 4v i i广东工业大学硕士学位论文结论5 5参考文献5 7攻读硕士学位期间发表的论文6 2独创性声明6 3致谢6 4v i i ic o n t e n t sc o n t e n t sa b s t r a c ti nc h i n e s e ia b s t r a c t i l lc h a p t e r1i n t r o d u c t i o n 11 1a no v e r v i e wo f m o l e c u l a rf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y 11 1 1f l u o r e s c e n c ep a r a m e t e r s 11 1 2t h em o l e c u l a rs t r u c t u r ef a c t o r sa f f e c t i n gt h ef l u o r e s c e n c e 21 1 3t h ee n v i r o n m e n t a lf a c t o r sa f f e c t i n gt h ef l u o r e s c e n c ei n t e n s i t y 21 1 4s e v e r a lk i n d so ff l u o r e s c e n c ea n a l y s i sm e t h o d s 31 2t h eb a s i ct h e o r yo f p a t t e r nr e c o g n i t i o n 31 2 1c l a s s i f i c a t i o no f p a t t e mr e c o g n i t i o n 41 2 2t h ep r o c e s so f p a t t e mr e c o g n i t i o n 41 2 3t h eb a s i cm e t h o d so f p a t t e r nr e c o g n i t i o n 51 2 4c l u s t e r i n ga n a l y s i sm e t h o d s 61 3t h ea p p l i c a t i o ni nc l a s s i f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no ft h em a t e r i a lo ff l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y 81 4s i g n i f i c a n c eo f t o p i c sa n dc o n t e n t so f r e s e a r c h 1 0c h a p t e r2d e s i g no fp r o g r a mf o re x t r a c t i n gc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u mo f3 - df l u o r e s c e n c ec o n t o u r 122 1n l r e e d i m e n s i o n a lf l u o r e s c e n c ec o n t o u r 。1 22 2e x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u mo f3 df l u o r e s c e n c ec o n t o u r 132 2 1p r i n c i p l e sf o re x t r a c t i n gc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u mo f3 一df l u o r e s c e n c ec o n t o u r 132 2 2e x t r a c t i o np r o g r a mo fc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u mo f3 - df l u o r e s c e n c ec o n t o u r 1 42 3t h er e c o g n i t i o ns o f t w a r eo fc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u mo f3 - df l u o r e s c e n c ec o n t o u r 172 4s u m m a r y 18c h a p t e r3c h a r a c t e r i s t i cs p e c t r ar e g u l a r i t yo f3 - df l u o r e s c e n tc o n t o u ro fd i f f e r e n tt y p e so fb e v e r a g e s 19广东工业大学硕士学位论文3 1e x p e r i m e n t 1 9：；1 1s a m p l e sa n ds o u r c e s 19：；1 2i n s t r u m e n t sa n dw o r k i n gc o n d i t i o n s 2 03 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 2 13 2 1t h ec o n t o u rm a p so f d i f f e r e n tb e v e r a g es a m p l e s 2 13 2 2c h a r a c t e r i s t i cs p e c t r ar e g u l a r i t yo f3 一df l u o r e s c e n tc o n t o u ro f b e v e r a g es a m p l e s 2 33 2 3c l u s t e r i n ga n a l y s i so ns o f td r i n k sb yu s i n gt h ea v e r a g ec o r r e l a t i o nc o e t t i c i e n tm e t h o d 2 53 3s u m m a r y 2 7c h a p t e r4t h eh o r i z o n t a ld i s t a n c ec l u s t e r i n ga n a l y s i so ft r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ei n j e c t i o n 2 84 1e x p e r i m e n t 2 94 1 1s a m p l es o u r c e s 2 94 1 2e q u i p m e n ta n dw o r k i n gc o n d i t i o n s 2 94 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 3 04 2 1c o m p a r i s o no f3 一df l u o r e s c e n c es p e c t r u mo fd i f f e r e n tk i n d so ft r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ei n j e c t i o n 3 04 2 2c o m p a r i s o no f3 - df l u o r e s c e n c es p e c t r u mo fs a m ek i n do ft r a d i t i o n a lc h i n e s em e d i c i n ei 巧e c t i o nf r o md i f f e r e n tp r o d u c e r s 3 24 2 3t h eh o r i z o n t a ld i s t a n c ec l u s t e r i n ga n a l y s i so f3 0i n j e c t i o ns a m p l e s 3 44 3s u m m a r y 3 7c h a p t e r5t h ea p p l i c a t i o no f3 - dc l u s t e r i n ga n a l y s i sm e t h o di nc l a s s i f i c a t i o na n di d e n t i f i c a t i o no fe d i b l eo i l 3 85 1e x p e r i m e n t 3 91 ；1 1s a m p l es o u r c e s 3 91 ；1 2e q u i p m e n ta n dt e s tc o n d i t i o n s 4 05 2r e s u l t sa n dd i s c u s s i o n s 4 05 2 13 - df l u o r e s c e n c em a pa n dc o r r e s p o n d i n gc o n t o u rm a po fs e v e r a le d i b l eo i ls a m p l e s 4 0xc o n t e n t s5 2 2t h ee x t r a c t i o no fc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u mo f3 df l u o r e s c e n c ec o n t o u r 4 25 2 3t h e3 - dc l u s t e r i n ga n a l y s i so fs a m p l e so nt h eb a s i so fc o n t o u rc h a r a c t e r i s t i cs p e c t r u m 4 35 3s u m m a r y 4 5c h a p t e r6d e t e r m i n a t i o no fd i f f e r e n tk i n d so fg a n o d e r m al u c i d u mp o i y s a c c h a r i d e sc o n t e n tb yf l u o r e s c e n c es p e c t r o m e t r y 4 66 1e x p e r i m e n t a lp r i n c i p l e s 4 76 2e x p e r i m e n t a lm e t h o d sa n dr e s u l t s 4 86 2 1p r i m a r ye q u i p m e n ta n dt e s tc o n d i t i o n s 4 86 2 2r e a g e n ta n dc o n f e c t 4 86 2 3t e s t i n gs a m p l e s 。4 86 2 4t h ed e t e r m i n a t i o no fe x p e r i m e n t a lo p t i m u mc o n d i t i o n s 4 96 2 5t h es t a n d a r dc u r v e so ff l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p y 516 2 6t h ed e t e r m i n a t i o no fs i xk i n d so fg a n o d e r m al u c i d u mp o l y s a c c h a r i d ec o n t e n tb yf l u o r e s c e n c es p e c t r o s c o p ya n du vs p e c t r o p h o t o m e t r y 5 26 3s u m m a r y 5 4c o n c l u s i o n 5 5r e f e r e n c e s 5 7p u b l i c a t i o n s 6 2o r i g i n a ls t a t e m e n ta c k n o w l e d g e m e n t 6 3a c k n o w l e d g e m e n t 6 4x i第一章绪论第一章绪论1 1 分子荧光光谱法概述光谱法是以光的吸收、发射和拉曼散射等作用，通过检测光谱的波长和强度而建立的光分析方法。光谱法包括：原子发射光谱法、原子吸收光谱法、x 衍射光谱法、分子荧光和磷光光谱法、化学发光分析法、紫外一可见吸收光谱法、红外光谱法、拉曼光谱法、核磁共振波谱法等n 1 。分子荧光光谱是由于某些物质被紫外光照射激发后，在回到基态的过程中发射出比原激发波长更长的荧光而产生的。分子荧光光谱具有高灵敏度和高选择性，可以用于研究荧光物质的结构，尤其适合生物大分子的研究，同时通过测量荧光强度可以进行定量分析的研究。荧光属于光致发光，包括两种辐射跃迁过程，即激发过程和发射过程，因而具有激发光谱和发射光谱这两种特征光谱。通过测量荧光体的荧光强度随激发光波长而变化的光谱，称为激发光谱；通过测量荧光体的荧光强度随发射光波长而变化的光谱称为发射光谱。任何具有荧光的分子都具有这两个特征光谱。1 。1 1 荧光参数1 、激发光谱。激发光谱是引起荧光的激发辐射在不同波长的相对效率。激发光谱的形状与测量时选择的发射波长无关，但其相对强度与所选择的发射波长相关。2 、发射光谱。发射光谱是由于分子吸收辐射后再发射的结果。3 、荧光强度。荧光强度与此种化合物的吸收系数、含量及荧光量子产率等参数有关。4 、斯托克斯( s t o k e s ) 位移。斯托克斯位移是最大发射波长和最大激发波长之差。荧光物质的发射波长总是大于激发波长。5 、荧光量子产率由。荧光量子产率是研究弛豫过程和光化学历程的重要参数，l广东工业大学硕士学位论文它表示物质将吸收的光能转化成荧光的本领。巾值的大小与物质的化学结构有关。1 1 2 影晌荧光的分子结构因素并不是任何物质都能产生荧光，能产生荧光的物质一般具有如下的分子结构特点：1 、分子中具有大的共轭冗键结构。共轭度越大，发射波长红移，发光强度增加。所以，绝大多数能产生荧光的化合物含有芳环或杂环。2 、分子具有刚性平面结构。刚性平面结构可降低分子振动，减少与溶剂的相互作用，故具有很强的荧光。3 、分子内的取代基对荧光的影响。芳环上有供电子基团，如- n h 2 、o h 、o c h 3 等，可使荧光增强。有吸电子基团，如- x 、n 0 2 、c o o h 等使荧光减弱。1 1 3 影响荧光强度的环境因素影响荧光强度的因素除了荧光物质的本身结构及其浓度外，环境也是一个很重要的因素。选择合适的条件不仅可以使荧光增强，提高测量的灵敏度，同时，还可以控制干扰物质的荧光产生，改善分析的选择性。1 、溶剂的影响。同种荧光物质在不同的溶剂中，其荧光光谱的位置和强度都可能有很大的差别，溶剂极性增大，通常使荧光光谱发生红移，荧光强度增大。2 、温度的影响。荧光强度对温度变化十分敏感。温度增加，荧光量子产率下降。这是因为温度升高，分子运动加剧，荧光分子和溶剂分子碰撞频率增多，能量在分子间传递，致使荧光减弱【2 1 。3 、溶液p h 的影响。荧光化合物在溶液中的状态不同( 如，阴、阳离子状态，中性分子状态，或者络合物状态) ，p h 值的影响也不同。一般来说，p h 值越小，氢离子与分子的供电基团络合成正离子基，而使供电性降低，从而荧光减弱。4 、氢键的影响。如果在激发之前荧光体的基态形成氢键，一般使摩尔吸光系数增大，荧光强度增大。如果在激发之后荧光体的激发态形成氢键，这时激发2第一章绪论光谱不受影响，而发射光谱会发生变化。5 、溶液荧光的淬灭。荧光分子与溶剂分子或其他分子之间相互作用，使荧光强度减弱的现象称为荧光淬灭。卤素原子、重金属离子、氧分子及硝基化合物都是很强的荧光淬灭剂。1 1 4 几种荧光分析技术1 、同步荧光分析法。荧光物质既具有发射光谱又具有激发光谱，如果采用同步扫描技术( 两个单色器同步转动) ，同时记录所获得的谱图，称为同步荧光光谱。在激发波长和发射波长存在足够大的差距时，应用同步荧光技术能有效降低散射峰的干扰。同步荧光光谱的谱图简单，谱带窄，减小了谱图重叠现象和散射光的影响，提高了分析测定的选择性，但同时同步荧光光谱损失了其他光谱带，提供的信息量减少。2 、导数荧光光谱法。导数荧光光谱法的特点是，以荧光强度对波长的导数d l l d z 代替荧光强度矗为纵坐标记录荧光发射光谱，此光谱称为一阶导数荧光光谱；若以，彬a 代替乃记录荧光光谱称为二阶导数荧光光谱，依此可得到其它高阶导数荧光光谱。利用导数荧光光谱法进行物质的测定方法称为导数荧光分析。导数荧光分析可以提高对光谱精细结构的分辨能力，减小光谱干扰。所以，导数荧光分析的抗干扰能力强，应用于多组分混合物分析，可不经分离直接进行荧光测定【3 j 。3 、三维荧光光谱技术。2 0 世纪8 0 年代，随着计算机应用的普及发展起来了三维荧光光谱技术，以荧光强度、激发光谱和发射光谱为坐标可获得三维荧光光谱图。三维荧光光谱图可用两种方式显示：三维荧光立体图和三维荧光等高线图。三维荧光光谱图可清楚表现出激发波长和发射波长变化时荧光强度的变化信息，提供了更加完整的荧光光谱信息。做为一种指纹鉴定技术，进一步扩展了荧光光谱法的应用范围。1 2 模式识别的基本理论模式识别发展于2 0 世纪5 0 年代初期，属于人工智能范畴，已广泛应用于自广东工业大学硕士学位论文然科学、社会科学的各个分支领域。模式的含义相当广泛，可以是数据、图形、波形、语音符号、各种物质类别等。作为一种分类与识别方法，模式识别通过对某些物理现象进行分类，在错误概率最小的条件下，使识别的结果尽量与客观事实相符【4 】。1 2 1 模式识别的分类从学习方法上来说，模式识别可分为两类：有监督学习系统和无监督学习系统。有监督学习系统要运用一组已知其类别的样本，样本在空间的分布点集叫训练集；该系统就是通过训练来获得识别的准则，再用这些准则来判决未知模式的所属类别。这种模式识别包括：线性判别，逐步判别分析，k n n 方法，s i m c a 方法，神经网络等。无监督学习系统不依赖于训练集，而在特征空间中直接寻找点群或其它可以识别的数据结构，这种识别方法又称为聚类分析。1 2 2 模式识别的过程1 、特征提取特征的提取，从某种意义上讲在模式识别中是最关键的一步。无论是识别过程还是学习过程，都要对研究对象固有的、本质的及重要的特征或属性进行量测并将结果数值化，或将对象分解并符号化，形成特征矢量或符号串、关系图，从而产生代表对象的模式【5 1 。在化学中，所用特征大体上可以分为六类：( 1 ) 拓扑特征：此类特征由分子二维联接表派生出来。如原子及键的属性，原子的联接度以及各种各样的拓扑指数等。( 2 ) 几何特征：此类特征由分子的三维模型派生出来，其中包括分子体积，分子的立体参数等。( 3 ) 电子特征：如原子电荷，原子半径，键的强度等。( 4 ) 物理化学参数：如化合物的疏水性( 切) 等。( 5 ) 化合物的谱图特征：如c 1 3n m r 共振波谱中的化学位移，质谱中的峰位( 即m e 比) 等等。4第一章绪论( 6 ) 化学组成：如某类物质的无机化学组成及有机化学组成等。2 、特征选择通常能描述对象的元素很多，在满足分类识别正确率的条件下，按某种准则尽量选用对正确分类识别作用较大的特征，使得用较少的特征就能完成分类识别任务。3 、学习和训练为让机器具有分类识别功能，应首先对它进行训练，将人类识别知识和方法以及关于分类识别对象的知识输入机器中，产生分类识别的规则和分析程序。这个过程一般要反复进行多次，不断地修正错误、改进不足，这包括修正特征提取方法、特征选择方案、判决规则方法及参数，最后使系统正确识别率达到设计要求。4 、分类识别在学习、训练之后，所产生的分类规则及程序用于未知类别的对象的识别。需要指出的是，输入机器的人类分类识别的知识和方法以及有关对象知识越充分，这个系统的识别功能就越强、正确率就越高。1 2 3 模式识别的基本方法针对不同的对象和目的，可以用不同的模式识别理论、方法。目前主流的技术是：统计模式识别、句法模式识别、模糊数学方法、神经网络法、人工智能方法。1 、统计模式识别统计模式识别技术较完善，方法很多，根本上讲，都是利用各类的分布特征进行分类识别。其中基本的技术为聚类分析法、判别类域代数界面法、统计决策法、最近邻法等。在聚类分析中，利用待分离模式之间的“相似性”进行分类，较相似的作为一类，较不相似的分开。聚类分析包括两个基本内容：模式相似性的度量和聚类算法。模式相似性测度有以下几种：距离测度，包括马氏距离、绝对值距离、切氏距离、明氏距离、欧氏距离及c a m b e r r a 距离；相似测度，包括角度相似系数、相关系数以及指数相似系数；匹配测度，有t a n i m o t o 测度、r a o 测度、简单匹配系数、d i c e 系数和k u l z i n s k y 系数。2 、句法模式识别句法模式识别也称为结构模式识别。对于较复杂的对象仅用一些数值特征已不能较充分地进行描述，这时可采用句法识别技术。句法模式识别技术将对象分解为若干个基本单元，这些基本单元称为基元；用这些基元以及它们的结构关系来描述对象，这些基元以及它们的结构关系可以用字符串或5广东工业大学硕士学位论文图来表示；然后利用形式句法语言理论进行句法分析，根据其是否符合某一类的文法而决定其类别。3 、模糊模式识别这类技术运用模糊数学的理论和方法解决模式识别问题，因此适用于分类识别对象本身或要求的识别结果具有模糊性的场合。目前，模糊识别方法较多，这类方法的有效性主要在于对象的隶属函数是否良好。4 、人工神经网络法人工神经网络是由大量简单的基本单元一神经元相互连接而构成的非线性动态系统，具有神经网络的某些特性，在自学习、自组织、联想及容错方面具有较强的能力，能用于联想、识别和决策。5 、人工智能方法人工智能是研究如何使机器具有人脑功能的理论和方法，模式识别从本质上来讲就是如何根据对象的特征进行类别的判断，因此，可以将人工智能中有关学习、知识表示、推理等技术用于模式识别。1 2 4 聚类分析方法聚类分析是模式识别中无监督学习方法的一种，是数理统计中的一种方法，特别适用于样本归属不清楚的情况，它所基于的主要思想是在多维空间中，同类样本应靠的近些；相反，不同类的样本应离得远些。聚类分析即为如何使相似的样本“聚”在一起，从而达到分类的目的。聚类分析中常用的相似性测度包括：相似系数和距离 6 1 。1 2 4 1 相似系数相似系数测度，包括角度相似系数( 夹角余弦) 、相关系数以及指数相似系数。1 夹角余弦：如对两张谱图进行比较时，若c o s a = 1 ，则说明两张谱图完全相同；若c o s a = o ，则完全不同。夹角余弦的计算方法见公式( 1 1 ) 。c o s a 矿2hk = l6( 1 1 )第一章绪论2 相关系数：计算见公式( 1 2 ) 。勺2窆g 庙xs x x 膳一；，)k = l( 1 2 )3 指数相似系数：计算公式如下，其中& 表示第k 个变量的标准偏差。铲! 争e 丢学( 1 3 )白2 吉善e4 q 3 1 2 4 2 足巨离手0 据距离测度，包括明氏距离、绝对值距离、欧氏距离、马氏距离等。1 明考斯基( m i n k o s k i ) 距离：岛= 圈x j k - - x j k l k = lm j4 ，当q = l 时，为绝对值距离：d o = i x 址一i( 1 5 当q = 2 时，为欧式距离：卟跃习( 1 6 )2 _ r 5 氏距离用矿表示协方差阵，它的元素用v ，表示v 扩= 击喜g 材一一x ，x x 茸一一x ，)m 7 ，其中，i 1 为变量数，如果v 的逆矩阵存在，则马氏距离为d o = ( x ；一x ，) v d g ，一x ，) ，7( 1 8 )广东工业大学硕士学位论文1 3 荧光光谱技术在物质分类鉴别中的应用荧光光谱可用于检测含芳烃基团的有机化合物和它们的烷基同系物，是一种灵敏、快速和简便有效的方法。传统的荧光分析法比较重视用二维荧光光谱对物质进行定量和定性分析，但荧光强度是激发波长和发射波长的函数，这种仅在某一激发或发射波长下扫描的结果，并不能完整地描述物质的荧光特征，难以满足当今分析任务的要求。2 0 世纪8 0 年代，随着计算机应用的普及发展起来了三维荧光光谱技术。通常，三维荧光光谱是指荧光强度随激发波长( e x ) 和发射波长( e m ) 而变化的光谱，它是通过不断改变激发光波长而获得的一系列荧光发射强度的光谱数据，这些数据可用如图1 - 1 所示的三维立体图( e x - e m - i f ) 或平面等高线图( e x e r a ) 的形式显示出来【_ 7 1 。与传统荧光法相比较，三维荧光光谱可完整地表现出激发波长和发射波长变化时荧光强度的变化信息，提供了更加完整的荧光光谱信息。印| l d-2 00图1 - 1 三维荧光光谱a 立体图：b 等高线图f i g 1 - 13 一df l u o r e s c e n c es p e c t r aa3 - df l u o r e s c e n c em a p ；bc o n t o u rm a p三维荧光光谱作为一种很有价值的光谱指纹技术，可对富含多环芳烃( p a h )的各种物质进行指纹分析，基于此，许多学者利用三维荧光光谱技术对多种物质进行分类鉴别。在油气属性判别方面，宋继梅掣8 1 在对油气三维荧光等高线图分8第一章绪论析的基础上，提出了油气的共性峰和不同性质原油的特征峰，为石油、天然气的勘探、开发提供了有价值的资料；陈银节等【9 】通过三维荧光等高线图及立体图的峰位置、荧光强度、主峰陡峭等参数建立了对油气属性判别的定量标准。周洵琪等【l o 】提取三维荧光谱的特征参量，进行比较分析，对埕岛油田及周边油区共9 0个油样所处井群或区域进行了识别，考核结果正确。燕子杰等【l l j 利用三维荧光光谱对胜利油田中不同的原油性质进行了判别。田广军等【1 2 】对煤油和柴油的三维荧光光谱进行了特征提取，实现了油种的鉴别。杨仁杰等【1 3 】也研究分析了市场上柴油的真伪，应用的是三维荧光光谱差谱技术，这对维护市场稳定具有重要的意义。在水环境监测方面，钟润生等【1 4 】通过比较三维荧光指纹图谱的峰位置和荧光强度的不同，实现了对水中溶解性有机物的分类。q i a n q i a n z h a n g 等【15 j 对三维荧光等高线图的分析成功地实现了对水中不同浮游植物鉴别。马伟华等【1 6 j 将小波变换与神经网络相结合，对浮游植物活体的三维荧光光谱进行分类识别，平均识别率高达9 5 8 。李宏斌等【1 7 】通过实验表明三维荧光光谱技术用于水污染监测，能快速地分辩出水中污染物的种类，并能较准确地计算出它们的浓度。苏荣国等【18 】基于有毒赤潮藻的三维荧光光谱及主成分分析方法，对6 种有毒赤潮藻进行识别测定，有毒赤潮藻的识别正确率芝8 0 。g u o p i n gs h e n g 等【1 9 】通过研究废水的厌氧和喜氧污泥中提取出的细胞外聚合物( e p s ) 的三维荧光光谱，得出三维荧光光谱是鉴