（生物医学工程专业论文）应用红外光谱技术进行中药材检测的研究.pdf

a b s t r a c t q u a l i t y c o n t r o l i st h e k e y t o m o d e r n i z a t i o n ，i n d u s t r i a l i z a t i o na n d i n t e r n a t i o n a l i z a t i o no fc h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n e c u r a t i v ee f f e c to fc h i n e s e t r a d i t i o n a lm e d i c i n ei sc o r p o r a t er e s u l to fm a n yk i n d so fc o m p o n e n t s i fo n l y q u a n t i f i c a t i o n a l l yc o n t r o l so n eo rs e v e r a lc o m p o n e n t s ，i ti sd i f f i c u l tt og e n e r a l l ys c a l e q u a l i t y , c u r a t i v ee f f e c ta n ds t a b i l i t yo fc h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n e ，s om e a s u r i n g c h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n er e g a r d i n gi ta sa ni n t e g e rb e c o m e st h ee m p h a s i so fs t u d y t r a d i t i o n a lm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g yh a ss h o r t c o m i n go fd e s t r o y i n gs a m p l e s ，h i g h c o s t ，w a s t i n gt i m e ，c o m p l e xo p e r a t i o na n do f t l i n ea n a l y s i s t h i sp a p e ri sc o n c e n t r a t e d o nm e a s u r e m e n to fc h i n e s em e d i c i n a lm a t e r i a l sb a s e do ni n f r a r e ds p e c t r o s c o p yf o ri t s l i t t l es a m p l i n g ，n op o l l u t i o n ，r a p i dm e a s u r e m e n ta n do n l i n em e a s u r e m e n t a st h eb a s i cr e s e a r c ho ff i n g e r p r i n ts p e c t r u m ，s t u d yo ne x p e r i m e n ta n dm e t h o do f c h i n e s em e d i c i n a lm a t e r i a l si n c l u d e s2p a r t s ：m i d i n f r a r e da n dn e a r i n f r a r e dr e g i o n s t r a n s m i s s i o nm o d ei su s e di nm i d i n f r a r e dr e g i o n r a d i xs a l v i a em i l t i o r r h i z a e ： b yp r i n c i p a lc o m p o n e n ta n a l y s i s ( p c a ) ，s a m p l e so fn e a rr e g i o n sa r en e a ri ns c o r e s p l o t ；b ym u l t i p l i c a t i v es c a t t e rc o r r e c t i o n ( m s c ) ，c o r r e c tr a t eo fs i m c a c l a s s i f i c a t i o n i s8 2 ；c o r r e c tf o r e c a s tr a t eo f l o g i c a l l yt r a i n e db pn e u r a ln e t w o r ki s1 0 0 b yp c a ， w i l da n dp l a n t i n gl i q u o r i c e sa r er a p i d l yd i s c r i m i n a t e d d i f f u s er e f l e c t i o nm o d ei su s e di nn e a r - i n f r a r e dr e g i o n w h e nd i f f u s er e f l e c t i o n i su s e d ，e x p e r i m e n tc o n d i t i o n ，p o w d e rs i z ea n d s a m p l i n gs h o u l db ec o n s i d e r e d ，r a d i x s a l v i a em i l t i o r r h i z a e ：b yp c a ，c l u s t e r i n gr e s u l ti sa s s o c i a t e dw i t hr e g i o n s ；b yl o g i c a l d a t ap r e d i s p o s a l ，c o r r e c tr a t eo fs i m c ac l a s s i f i c a t i o ni s9 4 ；c o r r e c tf o r e c a s tr a t eo f 仃a i n e db pn e u r a ln e t w o r ki s1 0 0 n 0 1 t n a l i z a t i o nr e d u c e sd i s t u r b a l i c ea n dm a k c s c h a r a c t e ro b v i o u ss ot h a tc l u s t e r i n gr e s u l to f w i l da n dp l a n t i n gl i q u o r i c e si si d e a l ， r e s e a r c hr e s u l t si n d i c a t et h a ti n f r a r e d s p e c t r o s c o p yc a nb e u s e dt o r a p i d l y m e a s u r et h ec h i n e s em e d i c i n a lm a t e r i a l s ，s u c ha sd i v i s i o no fc h i n e s em e d i c i n a l m a t e r i a l s ，c l a s s i f i c a t i o no fr a d i xs a l v i a em i l t i o r r h i z a eo fd i f f e r e n tp r o d u c tr e g i o n sa n d d i s c r i m i n a t i o ni nw i l da n dp l a n t i n gl i q u o f i c e s k e yw o r d s ：c h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n e ，i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，t r a n s m i s s i o n ， d i f f u s er e f l e c t i o n ，p r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤生盘茔或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一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。 学位论文作者签名：孑日逮，翮签字日期：彬厂年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘茔有关保留、使用学位论文的规定。 特授权盘盗盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：韵、惠翮 导师签名 签字日期：) 卯尸年月，日 签字日期：2 d 戽月，l = 眭乏 ，。 天律大学硕：b 学位论文 第一章绪论 1 1 研究的目的及意义 第一章绪论 中药是中华民族对世界医学界的一项巨大贡献，其在今天之所以被世人瞩 目，正是由于她是一座巨大的宝库。中药不仅在临床上对一些疑难病症、慢性病 症的治疗具有很好的疗效，而且还克服了在西医治疗中常见而又颇为棘手的药物 毒副作用、成瘾性和耐药性等问题，因此越来越受到重视f ”。 我国的中药研究已经取得了重大的进展，但在实现中药现代化并进入国际市 场方面还存在一些亟待解决的问题。过去在中药的研究上，通常是把一个成分复 杂的、完整的药材通过化学手段分离出各种可以确定其化学结构的化学成分，逐 一研究其药理作用，竭力找出“最有效”的活性成分。分析工作者沿着这条思路 力求运用各种分析检测手段测定某种活性成分，以某个或几个活性成分含量的 多少来判断某种药材的质量，结果将药材本身内部各种成分的综合作用和相互关 系割裂开来。对于中医理论指导下的中药，任何一种活性成分均不能反映中医用 药所体现的整体疗效，就是说分析的越细，目标越缩小，离中药的整体疗效的距 离越远。例如，人参、西洋参、三七同属p a n a x 属，同含人参皂苷类成分，如果 只鉴别一个或几个人参皂苷的有无，解决不了它们之间的区别 w 】。而且中药还 有许多未知的化学成分存在，所以仅仅靠测定一两种化学成分的含量往往难以反 映中药多成分、多指标和多靶点的作用特点，所以宏观的综合分析成为必然的趋 势1 4 】。本文将中药材作为一个整体来研究，采用红外光谱法和模式识别方法，进 行指纹图谱的基础研究。 指纹图谱是指中药材( 或中成药) 经过适当的处理，应用一定的分析手段得 到的能够标示该药材( 或成药) 特性的共有峰的图谱。指纹图谱1 1 前是控制中药 真伪，保证质量稳定，世界所公认的一种手段【5 】。中药指纹图谱的提出，在一定 程度上为实现通过控制中药的整体信息特征来控制其质量的方法成为可能，将为 迸一步规范和完善中药质量评价体系提供科学的技术平台。中药指纹图谱的建 立，其目的是全面反映中药所含内在化学成分的种类与数量，进而反映中药的质 量。尤其在现阶段中药的有效成分绝大多数尚不明确，采用中药指纹图谱的方式， 将有效地表征中药质量；同时指纹图谱也为国际社会所认可，有利于中药及其产 品进入国际市场1 6j 。中药指纹图谱综合地反映了中药的整体化学特征，将其用于 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 中药质量的控制可以弥补现有质量控制模式的种种弊端，确保中药材及成药的真 实、质量的稳定l ”。 采用红外光谱法无需对中药进行提取、分离等复杂的化学处理，而是直接进 行检测，因而强调中药的整体性，不丧失原本性和配伍性，以综合、宏观、非线 性的分析理念和质量控制模式来评价中药的真伪优劣，以一定的量化指标评价中 药的稳定性和致性，基本解决了质量标准化的问题。 1 2 现有的一些检测方法阻1 0 1 2 1 色谱方法 色谱技术的发展已有近2 0 0 年的历史，它是中药检测最成熟、稳定的方法， 但作为一种实验室检测方法，色谱法需要较长样品前处理时间。 薄层色谱法【l ”( t l c ) 可以提供独有的彩色图像，直观易认，尤其适合日常 分析检验和现场检验。但它是一种色谱开放系统，外界影响因素较多，带来较大 的误差，使得实验难度增加，分离能力没有柱色谱高，提供信息量有限，很难反 映多种化学成分组成的复杂体系；高效液相色谱法【1 2 】( h p l c ) 具有高灵敏度、 高分辨率，高选择性、高效、良好的重现性，应用范围广等特点，是目前最常用 的方法之一。而且相比于薄层色谱是封闭系统，在线操作外界影响因素小，色谱 稳定性好；气相色谱法【”】( g c ) 其重现性、分辨率相对来说较好，提供的信息 量大，操作简便，样品只需简单化学处理，是封闭系统色谱，外界影响因素较少， 2 0 - 一3 0 的有机化合物均可应用，尤其适合于挥发性成分或通过衍生化后能够 气化的成分的定性、定量分析，特别是气相色谱质谱一计算机联用技术的发展， 对于富含挥发油类药材的鉴别，已成为一种首选的方法；毛细管电泳法( c e ) 具有柱效高、分析速度快、毛细管清洗容易、仪器维修简单、可直接分析水溶液 等特点，适于分析“脏”样品，尤其适用于检测中草药指纹图谱，但其重现性有 待提高。 1 2 2 核磁共振法 核磁共振氢谱( 1 h - n m r ) 是鉴定有机化合物结构的重要方法之一。它可以 获得化台物的包括各类质子的化学位移、数量、耦含关系等多个结构信息。如可 以用一定程序获取植物类中药的特征性化学成分( 或化学成分组) 的总提取物， 同时这些特征的化学成分的含量是相对固定的，在规范的提取分离条件下，植物 类中药的1 h - n m r 图谱与植物品种存在着严格的对应关系，没有混淆的可能性。 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 图谱中的信号强弱反映了混合物中各组分的相对含量。研究表明，对人参、天麻、 黄连、虎杖、何首鸟和掌叶大黄等中药的1 h - n m r 图谱研究有高度的特征性和 重现性，同一品种有很好的一致性【1 6 】。但核磁共振法操作复杂，运行成本较 高。 1 2 3x 一射线衍射法 x 一射线衍射法是研究物质的物象的晶体结构的主要方法。当某一物质进行衍 射分析时，该物质被x 射线照射会产生不同程度的衍射现象。物质的组成、晶 型、分子内成键方式、分子的构型等决定该物质产生特有的衍射图谱。对于组成 复杂的中药，所得衍射图是各组分衍射效应的叠加。各种中药的组成成分各不相 同，它们的衍射图谱便各有特征，据此可实现中药的鉴别。但该方法和上面的核 磁共振方法所使用的仪器在国内尚未普及，不适宜方法的应用和推广。因此在中 药指纹图谱研究过程中不建议采用核磁共振法和x 一射线衍射法。 1 2 4 质谱法 质谱法( m a s ss p e c t r u m ，m s ) 是将中药提取液置质谱仪中进行电子轰击电 离，可获取提取液中化学成分的电子轰击质谱( e 1 m s ) 图，不同中药提取液所 含成分不同，所得质谱图显示的分子离子峰及进一步的裂解碎片峰亦各有特征， 可用以鉴别。质谱法在中药指纹图谱的研究中常常与高效液相色谱法、气相色谱 法、高效毛细管电泳法等技术联用，可对指纹图谱中的部分色谱峰无标准物质验 证的情况下，起到定性鉴别的作用。 1 2 5 紫外光谱法 紫外光谱法一般用于总提取物或部分提取物中某类成分的含量分析，在定性 实验中，可作为辅助方法。以紫外光谱为基础的导数光谱能校正无关吸收、排除 干扰，适用于亲缘关系较近且普通紫外光谱不易区分的药材。紫外谱线组法是一 种四溶剂紫外光谱综合鉴别方法，能对药材进行理想的鉴别并达到中成药质量有 效控制的目的。 1 2 6 红外光谱法 红外光谱法几乎可明确显示分子中所有主要功能基的吸收信号，可反映分子 主要骨架类型n 任何药物分子的红外光谱都具有唯一性，故主要用于指纹图谱的 分析、鉴定。但红外光谱都具有加和性，对于混合物来说，其鉴别专属性差，分 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 辨率低，需借助计算机模式识别技术或模糊数学方法进行处理。红外光谱法以其 无污染、无损伤取样、实时性、使用方便等特点成为在线检测的首选，越来越受 到人们的关注，但红外光谱法在中药指纹图谱中的应用仍然处在起步阶段，国内 只有为数不多的该方面研究，具体包括：道地山药的红外指纹图谱及聚类鉴别 1 7 - 1 8 1 、赤芍的f t i r 指纹图谱鉴别 1 9 - 2 1 1 、不同种丹参药材的近红外漫反射光谱模 式识别法鉴别【埘、红外光谱与人工神经网络相结合识别栽培、野生黄芩和粘毛黄 芩【2 3 】等。 本文定位于采用红外光谱法结合模式识别方法对中药材进行研究，为红外光 谱指纹图谱进行基础研究。 1 3 课题的研究内容 以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，本文从实验和方法两大方面对红外光谱法检测中药材进行了基础研究。实 验研究方面，中红外波段主要利用英国p e r k i ne l m e r 公司的s p e c t r u mg x i 系列 f t - i r 光谱仪，近红外方面主要利用美国n i c o l e t 公司的a n t a r i s 系列近红外f t - i r 光谱仪对中药材粉末进行研究；在方法研究方面，采用了三种不同的模式识别方 法，并且讨论了数据预处理对实验结果的影响。 本文具体内容可概括如下： 第一、中红外透射法对中药材的实验和方法研究，包括： ( 1 ) 实验条件的选择 ( 2 ) 几种根茎类中药材的实验分析 ( 3 ) 三种模式识别方法结果比较及数据预处理对结果的影响 ( 4 ) 标准化、主成分分析、人工神经网络程序的编写 第二、近红外漫反射法对中药材的实验和方法研究，包括： ( 1 ) 实验条件的选择 ( 2 ) 中药材的鉴别 ( 3 ) 丹参的产区分类以及预处理的影响 ( 4 ) 野生和栽培甘草的分类研究 天津大学硕士学位论文 第二章测量原理 第二章测量原理 本章对红外光谱法在中药分析中所涉及到的基本原理和方法以及实验中采 用的仪器和样品进行介绍，内容主要包括：分子振动基本知识、红外光谱测量原 理、傅立叶变换光谱法基本原理、实验相关仪器以及实验用样品情况。 2 1 分子振动基本知识 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量子的观点 是分子的振动状态在不同振动能级之间的跃迁而形成的。由量子力学的相关理论 畔j ，分子振动的频率包括基频、各级倍频与各种合频。分子可以通过共振吸收， 对环境中频率与分子的基频、倍频与合频相同的屯磁波产生吸收，这就是分子的 基频吸收、各级倍频吸收与各种合频吸收。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、台频振动频率相一致。分子在中红外谱区的吸收是 由于振动状态在相邻振动能级之间的跃迁而形成的，而近红外谱区的吸收是由于 分子振动的倍频或合频组合吸收所造成的p ”。 波长2 5 0 0 - - 2 5 0 0 0 n m ( 4 0 0 0 , - 4 0 0 c m 1 ) 的区域称为中红外区，绝大多数有机 化合物和无机化合物的化学键振动基频均在中红外区域出现。其中 4 0 0 0 2 5 0 0 c m 4 区域为氢键区，是c h 、n h 和o h 的伸缩振动；2 5 0 0 2 0 0 0 c m 。 区域为叁键和累积双键区；2 0 0 0 1 5 0 0 c m 1 区域为双键区，是c = o 、c = c 、c - n 、 n 0 2 和苯环的伸缩振动；1 5 0 0 - - 4 0 0 c m 。区域为单键区，是c c 、c o 、c n 、cx 等单键的伸缩振动及c h 和o - h 等含氢基团的弯曲振动。前三个区域被称为特 征频率区，15 0 0 , - 4 0 0 e m “的区域称为指纹区。出现在特征频率区中的吸收峰数目 不是很多，但具有根强的特征性。在指纹区中，吸收峰多而复杂，单个吸收峰的 特征性不强，对它们进行归类很难，但它对整个分子结构十分敏感。分子结构的 微小变化，都会引起这一区域吸收峰的变化，利用这一点，可以与红外光谱的标 准谱图比较来鉴定化合物。 波长7 8 0 - - 2 5 0 0 n m ( 1 2 8 2 0 - - 4 0 0 0 e m - 1 ) 的区域称为近红外区。近红外光谱的 信息主要是含氢基团( 如c h ，o h ，n h ，s - h 等) 分子振动的倍频与合频吸收 信息。由于近红外光谱含有丰富的物质分子结构信息，所以可以用来分析绝大多 数的化合物及其混合物的成分浓度或其它物化性质。近红外光谱与中1 ：外光谱相 数的化合物及其混合物的成分浓度或其它物化性质。近红外光谱与中红外光谱相 天津大学硕士学位论文 第二章测量原理 第二章测量原理 本章对红外光谱法在中药分析中所涉及到的基本原理和方法以及实验中采 用的仪器和样品进行介绍，内容主要包括：分子振动基本知识、红外光谱测量原 理、傅立叶变换光谱法基本原理、实验相关仪器以及实验用样品情况。 2 1 分子振动基本知识 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量子的观点 是分子的振动状态在不同振动能级之间的跃迁而形成的。由量子力学的相关理论 【2 ”，分子振动的频率包括基频、各级倍频与各种合频。分子可以通过共振吸收， 对环境中频率与分子的基频、倍频与合频相同的电磁波产生吸收，这就是分子的 基频吸收、各级倍频吸收与各种合频吸收。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、合频振动频率相一致。分子在中红外谱区的吸收是 由于振动状态在相邻振动能级之间的跃迁而形成的，而近红外谱区的吸收是由于 分子振动的倍频或合频组合吸收所造成的1 2 5 1 。 波长2 5 0 0 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 化合物和无机化合物的化学键振动基频均在中红外区域出现4 。其中 4 0 0 0 , - - 2 5 0 0 c t n l 区域为氢键区，是c h 、n h 和o h 的伸缩振动；2 5 0 0 2 0 0 0 c m 。 区域为叁键和累积双键区：2 0 0 0 1 5 0 0 c m l 区域为双键区，是c = o 、c = c 、c = n 、 n 0 2 和苯环的伸缩振动；1 5 0 0 - - - 4 0 0 c m 。区域为单键区，是c c 、c o 、c n 、c x 等单键的伸缩振动及c - h 和o h 等含氢基团的弯曲振动。前三个区域被称为特 征频率区，1 5 0 0 - 4 0 0 c m “的区域称为指纹区。出现在特征频率区中的吸收峰数目 不是很多，但具有很强的特征性。在指纹区中，吸收峰多而复杂，单个吸收峰的 特征性不强，对它们进行归类很难，但它对整个分子结构十分敏感。分子结构的 微小变化，都会引起这一区域吸收峰的变化，利用这一点，可以与红外光谱的标 准谱图比较来鉴定化合物。 波长7 8 0 , - - 2 5 0 0 n m ( 1 2 8 2 0 4 0 0 0 c m l ) 的区域称为近红外区，近红外光谱的 信息主要是含氢基团( 如c h ，o h ，n h ，s - h 等) 分子振动的倍频与合频吸收 信息。由于近红外光谱含有丰富的物质分子结构信息，所以可以用来分析绝大多 数的化合物及其混合物的成分浓度或其它物化性质。近红外光谱与中红外光谱相 天津大学硕七学位论文 第二章测量原理 比，谱峰较宽，重叠严重，而且吸收强度较弱，光谱的信噪比低，因此近红外光 谱分析技术面临着从复杂、重叠的光谱中提取微弱的化学成分变化信息，提高测 量精度的问题；近红外光谱容易受到温度、仪器、样品状态等外界因素的影响， 引起光谱不确定性；近红外光谱技术的应用需要与化学计量学方法、检测技术、 分析仪器等专业知识紧密结合【2 ”。 2 2 红外光谱测量原理 2 2 1 朗伯一比尔定律1 2 e 1 不同基团产生的光谱在吸收峰位置和强度上有所不同，根据朗伯- 比尔定律 ( l a m b e r t b e e rl a w ) ，随着样品成分组成或者结构的变化，其光谱特征也将发 生变化，这是红外光谱分析技术的理论基础。朗伯一比尔定律的数学表达式如 式( 2 1 ) ： 爿= s ；= s 争= 喜口：c ，z c z ， 其中： 而：入射光强度 五：出射光强度 a ：吸光度，是波长的函数 z ：吸收层厚度 c 。：组分f 的浓度 d ；：组分f 的吸光系数 n 透过率= 1 i o n ：溶液中的组分数 式( 2 - 1 ) 应用条件为【2 9 l ： 吸收过程中各物质无相互作用，但各种物质的吸光度具有可加和性。 辐射与物质的作用仅限于吸收过程，无荧光、散射光等化学现象。 吸收物是一种均匀分布的连续体系。 本课题的研究对象为具有复杂组分的中药材，由于各组分间可能会存在相互 干扰；另外，一些仪器、处理过程中的人为误差等会对分析结果造成影响，所以 不能简单的符合朗伯一比尔定律，处理数据时要采用一定的数据预处理和多元分 析方法。 天津大学硕士学位论文 第一二章测量原理 2 2 2 漫反射测量原理 漫反射光是光源发出的光进入样品内部经过多次反射、折射、衍射和吸收后 返回样品表面的光。因此漫反射光是分析光与样品内部分子发生作用后的光，负 载了样品的结构和组成信息。由于漫反射过程中样品与光的作用有多种形式，除 了样品的组成外，其粒径大小及分布和形状均对漫反射光的强度有一定的影响， 因此漫反射光的强度不符合比尔定律。 引入以下几个漫反射光谱参数。彭为漫反射体的吸光系数，其含义与透射光 光谱的吸收系数相当，取决于样品的化学组成；s 为散射系数，表示由于样品对 光的散射，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 的关系为： 耻，+ 善一【审2 + z 伊2 协z ， 聪为样品厚度无穷大时的绝对漫反射率。 由于聪不易测定，实际应用中测定相对漫反射率，即以一个在近红外区域 不吸收的材料作参比，如b a s 0 4 ，参比材料的聪“1 ，彤a0 ，可得到待测样品 厚度无穷大时的相对漫反射率r 。 耻甓卅善埘蚓 必 协， 反射吸光度a 的定义与透射光谱吸光度相似，有： 川曙寺= - l o g ”扣扣z c 扣2 ， 协a ， 由式( 2 4 ) 可以看出，漫反射体的反射吸光度a 与k s 的关系为一对数曲 线，见图2 1 。 天津大学硕士学位论文 第二章测量原理 k s 图2 - 1 漫反射吸光度a 与k s 的关系曲线 一定的k j s 范围内，a 与k s 的关系可以线性表示为： 将式( 2 3 ) 变形，得到： a ：a + b 鉴 s k ( 1 一r 。) 2 s 2 r 。 将式( 2 6 ) 右侧定义为一个函数，这个函数称为k m 函数。 瓶) ；等= 等 ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 当样品散射系数s 为常数时，k m 函数与吸收系数k 成正比，亦即与样 品浓度成正比，所以有： f ( r 。) = k s = 6 c ( 2 8 ) 这种表达形式与比尔定律相似，不同的是系数b 不仅与摩尔系数及光程有 关，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 样品对光的散射【3 0 】。 天津大学硕士学位论文 第二章测量原理 2 3 傅立叶变换光谱法 2 3 1 基本原理犯1 】 傅立叶( f o u r i e r ) 光谱方法利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量 干涉图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱图。和传统的色 散型光谱仪相比较，傅立叶光谱仪可以理解为以某种数学方式对光谱信息进行编 码的摄谱仪，它能同时测量、记录所有谱元的信号，并以更高的效率采集来自光 源的辐射能量，从而使它具有比传统光谱仪高得多的信噪比和分辨率；同时它的 数字化光谱数据也便于计算机的处理和演绎。这些基本优点，使傅立叶变换光谱 方法发展成为目前红外波段中最有力的光谱工具，并向可见和近紫外波段扩展， 和荧光、拉曼散射等其他光谱技术相结合。它的研究、开发和应用已经形成了光 谱学的一个独立分支傅立叶变换光谱学。 2 3 2 迈克尔逊千涉仪【3 2 】 傅立叶变换光谱仪的主要光学部件是迈克尔逊干涉仪，其基本结构如图2 - 2 所示。 图2 2 迈克尔逊干涉仪基本结构 由图可知，干涉仪系统包括两个互成9 0 0 角的平面镜、光学分柬器、光源和 检测器。两个平面反射镜中一个固定不动称为定镜，另一个沿图示方向平行移动 称为动镜，动镜在平稳的移动中要时时与定镜保持9 0 。角。为了减小摩擦，防止 振动，通常把动镜固定在空气轴承上移动。光学分束器具有半透半反性质，与动 镜和定镜呈4 5 。角放置，它将光源射来的一束光分为两束，5 0 透过，5 1 3 反射。 反射光束垂直射到定镜上，并沿原路返回分束器，并透过分柬器射向检测器。同 天津大学硕士学位论文 第二章测量原理 样透射光束投射到动镜上，其返回光束经分束器反射后投射到检测器上。这样， 射向检测器的两柬光干涉叠加，当两束光的光程差为半波长k 2 的偶数倍时，则 落到检测器上的干涉光是相长干涉，产生明线，其相干光的强度有最大值；当两 束光的光程差为半波长k 2 的奇数倍时，落到检测器上的相干光是相消干涉，产 生暗线，其相干光的强度有最小值。因此，对于一个纯单色光，在动镜连续移动 过程中将得到强度不断变化的余弦干涉波，随着反射镜动镜每移动) 4 2 距离，检 测器上得到的信号强度将周期性变化，变化方程为： a t ( x ) = d b ( v ) c o s ( 2 ； r v x ) ( 2 9 ) 式中，以纠为干涉图的强度，它是光程差工的函数，b 俐为光源( 被测对象) 的强度，它是光源频率v 的函数。显然对于一个有连续波长的多色光，其干涉图 只要将式( 2 9 ) 积分即可： ，( x ) = b ( v ) c 。s 2 m - v d v ( 2 1 0 ) 多色光的干涉图是各单色光干涉图的加和。由于零光程差时各单色光强度均 为极大值，其余部分则因相长或相消干涉强弱不同而相互抵消，结果得到一个有 中心极大值并向两边迅速衰减的对称图形。白光干涉随着谱带加宽，叠加的单色 光干涉图增加，逐渐形成零光程差处最强两边逐渐衰减的干涉图，多色光越复杂， 其干涉图越亮，两边衰减也越快。干涉图包含着光源的全部频率和与该频率对应 的强度信息，所以如将一个有红外吸收的样品放在干涉仅的光路中，会由于样品 吸收掉了某些频率的能量，结果使得所得到的干涉图强度曲线相应地产生变化， 但从这些极为相似的干涉图中直接去辨认各种强度的吸收光谱特性却是十分困 难的，包含每个频率强度信息的干涉图可凭借数学上的傅立叶变换技术，对每个 频率的光强进行计算，从而得到我们熟悉的红外光谱，但这种复杂的数学处理必 须由计算机来完成。由于傅立叶变换的可逆性，所以由删就可以计算出光源的 光谱分布： b ( y ) = i ( x ) c 。s ( 2 n x v ) a x ( 2 1 1 ) 由于干涉图是偶函数，因此上式可改写为 天津大学硕士学位论文 第二章测量原理 口( y ) = 2 f i ( x ) c 。s ( 2 n a t v ) a x ( 2 1 2 ) 式( 2 - 1 2 ) 就是傅立叶变换光谱学的基本方程。 2 3 3 傅立叶变换红外光谱仪的优点 与传统的色散型红外光谱仪相比，傅立叶变换红外光谱仪有以下一些优点： ( 1 ) 光学部件简单，只有一个可动镜在实验过程中运动。 ( 2 ) 测量波段宽，换用不同的光源、分束器和检测器，能测量至t 4 5 0 0 0 6 c m 。 整个光谱波段。 ( 3 ) 具有很高的光谱分辨能力，在整个光谱波段内分辨率很容易达到 o 1 c m 1 。 ( 4 ) 光束全部通过，光通量大，检测精度高。 ( 5 ) 具有多路通过的特点，所有频率同时测量。 ( 6 ) 扫描速度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，杂散光不易影响检测。 2 4 实验用仪器 2 4 1 中红外实验用光谱仪 本文中红外实验部分所用到的光谱仪为英国p e r k i ne l m e r 公司的s p e c t r u m g x l 系列傅立叶变换型红外光谱仪，通过仪器配套的软件s p e c t r u m 3 3 1 控制，其 工作系统如图2 3 所示。通过改变光源、分束器、检测器，以及更换不同样品池 附件，可分别实现在近红外和中红外区域的液体样品透射光谱测量和在中红外区 域的液体、固体样品衰减全反射( a t r ) 光谱测量以及固体压片透射测量。 天津大学硕士学位论文第二章测量原理 图2 - 3s p e c t r u mg x lf t - i r 光谱仪工作系统 2 4 2 近红外实验用光谱仪 本文近红外实验所用到的光谱仪为美国n i c o l e t 公司的a n t a r i s 傅立叶变换近 红外( f t _ n i r ) 光谱仪，使用仪器配套软件r e s u ni n t e g r a t i o n 3 4 1 来控制，通过 m d s ( m e t h o dd e v e l o p m e n ts a m p l i n g ) 系统选择不同的检测方式可以实现对液体 的透射和漫反射，固体粉末的漫反射和药片的透射和漫反射测量。m d s 系统见 图2 4 。 图2 4a n t a r i s 光谱仪m d s 系统 天津大学硕士学位论文 第二章测鬣原理 2 4 3 积分球 积分球”1 是一种用于光信号空间积分的特殊球形装置。信号光从散射层面发 出，经过内部积分球面进行积分。 基本原理：考虑两个不同反射层面的能量交换情况，见图2 5 ： 图2 - 5 不同反射层面能量交换 部分能量从姒，到幽2 ，转换因子： ! ! 堕罂! 鱼积， 艚2 ( 2 。1 3 ) 其中0 1 和0 ，是与垂直面的夹角。 考虑两个不同的参数烈j 和以2 在同一个反射面内的情况，见图2 - 6 ： 其中间距 图2 - 6 同一反射面内情况 s = 2 r c o s 0 1 = 2 r c o s 0 2 ( 2 - 1 4 ) 天津大学硕士学位论文第二章测量原理 d a ， 4 积2 ( 2 1 5 ) 计算结果与观察角度和距离无关，因此，球面上任何发光点，积分后都在 幽2 处接收。 如果d a l 是个无限小的区域，a ? 是一个有限小的能量交换区域，公式变为： 这个结果同样与枷无关。 蛾。：= 去l ，幽：= 刍 c z 舶， f 丽a 2 = 石a 2 ( 2 1 7 ) 其中，4 s 指整个球面积，a 2 为部分球面积，光在2 处接收。 a n t a r i s 的积分球样品模块是适用于固体和粉末样品的快捷简便的工具。通 过自带软件r e s u l t i n t e g r a t i o n 来控制实验条件。进行漫反射实验时，积分球可以 收集超过9 5 的散射光。光束直接射入球体，经过球心和蓝宝石窗进入样品。散 射光重新进入球体，球体内侧的金箔涂层收集光并将它们送入检测器。积分球示 意图见图2 7 。 图2 7 积分球示意图 积分球系统： 防刮伤的蓝宝石窗 内部用于自动采集背景的参比金箔 天律大学硕士学位论文 第二章测量原理 光谱采集范围1 2 0 0 0 3 8 0 0 c m 。 最大样品尺寸3 0 c m 3 0 c m i n g a a s 检测器 2 5 实验相关样品【3 6 】 ( 1 ) 丹参 功能与主治：祛瘀止痛，活血通经，清心除烦；用于月经不调，经闭痛经， 胸腹刺痛，热痹疼痛，心烦不眠，肝脾肿大，心绞痛。 ( 2 ) 甘草 功能与主治：补脾益气，清热解毒，祛痰止咳，缓急止痛，调和诸药；用于 脾胃虚弱，倦怠乏力，心悸气短，咳嗽痰多，四肢挛急疼痛，痈肿疮毒，缓解药 物毒性、烈性。 ( 3 ) 白芍 功能与主治：平肝止痛，养血调经，敛阴止汗；用于头痛眩晕，胁痛，腹痛， 四肢挛痛，血虚萎黄，月经不调，自汗，盗汗。 ( 4 ) 赤芍 功能与主治：清热凉血，散瘀止痛：用于温毒发斑，吐血衄血，目赤肿痛， 肝郁胁痛，经闭痛经，瘾瘕腹痛，跌扑损伤，痈肿疮疡。 ( 5 ) 大黄 功能与主治：泻热通肠，凉血解毒，逐瘀通经：用于实热便秘，积滞腹痛， 泻痢不爽，湿热黄疸，血热吐衄，目赤，咽肿，肠痈腹痛，痈肿疔疮，瘀血经闭， 跌扑损伤，外治水火烫伤，上消化道出血。 ( 6 ) 川i 芎 功能与主治：活血行气，祛风止痛。用于月经不调，经闭痛经，瘾瘕腹痛， 胸胁刺痛，跌扑肿痛，头痛，风湿痹痛。 ( 7 ) 山药 功能与主治：补脾养胃，生津益肺，补肾涩精：用于脾虚食少，久泻不止， 肺虚喘咳，肾虚遗精，带下，尿频，虚热消渴。 本章小结 光谱测量涉及的知识范围较广，因此不可能全面地进行介绍，本章只针对本 文中所涉及到的基本原理、方法和仪器进行了介绍，包括从分子振动的微观角度 对红外吸收原理本质的理解，中红外光谱和近红外光谱的特点，朗伯一比尔定律， 天津大学硕士学位论文 第二章测量原理 漫反射测量原理，傅立叶变换光谱法，实验用的主要仪器以及相关样品。 天津大学硕士学位论文 第三章模式识别方法 第三章模式识别方法 模式识别( p a t t e r nr e c o g n i t i o n ) 是一种多元分析方法，主要用于样品的分类 判别。它揭示的是事物内部规律和隐含性质，是借助数学方法和计算机技术来完 成的一种综合技术。模式识别主要用于光谱的定性分析【3 0 】。本章介绍文中用到的 几种模式识别方法。 3 1 主成分分析法 主成分分析【3 。7 】就是设法将原来具有一定相关性的众多指标，重新组合成一组 新的相互无关的综合指标( 主成分) 来代替原指标。主成分分析的中心目的是将 数据降维，以排除众多化学信息中相互重叠的信息。主成分互不相关，而且它们 的方差依次递减。在实际工作中，就挑选前几个最大主成分，虽然这样做会损失 一部分信息，但是由于这样抓住了主要部分，并从原始数据中进步提取了某些 新的信息，有利于问题的分析和处理。 设有n 个样品，每个样品观测m 项指标( 变量) ：蜀，弼，得到原 始数据资料阵： x = x 1 1x 1 2 x 2 1 x 2 2 x h lx 2三三1垒&，x：，x。， 其中x ，= x 1 f x 2 i ： x n f f = 1 ，m 用数据矩阵x 的m 个向量( 即m 个指标向量) x 。，x ：，x 。作线性组合( 即 综合指标向量) 为： 1 一| = x n * m p 巾f ( 3 1 ) l 以 水 叩 + 叶 一 一 h k h 以五 跏耽 饿 印q 一 + 凼 阢n p = | l i i “如 0 厂、l 天津大学硕士学位论文 第二章模式识别方法 约束条件： ( 1 ) 对于任意两个主成分 ( 2 ) 对任主成分： ”一样品个数，m 一变量数，- 主成分数 p p ，1 + p j z p 。2 + + p p ，。2 0 ( 3 2 ) p j + p 左+ - + p 二= 1( 3 ，3 ) 表明：在m 维空间内，新变量的系数是一牌维矢量，各矢量互为正交，矢 量为单位长度。 主成分分析的中心恩想是假设原始数据矩阵x 可分解为两个小的矩阵的乘 积( 得分矩阵和载荷矩阵的乘积) = 砰7 ，主成分可看作是原始数据矩阵x 在 新空间的投影，也就是得分矩阵n 一般取两个主成分得分作二维图，或者取三个主成分作三维图，通过图中各 样本点的聚集情况，可以将不同产地，有差异的样品进行分类。另外在使用下面 所介绍的模式识别方法进行数据处理时，将得分矩阵作为输入，可以使特征更加 明显，识别率提高。 3 2s i m c a 方法 s i m c a i 弛瑚l ( s o f ti n d e p e n d e n tm o d e l i n go fc l a s sa n a l o g y ) 法是模型分类方法， 即对每一类构造一个主成分模型，在此基础上进行样本的分类。此法在1 9 7 6 年 由瑞典学者s w o l d 提出。s i m c a 方法的特点是按样本类别分别处理样本的数据， 假定每一类样本的分布有其特有的规律性，我们可以用一个统一的线性方程近似 地描述其分布，则可按s i m c a 方法处理。 假定有咒个样本点分布在删维空间中，已知有q 类，还包括未分类的样本。 x = z l i x 1 2x l n x 2 1x 2 2x 2 月 天津大学硕士学位论文 第三章模式识别方法 月为样本数；聊为变量数( 如波长数) ；q 为类数；为类内部的样本数 对于类q ，其主成分回归模型为： x 0 = 胃+ 雠铭+ s l ( 3 4 ) 式中口一主成分数； 口一主成分参量，对应于变量f ； 拶一得分变量，对应于样本数k ： 4 。一各样本的诸变量张开的模式空间的实际维数； s 一拟合误差。 步骤： 1 对x 进行标准化。 2 交互验证法确定主成分数一。 ( 1 ) 将训练集中的某一类进行分组，分组应考虑到样本的代表性，即将划分 的任何一组样本从训练集中除去后，应不会影响到原训练集的代表性。 ( 2 ) 首先将该类的第一组样本从训练集中除