（生物医学工程专业论文）现代近红外光谱仪器定标和模型传递.pdf

a b s t r a c t s i n c et h ef i f t i e so ft h e 2 0 “c e n t u r y , t h e n e a r i n f r a r e d ( n i r ) s p e c t r o s c o p i c i n s t r u m e n th a sb e e ni m p l e m e n t e di nt h ea n a l y s i so fa g r i c u l t u r a lp r o d u c t s h o w e v e r ， o n l ya f t e rt h e 19 8 0 sh a dt h em o d e mn i r s p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n tb e e nr e a l i z e db y o r g a n i c a l l yc o m b i n i n gt h ed i g i t a ls p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n tw i t hc h e m o m e t r i c s t h e m o d e r nn i rs p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n th a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ya n db e c o m et h e m o s ta t t r a c t i v es p e c t r o s c o p i ca n a l y s i st e c h n o l o g ys i n c et h e19 9 0 s t h ee s s e n t i a l c o n f o r m i t y o f s p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n t s ，s p e c t r o s c o p i c d a t a p r o c e s s i n gs o f t w a r e ( e s p e c i a l l yt h ec h e m o m e t r i c ss o f t w a r e ) ，a n ds a m p l em o d e l si s r e q u i r e df o rt h ei m p l e m e n t a t i o no fm o d e m n i r s p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n t s t h o u g h t h ed e s i g no fm o d e mn i ri n s t r u m e n td e m a n d st h eh i g hq u a l i t yo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r e ，t h ek e yh a sb e e nf o c u s e do nt h ea d o p t a b l ec a l i b r a t i o n a n di t st r a n s f e r m e t h o d sc o n s i d e r i n gt h em a t u r i n gh a r d w a r et e c h n o l o g y h e n c e ，ad e e pr e s e a r c hh a s b e e nc o n d u c t e di nt h ec a l i b r a t i o na n di t st r a n s f e ro fn i rs p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n t si n t h i sd i s s e r t a t i o n t h em a i nr e s e a r c h t e c h n i q u e s i nt h i st h e s i si n c l u d ew a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) ， p r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n ( p c r ) ，s l o p e b i a sc o r r e c t i o nm e t h o d ，a n dt h es h a n k a l g o r i t h m t h eb a s i cw o r k i nt h ep r o j e c ti sa sf o l l o w s ， 1 ) b yi n t r o d u c i n g w tt ot h e p r e p r o c e s s i n g o fn i rs p e c t r o s c o p i cd a t a ，t h e i m p o r t a n c eo fp r e p r o c e s s i n ga n de f f e c t so fd i f f e r e n tp r e p r o e e s s i n gs t r a t e g i e s a r e d i s c u s s e dw i t hf i n a lp r o c e s s i n gr e s u l t s ； 2 ) b yu s i n gp c r i nt h ec a l i b r a t i o na n dp r e d i c t i o no ft h en i rs p e c t r o s c o p i cd a t a a t t a i n e dw i t hf o u r i e rt r a n s f o r ma n dg r a t i n gi n s t r u m e n t sr e s p e c t i v e l y , ac o m p l e t e p c r m o d e l i n gm e t h o d o l o g y i sb u i l t 3 ) ap r e l i m i n a r yr e s e a r c ho n t h et r a n s f e ro ft h ef o u r i e rs p e c t r o s c o p i cc a l i b r a t i o nt o t h ee f f e c tc a l i b r a t i o ni s d o n e b ye m p l o y i n g s h e n ka n ds l o p e b i a st r a n s f e r a l g o r i t h m s ，w h o s ei m p a c t sa r e d i s c u s s e dw i t ht h e i rp r o c e s s i n gr e s u l t sr e s p e c t i v e l y t h ei n n o v a t i o no ft h i sr e s e a r c hl i e si n ， l 、i n t r o d u c t i o no ft h eg a u s s i a nf i r s ta n ds e c o n dr a n k sw t t ot h ep r e p r o c e s s i n go f s p e c t r o s c o p i cd a t a ，s a t i s f a c t o r ye f f e c ti sr e c e i v e d 2 ) t h es h e n ka l g o r i t h m i su s e df o rt h et r a n s f e ro ft h e f o u r i e rt r a n s f o r m s p e c t r o s c o p i cc a l i b r a t i o nt ot h eg r a t i n g c a l i b r a t i o n k e yw o r d s ：n e a ri n f r a r e d ( n i r ) ，n i rs p e c t r o s c o p i ci n s t r u m e n t ，w a v e l e tt r a n s f o r m ( w t ) p r i n c i p a lc o m p o n e n tr e g r e s s i o n ( p c r ) ，c a l i b r a t i o nt r a n s f e r , s h e n ka l g o r i t h m 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卜进行的研究t 作和取得的 研究成果，除了文。p 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，也不包含为获得基盗盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同 ! ：作的同志对本研究所做的任何贡献均己在沦文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高荣旌 签字日期： 口舌弓年月彦f 1 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘鲎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：高荣琵 导师签名 学位论文作者签名：尚彖强1 导师签名 签字f 1 期：z 彬年月多日签字日期：k 诲1月6h 第一章近红外光谱分析仪器概况 第一章近红外光谱分析仪器概论 1 1 近红外光谱分析仪器发展概况 近红外光( n e a ri n f r a r e d 简称n i r ) 是介于可见光( v i s ) 和中红外光( 简 写为m i r 或i r ) 之间的电磁波。美国a s t m ( a m e r i c g ns o c i e t yo ft e s t i n g m a t e r j a ls ，美国材料检测协会) 将近红外谱区定义为7 8 0 n m 2 5 2 6 n m ( 波数为 1 2 8 2 0 c m 3 9 5 9 c m 。) 。习惯上又将近红外区划分为近红外短波( 7 8 0 n m 1 1 0 0 n m ) 和近红外长波( 1 1 0 0 n m 2 5 2 6 n m ) 两个区域。 从二十世纪5 0 年代起近红外光谱仪器就在农副产品分析中得到初步应用， 但是由于近红外光谱数据处理困难的原因，在随后的2 0 多年进展不大。进入二 十世纪8 0 年代以后，随着计算机技术的迅速发展，以及通过化学讨+ 量学方法的 发展在解决光谱信息的提取及背景干扰方面取得良好效果，加之近红外光谱技术 在测试技术上所独有的特点，使人们比原来更加认识到了近红外光谱的价值，从 而进入了广泛的研究和实用阶段。数字化光谱仪器与化学计量学方法的结合标志 者现代近红外光谱仪器的形成。现代数字化近红外光谱仪器在二十世纪9 0 年代 初开始商品化，特别是近年来，现代近红外光谱技术在应用技术上获得了巨大发 展，己深入应用到许多领域，对推进生产和科研领域技术进步发挥了巨大作用。 现代近红外光谱技术是9 0 年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，国 外不少学者认为n i r 光谱技术已成为快速、实时成分分析和过程控制的最先导的 技术，是分析技术领域中的先锋和方向【l j 。量测信号的数字化和分析过程的绿色 化又使该技术具有典型的时代特征。由于近红外光在常规光纤中良好的传输特 性，使近红外光谱仪器在实时在线分析领域中得到很好的应用。在工业发达国家， 这种先进的分析仪器已普遍被人们接受【2 】【3 1 ( 例如1 9 7 8 年美国和加拿大采用近红 外法代替凯氏法，作为分析小麦蛋白质的标准方法) 。 二十世纪9 0 年代初，外国厂商就开始在我国推销近红外光谱分析仪器，但 在很长时问内，进展不大，其原因主要是：首先，现代近红外光谱分析仪器的应 用要求光谱仪器、光谱数据处理软件( 主要是化学计量学软件) 和应用样品模型 结合为一体，缺一不可。而应用样品会由于样品产地的不同而不同，国内外的样 品通常有明显差异，因此，进口的应用模型一般不适合分析国内样品。如果依靠 自己建立模型，就需要操作人员了解和熟悉化学计量学知识和软件，而以前外商 仪器代理在国内销售和技术支持方面缺乏这方面的专业人才，不能有效地对用户 进行应用介绍和培训，因此，用户对此技术缺乏全面的了解，影响到了对它的使 第一章近红外光谱分析仪器概况 用。其次，进口仪器比较昂贵，售后技术服务费用也往往超出大多用户的承受能 力。自1 9 9 5 年以来国内的许多科研院所和大专院校开始积极研究和开发适合 于国内需要的现代近红外光谱分析技术，并且做了大量有关技术和知识的普及工 作，为我国在这一技术领域的发展奠定了良好的基础，开创了崭新的局面【4 1 【”。 1 2 现代近红外光谱仪器的技术特点 近红外光谱仪器之所以成为一种快速、高效、适合过程在线分析的有利工具， 是由其技术特点决定的。近红外光谱分析的主要技术特点是【6 j ： 1 分析速度快，测量过程大多可在】分钟内完成； 2 分析效率高，通过一次光谱的测量和已建立的相应的校正模型，可同时对样 品的多个组成或性质进行测定，提供定性、定量结果： 3 分析适用范围广，通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和 胶状类等不同物态的样，光谱测量方便； 4 是一种绿色分析技术，样品测量一般勿需预处理，不需使用化学试剂或高温、 高压、大电流测试条件，分析后也不排放任何化学、生物、或电磁污染； 5 分析成本低( 无需繁杂预处理，多组分同时检测) ； 6 测试重现性好； 7 ，典型的无损分析技术( 该技术在活体分析和医药临床领域正得到越来越多的 应用) ； 8 由于近红外光在普通光纤中具有良好的传输特性，所以便于实现在线分析； 9 操作简单，对操作人员的要求比用传统方法要求低的多，简单的培训就可胜 任工作： 1 0 ，在分析与有机组分相关的物理指标时，同比其他高灵敏分析技术相比，测试 灵敏度相对较低，就对组分的分析而言，其含量一般应大于0 1 ； 1 1 需进行标样校正比对，大多时候还仅是一种间接分析技术； 1 3 近红外光谱仪器模型建立及资源共享 现代近红外光谱分析技术基于：被测量的数据( 例如：组成和各种物化性质) 和近红外光谱都是取决于样品的组成和结构。因此，通过组成和结构这内因， 在被测量数据和近红外光谱之间有着一定的联系或函数关系。使用化学计量学方 法( 先进的数学和统计方法) 确定出这些重要函数关系，即定标( 校正) ，然后， 就可以根据被测样品的近红外光谱，通过这些函数关系，快速计算出被测量的各 种性质数据。现在常用的校正方法主要有多元线性回归( m l r ) ，主成分分析( p c a ) ， 偏最小二乘法( p l s ) ，人工神经网络( a n n ) ，和拓扑( t o p o l o g i c a l ) 方法1 8 j 等。 第一章近红外光谱分析仪器概况 正是由于近红外光谱分析的应用特点和优势，在国外从二十世纪七十年代起 先后引发了三次近红外的热潮，前两次热潮都以失败告终，第三次是从二十世纪 九十年代中期至今。前两次失败的原因主要是缺乏相应的数学模型和优秀的软 件。而数学模型缺乏的主要原因是在一台仪器上丌发的一个模型建立以后一般不 能为其它同类仪器使用，而且它本身也不适宜长久的应用。 在今年第九届b c e i a 会议上近红外光谱分析仪器成为会议的热点，国外一些 光谱仪器厂商纷纷打入国内市场，新推出了便携式近红外光谱仪和中低档的傅立 叶变换透射式近红外光谱仪。国内各厂家也纷纷进行近红外仪器的研制，出现了 国产a o t f 型近红外专用品质分析仪及在线品质控制仪。近红外光谱分析技术进 行产业化主要包含两个技术，一个是光谱仪器的硬件开发设计，这在国内外都基 本上已经成熟了，另一个是近红外分析的软件资源，主要是数学定标模型。建立 优秀的近红外分析定标模型需要几个基本条件： 1 具有优秀的近红外光谱仪器，准确测定样品的近红外光谱； 2 具有丰富的样品资源，以取得样品复杂和重叠的背景信息； 3 准确测定化学值的水平以及合理利用样品资源的技术，譬如挑选代表性样品 等： 4 具有优秀的定量、定性分析软件和有经验的建模人员。 建立模型必须同时具备上述几个条件，需要耗费大量的人力、物力与财力。 因此我国在“十五”科学仪器攻关项目中设立了专题“建立与完善我国部分农产 品近红外光谱库”，以解决推广近红外技术的资源问题，从而为我国农业经济的 转型提供可靠、快速、简便的分析手段。 耗费了大量人力、物力和财力建立起来的模型如果能够长久不变地被别种类 型的仪器应用是非常有价值的。然而这不是容易的，当构成仪器的光源、光学系 统、检测器等元器件更换或者这些元器件渐渐老化，则其响应也必定会变化，如 果用原来的模型预测仪器变化后采集的光谱，会产生较大误差。即使仪器零件没 有任何更换，由于仪器温度漂移以及检测光谱时不可避免的一些主、客观差异， 也会使检测到的光谱有所差异。特别是不同厂家的仪器或者同一厂家不同型号的 仪器之间更会有差异。这样就导致建好的模型不能直接长时间宽范围内应用。解 决这一矛盾的一个有效方法是进行模型传递。 通过模型传递来实现数学模型的共享。校正模型传递技术的研究也就是近红 外光谱仪器的标准化，是将在一台仪器上建立的定性或定量校正模型通过适当的 数学算法转换后，可靠地移植到其它类型仪器上使用，从而提高模型的使用效率， 节约分析成本。对近红外分析大规模推广应用中，建立共享模型库是非常必要而 且非常有意义的j 。 第一章近虹外光谱分析仪器概况 1 4 本课题研究的主要内容 进行遗红外光谱仪器静稚广应爝关键闷遴磷究，主要楚建立校正模型和传递 横耀。通过对6 6 个小麦样品及其两组近级外光谱的具体研究解决校正模擞和模 登传递的理论分褫釉实践应用闻殛。这两缎近氛外小麦光游，一缓澎博立l 中爱换 型近红外光谱仪器采集，本文后续沦述中称为傅立叶光谱，另一组幽光栅激仪器 采集，本文詹续论述中称为光穗光谱。繇究静蠢、麦性蒺是，l 、麦蛋自矮含量。本谋 题研究工作运用的方法主要是小波变换，生成分回归算法、烈率截距模烈传递 冀法彝s h e n k 蒺登传递算法。 本论文主要完成的工作是： 1 萼l 入了，j 、滚变换光谱颈处理方法，裁处理缝累讨论了必谱预处理的重裂缝以 及不同预处理方法的效果，小波变换使用的是商斯一阶、二阶导数小波； 2 瘸主成分回归( p c r ) 雾法对嚣缝光谱数据( 撼立时变换光谱帮党掇光谱) 分 别进行了定标和预测，确立了种完熬的p c r 建模方法； 3 。对傅立时变换光谱模型囱光援光谱摸黧传递避行了初步硪究，剃翅s h e n k 算 法和斜率截距模型传递算法分别建立了传递模型，并就其结聚进行了讨论。 瘁 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 2 1 近红外光谱的产生及光谱特征 近红外光谱记录的是分子中单个化学键基频振动倍频和和频信息，它常常由 结构轻的含氢基因x h ( x - - - - c 、n 、o ) 的倍频和和频的重叠主导着，所以在 近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基因x - - h ( x = c 、n 、o ) 振动的倍频 和和频吸收。主要含氢基团和频与倍频吸收带的近似位置见表2 1 1 8 ： 表2 1 主要含氢基团和频与倍频吸收带的近似位置 c m 。im 女 基团 c hn h0 一hc hn ho h 基伸缩振动3 0 0 03 4 0 03 6 5 03 3 0 0 2 9 4 02 7 4 0 频弯曲振动1 4 5 01 6 0 01 3 5 06 9 0 06 2 5 07 7 0 0 和频4 3 4 74 5 4 55 0 0 02 3 0 0 2 2 0 02 0 0 0 一级倍频 5 7 0 06 6 0 07 0 0 01 7 5 01 5 1 51 4 3 0 二级倍频 8 7 0 01 0 0 0 01 0 5 0 01 1 5 01 0 0 09 5 0 注：表山波数和波长值非严格对应，表内c h ，n h 的弯曲振动特指剪式振动 每个近红外光谱带是若干个不同基频的倍频和和频谱带的组合，没有锐峰和 基线分离的谱峰，大量的是重叠谱峰和肩峰。影响近红外谱带位置变化的因素很 多，如氢键的影响，使谱带向长波方向移动；溶液稀释和温度升高，使谱带朝短 波方向移动。可以观察到的移动幅度在几纳米到5 0 纳米的范围。近红外光谱包 含了键强度、化学组分、电极性和氢键的信息。对于固体样品，其近红外光谱也 包含很多物理信息，如散射、漫反射、表面光泽、折光指数和反射光的偏振等。 这些使近红外光谱的解析复杂化。所以在信息提取方面近红外光谱与中红外光谱 有大的区别，通常使用的是化学计量学方法。 水虽然不是有机化合物，但是液态水的谱带较宽，纯水的o h 伸缩振动的一 级倍频约在1 4 4 0 r i m ，二级倍频在9 6 0 n m ，还有两个和频分别位于1 9 4 0 n m 和 1 2 2 0 n m 附近h 。 第二幸近红外光谱仪器测量分析原理 2 2 近红外光谱测量原理 获得近红外光谱主要应用两种技术：透射光谱技术和反射光谱技术。透射光 谱技术( 波长一般在7 0 0 n m 1 1 0 0 n m 范围内) 是指将待测样品置于作用光与检测 器之间，检测器所检测的光是与样品分子相互作用后的透射光( 承载了样品结构 与组成信息) ；若样品是混浊的，样品中有对光产生散射的颗粒，则由于光散射 的原因，光在样品中经过的路程不确定，透射光的强度与样品浓度之间的关系不 符合b e e r 定律，此时应用漫透射分析法。反射光谱技术( 波长一般在1 1 0 0 n m 2 5 0 0 n m 范围内) 是指将检测器和光源置于样品的同一侧，检测器所检测的分析 光是光源发生的光透射到样品体后，以各种方式反射回来的光。物体对光的反射 又分为规则反射( 镜面反射) 与漫反射，规则反射指光在物体表面，按入射角等于 反射角的反射定律发生的反射：漫反射是光投到漫反射体( 常是粉末或其它颗粒 组成的物体) 后，在物体表面或内部发生的方向不定的反射。应用漫反射光进行 的分析测定应称为漫反射光谱法。此外，还有把透射和漫反射分析结合在一起的 综合漫反射分析测定法、衰减全反射测定法等。 吸收光谱方法测量浓度的基本原理是朗伯比耳( l a m b e r t - b e e r ) 定律： 爿= l g ，。i ，= l g l t = 口，( 五) c ，l ( 2 1 ) j = l 其中：a ：吸光度，是波长的函数 。：入射辐射强度 ：透过辐射强度 三：光程长( m m ) c ：吸收物的浓度( m g d 1 ) 口：吸光系数 7 1 ：透过率，t = f i o ”：溶液中物质的成分数 可将比耳定律用矩阵形式表示为 式中 a 。= c 。p k m 。 ( 2 - 2 ) 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 a c 。p = k a t ia 1 2 a 2 1a 2 2 a n ia n 2 c | ic 1 2 c 2 1c 2 2 c 副c n 2 k l lk 1 2 k 2 jk 2 2 ： - k 川，2 a 代表一个样本在多个波长( 如m 个) 下进行测定，所得吸光度的数 据矩阵，c 代表n 个样本、其中每个样本由p 个组分组成的浓度数据矩阵，k 代表p 个组分在m 个波长下的吸光系数。 由此定律可知，在一定条件下( 例如样品浓度较稀时) 样品的吸光度爿与 其成分浓度c 具有很好的线性相关性，样品成分的浓度变化会引起光谱特征 吸收的变化，通过对光谱数据( 吸光度) 和样品的浓度建立线性校正模型， 利用此线性模型根据光谱数据( 吸光度) 则可预测样品成分的浓度。分析流 程如图2 1 ： 图2 - 1 线性模型方法流程图 漫反射定量分析原理：为了进行漫反射定量分析，需要引入几个漫反射光谱 参数。k 为漫反射体的吸光系数，其含义与透射光光谱的吸收系数相当，取决于 蛐掣咿。m 7 啪 舳遣”跏 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 样品的化学组成；s 为散射系数，表示由于样品对光的散射，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，反映入射光与出射光的比率： r 与s 和k 的关系为： 耻- + 筹一c 2 喇钞2 ( 2 3 ) r ：为样品厚度无穷大时的绝对漫反射率。反射吸光度a 的定义与透射光谱吸光 度相似，有： 川o s c 去= - l o g ”扣争z c 扣2 ， 陋。， 一定的k s 范围内，a 与k s 的关系可以线性表示为式( 2 - 3 ) ： a=a+b_ks(2-5) 将式2 5 变形，得到竺s = 尘茅= f ( 如) ，称为k m 函数。当散射系数s 为一 常数时。k m 函数与吸收系数k 成正比。所以有f ( r 。) = k s = b c 。这种表达形式 与比尔定律相似，不同的是系数b 不仅与摩尔吸收系数及光程有关，还与样品的 散劓系数有关。 2 3 近红外光谱分析仪器 近红外光谱仪器一般包含六个部分：光源、分光系统、样品池、检测器、数 据处理和显示设备、电源。现代近红外光谱仪器根据分光系统可分为固定波长滤 光片、光栅色散、快速傅立叶变换和声光可调滤光器( a o t f ) i 聊类型。光栅色 散型仪器根据使用检测器的差异又分为扫描式和固定光路两种。 2 3 1 近红外光谱分析仪器的主要性能指标 9 1 1 仪器的波长范围 近红外光谱仪器的光谱范围主要取决于仪器的光路设计、检测器的类型以及 光源，通常近红外光谱仪器的波长范围分两段，短波近红外光谱区域 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 ( 7 0 0 1 l o o n m ) 和长波近红外光谱区域( 1 0 0 0 2 5 0 0 n m ) 。一般来说，短波近红 外区域用于透射测试，长波近红外区域用于漫反射测试。 2 光谱分辨率 光谱的分辨率主要取决于光谱仪器的分光系统，对多通道监测器的仪器( 如： c c d ) ，还与检测器的像素有关。分光系统的带宽越窄，其分辨率越高。就光栅 型仪器而言，狭缝的设计对分辨率也有影响。对于结构比较接近的有机化合物， 要想得到准确的分析结果，就要求仪器具有高的分辨率，例如要求分辨率好于 l n m 。 3 波长准确性 光谱仪器的波长准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与浚谱峰的仪 器示值波长之差。波长的准确性对于近红外光谱仪器间的模型传递非常关键。一 般来说为了保证仪器间校正模型的有效传递，波长的准确性在短波近红外范围要 好于o 5 n m ，长波近红外范围要好于1 5 n m 。 4 波长重现性 波长重现性指对样品进行多次扫描，仪器显示谱峰位置问的差异，通常用多 次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏差表示。波长重现性是体现仪器扫 描稳定性的一个重要指标，对校正模型的建立和模型的传递都有较大的影响，也 影n 向最终分析结果的正确性。一般仪器的重现性应好于0 1 n m 。 5 吸光度准确性 吸光度准确性是指仪器对某标准物质进行透射测量，测得的吸光度值与该物 质标定值的偏差。 6 吸光度噪音 吸光度噪音是指在确定的波长范围内对样品进行长时间扫描，得到光谱的吸 光度值变动均方差。吸光度噪音是体现仪器测光稳定性的重要指标。 7 吸光度范围 吸光度范围也称光谱仪的动态范围，是指仪器测定可用的最高吸光度与最低 能检测到的吸光度之比。吸光度范围越大，可用于检测样品的线性范围也越大。 8 基线稳定性 基线稳定性是指仪器相对于确定参比物扫描所得基线的平整性，平整性可用 基线漂移的大小来衡量。基线的稳定性关系到光谱的稳定性。 9 杂散光 杂散光是指所需分析光外其他到达样品和检测器的杂光量总和，是导致仪器 测量出现非线性的主要原因，特别是对于光栅型的仪器，杂散光的控c q t t 常关键。 一般要求杂散光小于透过率的o 1 。 9 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 1 0 扫描速度 扫描速度是指在一定的波长范围内完成1 次扫描所需要的时间。 1 1 数据采样间隔 采样间隔是指连续记录两个光谱信号间的波长差。比较合适的数据采样间隔 设计应当小于仪器的分辨率。 1 2 测样方式 测样方式是指仪器可提供的样品光谱采集形式。这些形式包括透射、漫反射、 光纤测量等。 1 3 软件功能 软件是重点也是难点。软件通常由两部分组成：光谱扫描采集软件和光谱数 据分析处理软件。光谱扫描采集操作软件，可以是通用软件，甚至可以直接引用 紫外可见分光光度计的采集软件。光谱数据分析处理软件一般用来对光谱图进行 预处理、建立定性或定量校正模型，对未知样品进行预测，现在主要利用的是化 学计量学方法，偏最小二乘法( p l s ) 用的最多，效果也最好。这一部分是重中 方重。 2 3 2 光栅型近红外光谱仪器 在硬件实现上，由于光栅型近红外光谱仪器设计与紫外可见光谱仪器的设计 极为相似，所以只需要更换全息光栅、滤光片和检测器即可( 有些需要更换光源) 。 其基本构成是：光源( 卤钨灯) ，单色器( 滤光片，全息光栅) ，样品池( 参比样 品，待测样品，吸收池架) ，检测器( 光电器件：p b s 或p b s e ) ，控制线路( 放 大，滤波，a d 转换，微处理机) ，显示装置( 显示器，打印机) t l o “1 。 2 3 3 傅立叶变换型近红外仪器 傅立叶变换型光谱技术利用干涉图和光谱图之间的傅立叶变换对应关系，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。 仪器的主要光学部件是干涉仪。不同公司的仪器在干涉仪的结构设计上有所 不同。主要有两种结构：一种是双折射石英晶体棱镜干涉仪【9 】，另一种是迈克尔 逊干涉仪i l “。图2 - - 2 为双折射石英晶体棱镜干涉仪示意图，图2 - - 3 为迈克尔 逊干涉仪示意图。虽然两种干涉仪结构不同，但都是通过将光源射来的一束光分 为两束一反射光和透射光，利用两束光射到探测器上时由于它们之间存在一定的 光程差而产生干涉叠加。然后利用数学上的f o u r i e r 变换技术，对每个频率的光 强进行计算，从而得到相应的近红外光谱。 o 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 p 1p 图2 2 烈折射石英棱镜干涉仪结构示意图 l ：4 5 0 偏光镜：2 ：补偿镜；3 ：双折射棱镜；4 ：4 5 0 偏光镜 固定镜 、f ， ，、 ! 移动1 。 so 一一 m l 、 分束器 6 i 一试样 。队 图2 3 迈克尔逊干涉仪示意图 目前在近红外光谱仪器中广泛应用的迈克尔逊干涉仪的工作原理为旧：干 涉仪通过将光源射来的一束光分为两束一反射光和透射光，两束光射到探测器， 由于它们之间存在一定的光程差，产生干涉叠加。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l 2 的奇数倍时，落到检测器上的相干光 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 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v 4 距离，探测器上得到的信号强度将周期性变化。 变化方程为 i ( x ) = b ( v ) c o s ( 2 z r v x ) ( 2 - 6 ) 式中，i ( x ) 为干涉图的强度，它是光程差x 的函数，b ( v ) 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 要将式积分即可 i ( x ) = b ( v ) c 。s 2 m e v 咖 ( 2 7 ) 这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，逐渐形成零光程查处最 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 收的样品放在干涉仪的光路中，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f o u r i e r 变换技术，对每个频率的光强进行计算，从而得到我们 熟悉的红外或近红外光谱，但这种复杂的数学处理必须由计算机来完成。由于 f o u r i e r 变换的可逆性，所以由i ( x ) 就可以计算出光源的光谱分布 b ( v ) = e i ( x ) c 。s ( 2 瓜v ) d x ( 2 8 ) 由于干涉图是偶函数，因此上式可改写为 b ( v ) 2 2 r i ( x ) c 。s ( 2 n x v ) d x ( 2 - 9 ) 就得到f o u r i e r 变换光谱学的基本方程。 傅立叶变换光谱法的优点有：光束全部通过，光通量大，检测精度高；具有 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 多路通过的特点，所有频率同时测量，同时记录所有波长的信号；具有很高的分 辨能力，在整个光谱范围内分辨力一般可以达到0 i c m ；具有极高的波数准确 度：光学部件简单，只有一个动镜在实验过程中运动：使用凋制音频测量，杂 散光不影响检测。其局限性在于干涉仪中毕竟有动镜，所以仪器的在线长久可靠 性受到一定的影响，同时仪器对使用和放置的环境也有较高的要求。 2 4 化学计量学原理 2 4 】 近几年由于化学计量学的出现和应用，使得光谱分析进入了一个新时代，光 谱和化学计量学的结合己成为一种快速和高效的分析技术，即在很短时问内能够 提供出被测样品的几种甚至几十种性质数据。化学计量学是集化学、数学、统计 学和计算机学科于一体的交叉学科。 2 4 1 化学计量学基本原理 化学计量学( c h e m o m e t r i c s ) 近年来的发展为近红外光谱分析建立数学模型 提供了很多有效的定标算法。 化学计量学是对化学测量数据进行计算。就光谱分析而言，实际测得的光谱 数据不仅包括了被测样品的组成和结构信息，而且还包括了噪音，噪音包括测量 误差，不同组分之间的干扰等。由于噪音的影响，尤其在复杂分析体系中，常常 不能满足光谱分析的基础一比尔定律成立的条件。而化学计量学方法可有效地剔 除这些噪音。 常用的化学计量学方法引入了“主成分”和“得分”的概念。主成分相当于 一个度量单位，得分相当于权重。使用主成分和得分概念去表征光谱，即任何一 个原始光谱图都可以使用主成分光谱和其得分的线性组合来重建。化学计量学方 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，根据一定的规则选 取一定数目的主成分光谱重建光谱，该重建光谱最大限度地反映了被测样品的组 成和结构信息，而最小限度地包含噪音。化学计量学在光谱分析中应用包括定性 和定量分析。定性分析包括主成分分析和聚类分析。定量分析包括主成分分析和 回归分析。 2 4 2 化学计量学定量分析方法的特点 光谱定量分析是一种间接测量方法，影响模型预测能力的因素很多，其中最 为主要是浓度数据的准确度和精度及光谱测量误差。因此，要求校正集( 用来定 标的样品集) 具有代表性，具体说就是校正集应在化学成分上接近被分析的未知 样品，校正集浓度变化范围应覆盖未知样品的浓度变化。 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 在模型建立过程中，如果发现浓度残差较大的样品，应分析其原因，是来自 于光谱测量还是浓度测量，还是样品来源等。应对样品进行必要的筛选，以保证 所建立的模型具有较好的适应能力。原理上这种光谱分析方法是依靠标准测量方 法提供基础数据，因此，它的准确度不会超过标准方法。但是，由于光谱分析具 有良好的重现性，特别是对于傅立叶变换型光谱分析仪器来说，光谱重现性很好， 所以这种方法的精度一般都很高。 2 4 3 主成分分析( p c a ) 主成分分析( p 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 ) 是一种古老的多元统计分析 技术，它的中心目的是将数据降维，以排除众多化学信息共存中相互重叠的信息。 它的基本思想是将原变量进行转换，使少数几个新变量是原变量的线性组合，同 时，这些变量要尽可能多地表征原变量的数据结构特征而不丢失信息。新变量彼 此互不相关，即正交。 光谱数据中心化，即求出所有光谱的平均光谱。选取具有代表性的校正样品 光谱集，从每个光谱中减去平均光谱得到的就是中心化光谱。中心化是为了突出 光谱之间的微细差别。 p c a 采用特征值方法，特征值是以光谱吸收度值的变化为基础得到的，而不 是根据吸收度的绝对值。通过p c a 代数把光谱矩阵a 分解为多个维数较小的矩 阵的乘积。 ( 1 ) 多维空间中的主成分分析的原理 对于m 维空间中的主成分分析，将新变量p 。，p ：，p 。表示为原变量x x ：，x 。，的线性组合： 则 p l = v i l x l + v 1 2 x 2 + 。+ v l x m p 2 = v 2 1 x l + v 2 2 x 2 + 。+ v 2 m x m p m = v m l x l + v m 2 x 2 + + v m m x m 1 4 第二章近红外光谱仪器测量分析原理 约束条件 v = p = v 1 1v i2 v 2 1v 2 2 p t p 2 p = 矿y ( 1 )对于任意两个主成分 ( 2 1 0 ) v l ”j 1 + 。2 v 1 2 + - + v v 。= 0 ( 2 1 1 ) ( 2 )对任一主成分： v ，l2 + v f 22 + + v ，。2 = 1 ( 2 1 2 ) 表明在m 维空间内，新变量的系数是一m 维矢量。各矢量互为正交的，矢量为 单位长度。 可以将新变量的协方差阵表示为原变量的协方差阵： c ，= v ，( 去x o x i k ) = ”一业= v c ，y 。 ( 2 1 3 ) j ；lk = l，。i，= i p = 】 约束条件( 2 ) 表明：一v = 1 根据拉格朗日乘法： 左乘v c 。v l = v l v 1 c ，v l = v l v l = 五】( v lv 1 ) = ( 2 1 4 ) ( 2 一1 5 ) _屯 第二章近红外光谱仪器测黉分析原理 五，为本怔值，对应的矢量为本征矢量p ，称p 为主成分。 根据约束条件，用v ：，v 。，计算，可以得到 在m 空间内，可得m 个主成分，相对应m 个本任值 第一主成分包含了最大偏差量，第二主成分次之，依次类推。一般提取前几 个主成分，即将多维空间数据降低为低维空间数据。取主成分个数参考下式： 丁( ) ：圭丑芝 ( 2 1 6 ) 一般t 高于8 0 。要注意得是：不同变量的数据差异较大时，计算前应将 数据标准化处理，即变量与均值之差被标准差除，即使用相关矩阵替代上述的协 方差矩阵。 ( 2 ) 主成分分析算法 由上述计算过程，可以得出主成分分析算法的步骤：先进行数据的标准化处 理，得到矩阵z ，再计算协方差矩阵c ，根据协方差矩阵计算本征值和本征矢量。 主成分的计算方法很多，常用的是非线性迭代偏最小二乘法( n o n l i n e a ri t e r a t i v e p a r t i a ll e a s ts q u i r e s ，缩写为n i p a l s ) 加以介绍。 以对m 个变量的n 次观测值组成一个矩阵为例： x = x 1 1x 1 2 x 2 1x 2 2 。 x 2 m ： x 月m 假定爿。秩为r ，( r ，传统数学穰翟标准纯法( s t a n d a r d i z a t i o nw i t ht h ec l a s s i c a l c a l i b r a t i o nm o d e l ) ，反向数学模溅标准化法( s t a n d a r d i z a t i o nw i t ht h ei n v e r s e c a l i b r a t i o nm o d e l ) 等。第二类方法龟豫为仪器静标准亿法，具体秘方法主要鸯 s h e n k 算法和p d s 算法。无标传递方式主要的方法有基线校正和求导，m s c ( 乘 拣教秀季效巍) 纠正，f i r ( 吝疆滓毒稳瘦) 滤波，正交囱逡信号纠正，广义袋小 二乘等。 2 5 2 斜率截距校正法( s l o p e b i a sc o r r e c t i o nm e t h o d ) 籍率，截距校蠢三法阁埔嘲基本慧慧是：主仪器上用n 。个释晶建立模黧，这n 。 个建模样品的光谱在主仪器上采集，产生响应矩阵a 。，浓度向艇y 通过个参 考方法褥巍。a 。秘y 酌鼯羯系数矩终为b 。分澍在圭、款佼器上扫弦k 令标礁 化样品的光谱，粥t 。、，t 。表示，则 y m t - t m b y s t = 瓦b ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 其中y 。是个稼建豫样品峦畿谱楚终葶瑟主致嚣上建立貔模型稳黍褥到粒浓瘦 值。y 。熄同组标准化样品由从仪器上的光谱与回归系数b 相乘得到的浓度值， 并豢骜疆台仪器熬差裂考感在恣。 用一元线性回归方程来拟合y 。和y 。求得此线性方程的普通最小二乘解， 攀为这一线性摸型懿斜率彝截黪。运过颡妇系数短蓐b 秘s l o p e b i a s 铰燕顼，就