（食品科学专业论文）“镇江香醋”发酵液酒精度近红外光谱分析研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 论文以恒顺产“镇江香醋“发酵液中的酒精含量为研究对象，对发酵液的近 红外光谱定量模型进行了系统地研究，综合多学科的知识对近红外光谱数据中的 信息提取和模型建立中遇到的关键问题给出了解决方案，该研究对近红外预测模 型模型精度的提高，企业快速检测酒精含量具有重要的指导意义和参考价值。 对比了3 种发酵液样品的化学预处理方法对光谱稳定性的影响，通过对每种 样品反复测定的相对标准差来说明了光谱的稳定性，研究表明抽滤和离心处理的 发酵液样品光谱最稳定。 论文对比研究了不同的样品集划分的建模预测效果，论证了k s 样品集合划 分比传统的聚类分析方法更有助于模型精度的提高，给出了k s 划分的样品定标 集合和预测集合化学值的统计结果和3 维空间分布，进一步论证了样品集合划分 的理论合理性。 数据预处理中引进了正交信号校正来提高模型的稳健性，研究表明正交信号 校正能过滤非目标因素影响，包括与浓度阵无关的光谱信号和部分噪声信号等， 减少了建模所需的主成分数。 深入系统讨论了近红外光谱区间选择和波长优选的方法在近红外光谱分析模 型中的应用，研究给出了3 种区间选择方法和3 种波长优选的方法，并且对两类 方法进行了组合进行波长优选，探讨了将间隔偏最小二乘的方法( p l s ) 同遗传算法 相结合进行波长优选方法，通过对p l s 建模后预测效果的比较较为深入地理解了 多种波长优选方法的理论，遗传算法优选波长后由原谱的7 7 7 个波数点减少为2 9 个，而相关系数达到o 9 9 75 ，预测标准差0 0 8 25 ，明显好于全谱的p l s 模型的预 测效果。而将间隔p l s 优选波长区间后和遗传算法组合选取建模波长点时，效果 最好，预测相关系数为0 9 9 84 ，预测标准差o 0 4 86 ，相对误差1 0 9 ，好于其他 的波长优选方法的组合效果。遗传算法作为一种有效的全局搜索方法，结合p l s 校正模型的波长优化选择，能更快达到最优解，有效提高测量精度，减少建模所 用波长数，并作图说明了遗传算法在变量频率高的位置对应着光谱的特征吸收波 长，说明了遗传算法变量选择的合理性。 关键词：近红外光谱分析，化学计量学，发酵酒液，正交信号校正 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h eo b j e c t i v e sp o s s i b i l i t yo f u 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 a l y s i st e c h n i q u ei st oi n v e s t i g a t et h es p e c t r a lf o rr a p i dd c t e c t i o no f a l c o h o lc o n t e n ti n t h ea l c o h o ls p i r i t s ，t h es t u d yw a sc a r r i e do u tb ys e v e r a ls u b j e c t sm e t h o d st oc o m eu p w i t hs o l u t i o no nt h ea b s t r a c t i o no fw e a ks p e c t r a ls i g n a la n de s t a b l i s h i n gm o d e l ，t h e o p t i m i z a t i o no fr e g r e s s i o nw a v e l e n g t h t h eo p t i m i z a t i o no fr e g r e s s i o nm e t h o d s 1 1 1 e r e s u l tc a r tb ear e f e r e n c ef o re n t e r p r i s et oq u i c k l ya n dn o d e s t r u c t i v ea s c e r t a i nt h e a l c o h 0 1c o n t e n tt h em a i nr e s e a r c hc o n t e n to f t h ed i s s e r t a t i o ni n v o l v e s ： 6 0s a m p l e sw e r ec o l l e c t e di nt h i ss t u d y , 4 0s a m p l e sw e r es e l e c t e df o ri n s t r u m e n t c a l i b r a t i o na n d1 9s a m p l e sf o rp r e d i c t i o ne x c e p t1o u t l i e rs a m p l e t h ca r t i c l eg i v ea c o n t r a s tt h ed i f f e r e n tc o m p a r t m e n t a l i z i n gs a m p l es e tf o l l o w e db yd i s t i n c to u t c o m e s ， s u g g e s t i n gt h a tt h em e t h o do fk e r m a r d s t o n e ( k s ) c a np u tu pw i t l lb e t t e rr e s u l tt h a n t r a d i t i o n a lc l u s t e rm e t h o d m e a n w h i l e ，3d i m e n s i o ns p a c ed i s t r i b u t i o n so fs a m p l es e t a n ds t a t i s t i cr e s u l tw e r ep u tf o r w a r dt oa t 把s tf e a s i b i l i t yi nt h e o r y o r t h o g o n a ls i g n a lc o r r e c t i o nw a sa d o p t e di nt h ep r o c e s so fp r e t r e a t m e n tt oe n s u r e t h er o b u s t n e s so fm o d e l ，t h es t u d ys h o w e dt h a th a dt h ea b i l i t yo ff i l t e r i n gs p e c t r o s c o p y s i g n a lt h a tw a sn o tb u s i n e s so ft h ec o n t e n t ，a n dr e d u c e dt h en u m b e ro fp r i n c i p a l c o m p o n e n tf o rb u i l d i n gm o d e l g r e a te m p h a s e sw a sp l a c e do nt h en e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya r e as e l e c t i o na n d w a v e l e n g t hs e l e c t i o nu s e df o rn i r s ，t h r e ea r e as e l e c t i o nm e t h o d sa n dt h r e ew a v e l e n g t h s e l e c t i o nm e t h o d sw e r ep r o v i d e dt od e v e l o p e dt h em o d e l ，a n dt h en u m b e ro fv a r i a b l e w a sr e d u c e dg r e a t l yf r o m7 7 7t o2 9 ，m o r e o v e r , s o m em e t h o d so fa b o v ew e r ec o m b i n e d f o rw a v e l e n g t hs e l e c t i o n i ti st h ef i r s tt i m et oc o m b i n eg e n e g i ca l g o r i t h m ( o a ) a n d 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 ) f o rq u a n t i t ya n a l y s i s ，a na c c e p t a b l eo u t c o m ew a s g a i n e d w i t hc o r r e l a t i v ec o e f f i c i e n ta n dr e l a t i v e e r r o rw a so 9 9 7 5a n d1 0 9 r e s p e c t i v e l y , w h i c he s t a b l i s ht h ef o u n d a t i o no fd e t e c t i n ga l c o h o lc o n t e n to fa l c o h o l s p i r i t s k e y w o r d s ：n e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p ya n a l y s i s ( n i r s ) ，c h e r n o m e t r i c s ，f e r m e n t a t i o n a l c o h o ls p i r i t s ，o r t h o g o n a ls i g n a lc o r r e c t i o n i i 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用本授权书。 不保密口。 学位论文作者签名：删 卅年月f 7 日 指导教师签名：睁从 确年么月伊 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 日期：年月 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 在现代工业生产中，过程质量控制分析是保证产品质量，调节生产参数的关 键，在工厂的化验分析中占有很大比重。但是，目前所采用的传统分析手段大多 复杂、耗时，不能满足生产快速反应的要求，成为实现自动化生产的“瓶颈”。近 几年来迅速发展的近红外分析方法成为解决这一问题的主要手段，它快速、简便、 十分适用于在线分析，因而广泛应用于农业、食品、医药等领域中。 1 1 近红外光谱技术简介 近红外光谱分析是指利用近红外光谱区包含的物质信息，主要用于有机物质 定性和定量分析的一种分析技术。近红外光谱分析兼备了可见区光谱分析信号容 易获取与近红外区光谱分析信息量丰富的两方面的优点，加上该谱区自身具有的 谱带重叠、吸收强度较低、需要依靠化学计量学方法提取信息等特点，使近红外 光谱分析成为一种新型的分析技术。近红外( n e a ri n f r a r e d ，n r ) 光是指波长介于 可见区与中红外区之间的电磁波，其波长范围约为o 8 2 5 9 m ，波数范围约为1 2 5 0 0 40 0 0 c m l 近红外谱区于18 0 0 年被天文学家w i l l i a mh e r s c h e l 所发现uj 。在经 典定量、定性分析方面，到了1 9 世纪前期，近红外的分析已达到相当的发展；1 9 世纪中叶，有机结构分析和研究的重点逐渐转向了中红外谱区，并被广泛应用， 积累了丰富的知识。而此期间光谱学研究已有的传统模式不完全适用于近红外光 谱分析的应用，所以1 9 6 0 年w h e e l e r 称近红外谱区为“被遗忘的谱区”。 1 1 1近红外光谱分析技术的发展简史 现代近红外光谱分析是从农业分析开始的。2 0 世纪5 0 年代，美国的n o r r i s 等人开始研究用可见光透射与反射技术测定鸡蛋、蔬菜和水果的品质，但因可见 区的信息量小，研究受到限制。由于近红外谱区包含的信息比紫外、可见区丰富 的多，他们从农业分析领域中开始了用近红外谱区分析农产品的工作。n o r r i s 等注 意到水分对近红外光的强烈吸收，因此应用近红外谱区测定农产品水分含量【l 】。为 了排除样品中脂肪、蛋白质等其他成分干扰水分的测定，他们采用了类似光谱分 析中的多组分测定技术；同时测定几个波长处样品的透射率和反射率，用统计学 方法，可以分别计算出样品中的水分、蛋白质、脂肪等含量。 按照n o r r i s 的工作，1 9 7 0 年美国的一家公司首先研制了近红外品质分析仪器。 江苏大学硕士学位论文 该机使用了六个波长的窄带干涉率光片，主要用于分析农产品中水分、蛋白质等 的含量，并于1 9 7 3 年1 0 月登记了美国专利g r a i n a n a l y s i sc o m p u t e r 。这类仪器只 要经过校正，即使不熟悉光谱的人员也能迅速得到分析结果，能够满足粮库、港 口对粮食食品品质分析的要求，2 0 世纪8 0 年代，仪器分析特别是应用光谱分析领 域的有关专家开始注视近红外光谱分析技术的发展，如著名的应用光谱杂志 ( a p p l i e ds p e c t r o s c o p y ) 自2 0 世纪8 0 年代以来刊登了许多有关论文，以及一系列 评论，其中包括有机物的近红外光谱分析 2 1 、近红外定性定量分析【3 1 、近红外药物 分析1 4 及近红外反射光谱分析进展【5 等。由于光谱界、分析界与近红外应用领域 人员的合作，近红外光谱分析进一步采用了化学计量学( c h e m o m e t r i e s ) 中多元校 正方法，以及现代光学、计算机数据处理技术，使近红外光谱分析技术发展为现 代近红外光谱分析技术。1 9 8 7 年在挪威召开了第1 届近红外光谱分析国际会议， 此后近红外光谱应用的领域越来越广泛，2 0 0 1 年的1 0 届国际近红外光谱会的主题 为“用近红外光谱改变世界”( c h a n g i n gt h ew o r l dw i t hn i r ) ，该次会议上发表的论 文包括食品、精细化工、环境、化学、生命科学、化妆品等十几个领域的近红外 运用以及近红外光谱技术的研究【6 。 我国对近红外光谱技术的研究应用起步较晚，2 0 世纪7 0 年代后期才引进近红 外光谱分析仪器。1 9 8 3 年北京农业大学的严衍禄、张录达等人成立了专门傅立叶 变换近红外漫反射光谱分析研究组，对近红外漫反射光谱分析的理论作了研究； 1 9 8 9 年中国科学院的李大群，中国农科院的王文真，张玉良等人利用美国t e c h n i c o n 公司的4 5 0 型w i s a 仪器测量了大豆和小麦中蛋白质含量 7 1 ；i 9 9 4 年北京蔬菜研 究所的金同铭等人利用近红外光谱分析技术对完整草莓和黄瓜中的v c 进行了非破 坏性快速检测【8 j ；陆婉珍、袁洪福等人对c c d 近红外光谱快速测定柴油中的1 6 烷值等成分的含量进行了深入地研究，并研制了基于c c d 器件的柴油质量近红外 光谱仪【9 1 。吉林大学化学系的任玉林等对近红外在药物分析中的应用作了许多研究 工作，先后用近红外光谱快速测定了磺胺甲基恶唑、安乃近等药物中主要成分的 含量 l o , u l 。江苏大学陈斌在2 0 0 0 年用近红外光谱测定食醋中的总酸、还原糖和挥 发酸的含量，取得较好的效果【1 2 l 。江苏大学( 原江苏理工大学) 研究生熊智新采 用逐步回归的方法检测方便面的含油量【l 司； 2 0 世纪9 0 我国开始近红外光谱仪器的研制 1 4 - 1 8 。目前，我国一些高产值的产 业已经率先广泛运用近红外光谱分析技术，我国石油化工与药物生产领域开始了 近红外光谱在线分析的应用 1 9 , 2 0 1 。 2 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 近红外光谱技术的特点 近红外光谱技术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如下： ( 1 ) 分析速度快，测量过程一般可在1m i n 内完成。 ( 2 ) 分析效率高，通过一次光谱测量和已建立的相应校正模型，可同时对样 品的多个组分或性质进行测定，提供定性、定量结果。 ( 3 ) 适用的样品范围广，通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半 固体和胶状体等不同物态的样品光谱，测量方便。 ( 4 ) 样品一般不需要预处理，不需要使用化学试剂或高温、高压、大电流等 测试条件，分析后不会产生化学、生物或电磁污染。 ( 5 ) 分析成本较低( 无需繁杂预处理，可多组分同时检测) 。 ( 6 ) 测试重现性好。 ( 7 ) 对样品无损伤，可以在活体分析和医药临床领域广泛应用。 ( 8 ) 近红外光在普通光纤中具有良好的传输特性，便于实现在线分析。 ( 9 ) 对操作人员的要求不苛刻，经过简单的培训就可胜任工作。 11 3 近红外光谱技术的应用 目前近红外光谱分析技术的应用领域非常广泛。主要包括：生命科学 2 1 , 2 2 1 、 石油化q - 2 3 , 2 4 、冶金【2 5 1 、农业【2 6 】、医药 2 7 、轻工食品 2 8 - 3 0 1 、环境保护 3 1 1 等领域。 例如，在农业领域，早在1 9 7 8 年美国和加拿大就采用近红外光谱分析方法代替凯 氏法，作为分析小麦蛋白质的标准方法。近红外分析还可以用于农产品中氨基酸、 脂肪以及其它营养成份的品质分析，适合于育种、栽培和农产品加工。在食品工 业，1 9 8 7 年h a l s e y 报告了用近红外光谱分析技术测定麦芽中水分与总氨的含量 3 2 】； 1 9 8 8 年b o u v l e r 报告了用近红外光谱技术连续自动快速测定豆奶中蛋白质和水分 含量【3 3 1 。在石油化工领域，s w a r i h 和b o h a l e s 采用近红外光谱对汽油的物性如蒸汽 压、密度、馏程、干点及苯含量等进行了研究【3 4 】。在生命科学领域，近红外光谱 分析可用于皮肤组织的水分、蛋白质和脂肪的测量，乳腺癌的检查，血液的体积、 血流速度p5 1 、组织耗氧量以及血液中血红蛋白、血糖鲫等成份浓度的测定。其 中，采用近红外光谱分析技术进行人体血糖浓度的无创伤检测是目前世界瞩目的 前沿课题之一。它不仅能够实现血糖浓度及时、安全、无痛的自我监测，而且不 需要消耗品，可大大降低测试费用。同时这一理论方法的建立不仅适用于血糖， 江苏大学硕士学位论文 而且可以推广应用于体液中其它成份的无创伤检测，对医学检测技术的发展具有 重要的意义。 1 1 4 近红外光谱分析技术尚存在的问题 近红外区域的光谱特征决定了近红外光谱分析技术存在着一些技术难点。就 目前国内外近红外光谱分析的研究现状而言，虽然近红外光谱分析技术的研究领 域非常广泛，相关的研究论文和报道也比较多，但是能够成功地解决实际测量中 的技术难题，实现良好应用的案例并不多，尤其是对于复杂的测量情况( 如人体 血糖的近红外无创伤检测) 。目前，这些关键的技术基础问题尚未得到彻底解决， 严重阻碍着近红外光谱分析技术的进一步应用和发展。 近红外光谱分析技术面临的问题主要包括以下几点： ( 1 ) 由于近红外光谱区包括含氧基团不同级别的倍频和不同形式组合的合频 吸收，所以与中红外光谱相比，其谱带较宽，吸收峰重叠严重，谱带复杂，而且 吸收强度较弱，光谱的信噪比低d8 1 。因此，如何从复杂、重叠的光谱中提取微弱 的化学成份变化信息，提高测量精度，是近红外光谱分析技术中的一个技术难点。 ( 2 ) 近红外光谱容易受到测量条件( 如温度、仪器) 、样品状态等外界因素的 影响，引起以系统误差为主的光谱不确定性。例如影响近红外吸收峰位置的因素 就有很多。如氧键的影响，会使吸收峰向长波长方向移动：温度升高，会使吸收 峰向短波长方向移动口9 1 。另外，很多其它干扰信息，如散射、漫反射等现象引起 的光谱变化都会被加载到样品近红外光谱上。这些都使近红外光谱解析更加复杂 化。因此，近红外光谱分析技术需要减少外界干扰因素对测量精度的影响，排除 测量条件变化造成的测量误差，提高校正模型的稳健性。 ( 3 ) 近红外光谱分析技术的应用需要化学计量学方法、检测技术和分析仪器 等专业知识。然而目前理论研究与实际应用严重脱节，多学科交叉研究不足，使 得一些相关的技术难点很难攻克。其具体表现为，目前没有将单纯的数学方法与 物理分析相联系，使得测量结果的误差分析和测量条件、建模方法的设计与优化 均缺乏物理依据和理论指导，从而提高近红外光谱分析能力缺乏针对性和有效性。 1 2 近红外光谱技术中的化学计量学方法 以化学计量学为基础的建模分析是近红外光谱分析技术中一个重要的组成部 分。化学计量学是集化学、数学、统计学和计算机应用于一体的交叉学科。它运 用在计算机上实现的数学与统计学方法，优化化学测量过程，并从化学测量数据( 信 4 江苏大学硕士学位论丈 号) 中最大限度地提取有用的化学信息。由于近红外光谱谱峰较宽，实际样品中各 种成份的吸收峰重叠严重，化学计量学方法是对微弱化学信息进行提取和分析的 有效方法，为复杂混合物的定性或者定量分析提供了有力的工具，并在速度和准 确度方面均得到很大的提高。在分析化学领域中，化学计量学通过应用数学和统 计学方法，用最佳的方式获取关于物质系统的有关信息。化学计量学的研究内容 已经相当广泛，如：统计学方法、最优化方法、信号处理、因子分析、曲线分辨、 数据校正、模型化与参数估计、结构与活性相关、数据库及其应用、模拟识别、 人工智能，包括误差分析中的统计学方法，回归分析，相关分析，优化方法，主 成分分析法，偏最j , , - - 乘，模式识别方法，数据库、人工智能、专家系统，傅立 叶变换，化学因子分析，人工神经网络，遗传算法，模拟退火，小波分析，免疫 算法。利用化学计量学方法可以从大量的实验数据中尽可能多地提取有用信息， 实现分析工作由过去单纯的“数据提供者”到“问题解决者”的飞跃。化学计量 学在化学中已经有多方面的应用，如它能帮助化学工作者确定最优的实验方案， 提高分析测试的精密度、准确度、灵敏度以及选择性。以重叠信号解析为代表的 信号处理技术，如傅立叶变换、小波分析等滤波技术的应用，使分析测试发生了 深刻的变革化学计量学还促进了分析仪器的自动化以及智能化，由于电子计算机 技术的发展，特别是微型计算机的普及，分析方法与分析实验室的自动化程度越 来越高，采用有效的化学计量学手段可使数据的获取、处理及由分析数据加工成 有用分析信息的过程日趋自动化与智能化。由于多数情况下，样品光谱信息和化 学值之间的关联信息是既有线性成分也有非线性成分，所以线性校正和非线性校 正并用的方法是提高校正模型模型精度的有效途径。 化学计量学在近红外分析方法中占有十分重要的地位，正是由于化学计量学 和计算机的应用，才使得近红外分析方法成为一门实用性技术。近红外分析方法 中的化学计量学主要有以下5 个研究方面：谱图预处理方法、谱图压缩及信息提 取方法、定量校正方法、模式识别方法以及模型传递技术( 仪器标准化) 。 1 3 本研究的选题背景、目的和意义 中国经济的持续高速发展以及我国商品融入国际市场的进程的加速，对我国 产品的品质分析提出了迫切的要求。据我国政府部门测算，仅农产品和食品质量、 农残的快速检测仪器，全国急需1 0 万台 4 。根据国际分析界的经验，近红外光谱 分析技术作为一种快速、无损、无公害的多组分同时分析的现代技术，在农产品 江苏大学硕士学位论文 和食品质量分析方面是一种首选技术；我国政府部门对发展近红外光谱分析技术 的高度重视，近3 个五年计划内与近红外光谱分析技术相关的国家级项目达到了 数1 0 个，我国的近红外技术具有应用领域广泛、市场容量大的特点，当前是我国 发展近红外光谱分析技术的难得机遇，但是由于近红外光谱分析技术自身的困难。 目前我国的近红外商品仪器中国内产品还不多，特别是高档近红外光谱分析仪器， 大部分是国外相关公司的产品，此外许多近红外用户的使用水平相对较低，我国 还尚未建立近红外光谱分析仪器技术与应用技术的标准，因此，近红外光谱分析 技术发展的空间极大。 醋的制作工艺较为繁琐，其中发酵制酒是一个关键的环节，而且不好调控， 因此发酵液的化学成分分析对醋的成品的过程控制起着相当重要的作用，发酵酒 液中的酒精度含量是影响成品醋质量的一个重要的理化指标，如何对其进行快速、 准确的测定对降低成本、提高产品质量都具有重要的意义。测定发酵液中酒精度 的国家标准需将其过滤、蒸馏、定容，再用比重瓶法或酒精计法测定。该方法费 时、费力。传统的仪器分析方法，如气相色谱法分析酒中乙醇含量，一般操作复 杂，且仪器昂贵。因此，研究建立一种快速、准确、灵敏、简便、省时、省事、 省力、实时、实用的酒精度的测量方法具有重要的现实意义。红外光谱分析是一 种能满足测定酒精度的现代分析技术。 本研究旨在通过对“镇江香醋”发酵液的酒精度的检测，建立起一个快速，无 损、经济地检测酒精含量的方法，优化数学模型，为以后的香醋生产工序提供一个 良好的前提环境，使香醋的生产建立在科学指导的基础上，并对建立模型中的关键 的技术环节和技术手段予以讨论，为近红外光谱技术的广泛使用提供理论指导。 本论文的研究内容主要涉及以下几方面： ( 1 ) 收集发酵液样品，进行化学预处理实验，优选光谱仪器参数，采集光谱 数据； ( 2 ) 用气相色谱仪器准确测定样品的化学值； ( 3 ) 研究样品的化学预处理方法对样品稳定性的影响； ( 4 ) 研究样品集合的划分方式对模型精度的影响； ( 5 ) 引进了正交信号校正的方法来进行预处理； ( 6 ) 应用不同的波长优选的方法来进行偏最小二乘建模，比较各种方法的优劣， 引进连续投影算法来进行波长优选并和逐步回归比较。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章n i r 分析技术基本理论及应用 近红外光是指波长7 8 0 n m 25 2 6 n m 范围内的电磁波。近红外光谱的信息主要 是含氢基团分子振动的倍频与合频吸收信息。不同基团产生的光谱在吸收峰的位 置和强度上有所不同，根据朗伯一比尔吸收定律( 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，这是近红外光谱分析技术 的基础。由于近红外光谱含有丰富的物质分子结构信息，所以可用来分析绝大多 数种类的化合物及其混合物的成分浓度或者品质参数【4 1 1 。 近红外光谱分析技术是综合光谱学、化学计量学( c h e m o m e t r i c s ) 和计算机应用 等多学科知识的现代分析技术。与其它常规分析技术不同，近红外光谱分析技术 是一种间接测量技术。它是应用化学计量学方法建立校正模型( c a l i b r a t i o n m o d e l ) ， 从而实现对未知样品的定性或者定量分析。 2 1 近红外光谱分析的理论基础旧 ( 1 ) 化学基础 n i r ( n e a ri n f r a r e d ) 区从40 0 0 c m “开始，主要分析测定与含氢基团( 包括 o h ，n h ，c h 等) 有关的成份以及物理化学性质，但由于同一基团可以在本谱区 不同倍频出现，会引起多种基团谱峰的重叠，因此n i r 技术人工解析极为困难， 定量分析只能依靠计算机，所以n 破分析被称为软件技术。 ( 2 ) 数学基础 n i r 分析与吸收光谱按照比尔定律作光谱定量分析类似，也需要建立光谱参 数与样品含量间的关系标准曲线，即定标曲线，复杂样品作n i r 定量分析时， 为了解决谱区重叠与谱图不稳定的问题，必须应用全光谱的信息。因此n i r 分析 必需首先有含量或性质已知的标准样品利用化学计量学方法建立全谱区的光谱信 息与含量或性质间的数学模型。 c n l r = b o + b 4 1 + b 2 a 2 + b 3 a j + b d ( 2 - 1 ) 式中：岛一b 厂一回归系数； 爿一厂一第0 七个波长点的吸收强度； c ，r _ j 匠红外区光谱分析的某个化学成分含量。 通过对一批r 己知其化学成分含量的近红外区光谱校正，可获得k 个波长i 7 江苏大学硕士学位论文 的回归系数，再利用这个被确定的模型来预测未知样品中该化学成分的含量。因 此n i r 定量分析的关键是建立稳定的数学模型，除了要有优秀的算法软件外，特 别重要的是选择有代表性的标准样品，准确测定标准样品的化学值与建立规范的、 严格的、能重复的测试方法，每一数学模型对应一定的样品范围、仪器条件与测 试方法，每一组样品可以建立多个数学模型，因此稳定的数学模型必需通过严格 的统计检验才能确定。 因此，从某种意义上来讲，n i r 定量分析就是通过建立各种成份稳定的数学 模型的相对分析，即物质某种组分的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰 呈线性关系，利用这种线性关系，来预测未知样品中该化学成分的含量，确定回 归模型的过程其实就是定标的过程。 2 2 红外光谱吸收和分子振动能级跃迁 ( 一) 红外光谱表征 红外光谱的范围是o 7 8 10 0 0 “m ，根据产生、分离和探测红外辐射所采用的 方法以及它的用途，又将其分为近红外、中红外、远红外3 个波区，其界限如表 2 。】。 表2 一l3 个红外波区的波长和波数界限 t a b 2 1 w a v e l e n g t ho f 3i n f r a r e ds p e c t r o s c o p ys c o p ea n dw a v e n u m b e rb o u n d ( 二) 分子振动能级跃迁 依据量子力学的观点，当分子吸收红外光引起分子的简谐振动时，其能级的 跃迁要满足一定的量子化条件：a v = 1 ，即振动能级只能在相邻的位置之间跃迁。 若振动量子数由p = 0 1 改变，则其对应的能级跃迁能量差： 缸一2 去鲁c + 争一去压c 。+ 争= 去丢 c z 之， 由波尔频率方程式a e = e ，一e o = h v 。，得其振动频率： ，：上厍 ( 2 - 3 ) ，2 瓦、i 屺。3 江苏大学硕士学位论文 。称为基本振动频率，简称基频，对应的吸收谱带称为基频吸收带或基本振 动谱带。式( 2 3 ) 说明双原子分子基频大小只和连接两个原子的化学键力常数足及 折合质量芦有关。对最轻的h f 分子( 其k 值较大) ，由式( 2 2 ) 可计算出其基频带 出现在39 5 9 c m 。( 或2 5 3 1 t m ) 处，其它重的分子基频振动谱带将出现在更长的波 长区，也就是说分子的基频振动谱带都出现在波长大于2 ，5 9 m 的中红外区( m i r 区) 。 但是，实际分子的振动并不是理想的简谐振动。当分子的振幅较大，分子间 及分子内部各原子之间的相互作用，加上振动能级跃迁过程中伴随的转动能级跃 迁的影响，分子的振动将会偏离谐振子特性，其振动能量表达方程中除一次项外 还有二次项、三次项等更高次项： e ( y ) = 去j 筹 p + 争+ 吼t ( v + 一1z + 吼儿p 十争3 - = h v o 。1 ( v + 去) + 口。x 。( y + 寺) 2 十a ry 。( p + 寺) 3 + 】 ( 2 - 4 ) 式中系数t t x e x 。和吼儿是正的或负的常数，可从波动方程导出。此时分子的非谐振 性振动的量子化条件不局限于y = 1 ，还有y = 2 ，3 ，将出现分子的倍频 振动，其频率大致为基频频率的整数倍，因而导致近红外吸收谱带的出现。此外， 尚有从高于v = 0 的能级跃迁的情况，对应的谱带称为热频吸收带。多原子分子的 基频吸收谱带较多，因而在分子振动过程中出现基频的耦合，产生和频、差频吸 收带( 两者统称为合频) 。 根据非理想谐振子模型，分子的1 、2 或高级倍频略小于基频的2 、3 或多倍。 而振动间的相互作用则产生了组频。因为两能级问的跃迁几率按a v = i ，2 ，3 递 减，所以倍频峰强度小于基频的，且按倍频级数减弱，基频的强度则与同级倍频 相似。倍频的级数每增加i ，其强度降低1 个数量级，这就意味着可以采用较长的 光程测定近红外谱图，液体样品可以不经稀释直接测定，大大简化了制样步骤。 不同的官能团在近红外区域具有不同的吸收位置，表2 2 列出了各种含氢宫能 团在近红外区域的谱带归属，各类化合物及官能团的近红外光谱特征见文献。另 外，官能团的数量，相邻官能团的性质，氢键的存在也会影响谱峰的位置和强度。 因此，根据近红外谱图可以确定与化学结构相关的某些性质。但是，近红外谱峰 重叠严重，很难精确确定，因此，利用近红外分析方法测定物质性质必须借助化 学计量学方法。 9 江苏大学硕士学位论文 表2 2 各种含氢基团在n i r 区内的倍频吸收谱带归属( n m ) t a b 2 2r a n g eo f d i f f e r e n th y d r o g e n o u sr a d i c a l sf r e q u e n c ym u l t i p l i c a t i o ni nn i r 2 3 近红外透射光谱分析的检测技术 基于近红外光谱分析的检测技术大体与紫外、可见光谱分析类似。一般透射 光谱技术是把待测样品置于光源和探测器之间，探测器所检测的是透过样品的光 源光。透射测定法光路如图2 1 和图2 2 。 透镜黼也透镜 透镜黼也 图2 - 1全透射测定法图2 - 2漫透射测定法 f i 口一1 m e t h o do f f u l l t r a n s m i s s i o nd e t e c t i o n f i g2 - 2 d e t e c t i o n m e t h o d o f d i f f u s e t r a n s m i s s i o n 一束光线与介质发生作用时，除发生光的反射现象和折射现象，还将发生光 的吸收现象。对大多数介质如图2 3 ，当光在 介质中经过一段距离后，部分光能转化为热 能、电能或化学能形式。换言之，光已被物 质吸收。关于光的吸收机理，涉及到物理光 学、生物光学等其他领域的理论，有的甚至 尚未完全搞清楚。在解释光的吸收产生光电 效应时，波动光学的理论不能解释，此时光 更多地反映出粒子性。 近红外光谱定量分析的原理和可见光、 紫外光光谱的定量分析一样，也是基于朗伯 一比尔定律。 世二 图2 - 3 光在均匀介质中传播 f i g2 - 3 l i g h tt r a n s m i t si nu n i f o r m m e d i u m 朗伯能量定律给出了强度为，光在均匀物质中通过一距离x 时，疵一段距离内 江苏大学硕士学位论文 的物质吸收的光强度刃是均匀的，数学表达式为1 4 3 j ： a z i a o d x( 2 5 ) 解此微分方程得： i = i o e 一“7 ( 2 6 ) 式中：口。物质的光吸收系数； 厶入射光强； l 到达距离，处的光强； 卜一光透过物质的距离。 将式( 2 6 ) 取对数有1 0 9 。形= ，= a 的形式，常称为吸光系数，a 是透射 率倒数的对数，称为光密度或吸光度，它是物体组成和波长的函数。 比尔研究了朗伯定律在液体吸收时的实际情况后发现，吸光度除了与纯物质 的吸光系数有关外，还与溶质的浓度有关，比尔研究了这一吸光情况，导出了 如下的关系式： 一：l o g 钐：k c l ( 2 7 ) 式中：世为比例系数，它与物质的吸光系数等因素有关；三为透过液体的光程长度； c 为液体的浓度。式( 2 7 ) 反映了液体浓度与吸光度之间的数学关系，称为朗伯 比尔定律。若溶液层的厚度三一定，以纵轴表示吸光度一，以横轴表示浓度c 作图，应是通过坐标原点的一条直线，直线的斜率表示k l 的乘积。比尔定律是在 液体层的厚度不变的前提下，讨论吸光度与浓度的关系。它是朗伯定律的一个特 殊情况的应用。 上述讨论的溶液与吸光度之间的定量关系是针对单色光和单一组分的溶液得 到的结论，它的使用范围包括紫外光谱区、可见光谱区和红外光谱区。对于多组 分( 混合溶液) 而言，分析认为由于分子的红外光谱受周围分子的影响甚小，多 组分的光谱是其各组分光谱的简单算术和，就是把多组分看成每种组分有独立的 吸光度。因而朗伯比尔定律亦适用于多组分体系的定量分析畔 。 实际光谱分析中由于受制样条件、装样条件和仪器参数( 信号能量、分析光 束面积、温度和湿度) 等的影响，会使图谱发生平移、旋转以及其它变形。所谓 图谱基线平移即任一波长 处表观吸光度爿( 五) 与实际吸光度爿之间有一固定的 江苏大学硕士学位论文 偏差鲋，即： a ( a ) = 4 ( ) + 爿 ( 2 - 8 ) 所谓的图谱基线旋转是指表观吸光度4 ( ) 与实际吸光度4 之间的偏差与波长 成线性关系变化，即： a ( a ) = 4 ( ) + 七丑 ( 2 - 9 ) 近红外光谱分析系统误差中基线的平移和旋转是普遍的现象h 5 1 ，在实际分析 中，一般可采用一阶导数光谱消除基线平移的影响，采用二阶导数光谱则可以消 除基线旋转的影响。 2 4 近红外光谱定量分析( 建模) 的一般步骤 建立样品中待测组分含量与其近红外吸收光谱的关系，如图2 - 4 所示。 图2 4 近红外光谱建模过程演示 f i g2 - 4 d e m oo f n i rm o d e l i n g 2 4 1 建立定标方程 ( 1 ) 选出有代表性的一批样品( 即样品中待测组分的含量梯度分布均匀，并 且含量范围的上下限应尽可能覆盖并代表整个待测样品集) ，其中一部分作为建立 定标方程的样品集，简称定标集，定标集中的样品称为校正样品；其余的作为评 价定标方程精度的预测样品，称为预测集。 ( 2 ) 测定样品的近红外吸收光谱。对校正样品集准确扫描其规范的光谱，并 用经典的化学方法准确的测定其待测组分或性质参数，然后运用各种信息处理技 术，校正光谱的各种失真，以这种优化后的校正样品集建立的数学模型才能克服 近红外光谱测定不稳定的难点。 ( 3 ) 选用一种数学方法建立样品待测组分含量与近红外吸收光谱之间的函数 关系，即定标方程。 江苏大学硕士学位论文 2 4 2 定标方程的评价 通过预测样品的近红外吸收光谱，用定标方程计算每个样品待测组分的含量， 用统计方法比较近红外光谱预测值和化学测量值的误差，评价定标方程的预测精 度，若两者误差较小，统计结果相一致，则该定标方程可用于测定未知样品。反 之，若误差过大，则返回( 3 ) 步骤，重新进行计算。 2 4 3 定标方程用于实际预测 把未知样品的近红外吸收光谱代入经检验较好的定标方程，由此计算出待测 组分的含量，并对预测效果进行评价。 2 5 近红外光谱仪器的发展与阵列检测仪器的特点 2 5 1近红外光谱仪器发展概况 近年来，近红外光谱作为迅速崛起的光谱分析技术在分析测试领域中所起的 作用越来越引起人们关注，特别是其在工业在线分析中的应用，使工业控制能以 产品性能为参数进行优化，因而创造了可观的经济效益。n r 仪器的发展已走过 5 0 多年的历程，在这5 0 多年的时间里，尽管仪器基本原理没有大的变化，但其性 能却得到了很大提高。在现代n i r 定量分析中，是依靠在多波长下吸光度的很小 差别，因此，光谱的测量就要求仪器具有很好的信噪比和稳定性，现在，n i r 仪。 器已基本适合分析的需求，硬件的设计已使仪器具有较高的信噪比、波长精度和分 辨率，现代n i r 仪器的信噪比已接近1 0 00 0 0 ：1 ，波长精度达o 2n m ，重现性达 0 0 1n l n ，分辨率优于0 2n i n ，各种仪器附件可以很方便地对不同环境下不同物态 的样品进行分析。除此之外，随着化学计量学技术的发展，功能强大的光谱数据 处理软件采用全谱校正已使用户可以方便地进行定性和定量分析。 由于n i r 的早期应用主要集中在粮食和食品领域，用户有限，加之n i r 的光 路系统与u v 厂v i s 光谱的设计基本相同，出于商业利益的考虑，早期近红外测试都 是在u v i s 区域的延伸，再配一适当的近红外检测器，即形成u v i s n i r 分光 光度计。这类仪器作近红外测试有两个问题i 其一是由于仪器的光谱范围较宽， 从光源到分光元件的配置，缺乏对n i r 区域分析的整体优化；其二是对专门从事 n i r 分析用户，这种设计方式使仪器的造价大大提高。2 0 世纪6 0 年代末7 0 年代 初，随着n i r 在农产品分析中应用的增多，于1 9 7 1 年d i c k e y j o h r l 公司推出了第 一台专用于近红外反射分析的商业化仪器。进入8 0 年代中后期，l a i r s 的研究和 江苏大学硕士学位论文 应用日趋活跃，各仪器厂家也开始争先研制专用的n i r 仪器，国内l a i r s 仪器的 研制工作起步较晚，一些厂家和科研单位正在积极开展这方面的研究工作，并已 取得初步的成果。石油化工科学研究院与北京第二光学仪器厂联合开发研制了付 利叶变换近红外( ( f t _ n i r ) 辛烷值分析仪 4 6 ，石油科学院还自行研