（食品科学专业论文）红外光谱分析法识别蚕茧雌雄的研究.pdf

江 苏大学硕 士 学 位论文 摘要 本文以蚕茧为研究对象，结合化学计量学方法，以校正模型的预测准确率为评价指标 开展了红外光谱分析法识别蚕茧雌雄的定性研究，丰要从光谱的预处理方法、导数及平滑 处理窗口点数的选取、建模参数的选择、仪器间模型效果的比较等方面深入探讨了红外光 谱分析技术在定性检测中的几个关键问题，旨在为使用红外光谱分析技术识别蚕茧雌雄的 实用化提供前期的理论依据和具体的检测方法。主要研究工作与结论如下： 收集了5 组不同品种的蚕茧，采用w q f 4 0 0 n 傅里叶变换近红外光谱仪、n i r 2 5 6 2 2 t 2 近红外光谱仪和t e n s o r 2 7 傅立叶变换红外光谱仪等不同生产企业、不同仪器类型的近红 外仪器和中红外仪器对蚕茧样品的进行红外光谱检测。 使用t e n s o r 2 7 傅立叶变换红外光谱仪测得的蚕茧的红外光谱进行了二阶导数+ s g f 去卷积平滑+ 归一化处理，选取合适的预测样品集，建立了p l s + b p 校正模型，苏镇春光、 中系蚕茧的预测准确率分别为9 2 9 和9 4 3 。 使用w q f 4 0 0 n 傅里叶变换近红外光谱仪和n i r 2 5 6 2 2 t 2 近红外光谱仪测得的蚕茧样 品的近红外光谱分别进行了p l s 和p c a 聚类分析，结果显示两台仪器下的光谱p l s 聚类分析 好于p c a 聚类分析。对两台仪器的样品光谱数据建立了p l s + b p 校正模型，并讨论了预处理 方法窗口点数、p l s 主成分数和b p 网络隐层单元数等建模参数对模型效果的影响，由预测 准确率得出了模型参数的选取对模型的预测能力十分重要，对选取了最佳的模型参数组合 可以有效地提高模型的预测能力。最佳预测结果为：w q f 4 0 0 n 傅里叶变换近红外光谱仪 中系、日系样品预测准确率分别为9 6 0 、1 0 0 ；n i r 2 5 6 2 2 t 2 近红外光谱仪中系、皓月 菁松、菁松皓月、苏镇春光样品预测准确率分别为9 2 o 、9 0 9 、8 4 0 、9 4 3 。 对同组样品在不同仪器下建立的校正模型结果进行了比较。结果表明同组样品 w q f - 4 0 0 n 傅里叶变换近红外光谱仪模型的预测准确率高于n i r 2 5 6 2 2 t 2 近红外光谱仪， 其原因是两台仪器上和检测条件和检测方法的不一致性等造成的。 对n i r 2 5 6 2 2 t 2 近红外光谱仪皓月菁松、菁松皓月、苏镇春光样品的光谱数据合 并，得到一个3 2 5 个蚕茧的大样本数据集。用p l s + b p 法对样品建立蚕茧性别识别的校正模 型，预测准确率达至1 j 8 6 7 。结果表明运用近红外光谱分析技术对多个品种混合情况下的 蚕茧也可进行雌、雄定性检测。 综上所述，得到了大样本、小样本、多品种混合型蚕茧红外仪器测得的光谱运用 p l s + b p 建模均有较高的雌雄蚕茧预测准确率的结论，因此采用红外光谱分析法识别蚕茧 的性别是可行的，研究结果为红外光谱分析法识别蚕茧性别提供了一条新路。 关键词：蚕茧，性别，红外光谱，p l s + b p ，预测准确率 江 苏 大 学 硕士 学位论文 a b s t r a c t i nc o m b i n a t i o nw i t ht h ec h e m o m e t r i c a lm e t h o d s ，t h ei n f r a r e ds p e c t r o s c o p yo r s ) a n a l y s i s t e c h n o l o g yw a su s e df o rs t u d yo nd i s c r i m i n a t i o no fc o c o o ns e x u a l i t y , i nw h i c hap r e d i c t i n g a c c u r a c yw a su s e da st h ee v a l u a t i o ni n d e xo fc a l i b l a t i o nm o d e l i no r d e rt op r o v i d ee a r l y t h e o r e t i c a lb a s i sa n dc o n c r e t ed e t e c t i o nm e t h o df o rt h ep r a c t i c a l i t yo fc o c o o ns e x u a l i t y d i s c r i m i n a t i o n u s i n gi r sa n a l y s i st e c h n o l o g y , s e v e r a l e s s e n t i a li s s u e so ni r sa n a l y s i s t e c h n o l o g yi nb u i l d i n gt h ei rf o r e c a s tm o d e l i n gw e r ei n v e s t i g a t e di nt e t t n so ft h es p e c t r a l p r e p r o c e s s i n gm e t h o d s ，t h ed e r i v a t i v e - s m o o t h i n g w i n d o wn u m b e r sc h o i c e ，t h e b u i l d i n g p a r a m e t e r sc h o i c e t h ec o m p a r i s o no fm o d e l i n ge f f e c ta m o n gd i f f e r e n ti n s t r u m e n t s t h em a i n c o n t e n t sa n dc o n c l u s i o n sa r ea sf o l l o w s ： 5d i f f e r e n tv a r i e t i e so fc o c o o ns a m p l e sw e r ec o u e c t e df o rt h es t u d y , a n dt h ei n f r a r e ds p e c t r a o fs a m p l e sw e r ed e t e c t e db yd i f f e r e n tt y p e so fs p e c t r o m e t e r s ，n a m e l yw q f - 4 0 0 n 兀 - m 民 n i i 也5 6 2 2 t 2a n dt e n s o r 2 7f r - i r w h i c hw e r ef r o md i f f e r e n tm a n u f a c t u r e r s a l lo ft h ei n f r a r e ds p e c t r ao fc o c o o n sd e t e c t e db yt e n s o r 2 7f r - i rs p e c t r o m e t e ra f t e rt h e s e c o n dd e r i v a t i v e ，s gs m o o t h i n g ，n o r m a l i z i n ga n ds u i t a b l ef o r e c a s t i n gs a m p l es e tc h o i c e ，w e r e u s e dt ob u mf o r e c a s t i n gm o d e l ，l l s i n gp l s + b pr e g r e s s i o na n a l y s i s t h ep r e d i c t i n ga c c u r a c yo f c o c 0 0 1 1 sf r o ms u z h e n x c h u n g u a n gr a c ew a s9 2 9 ，a n dt h ep r e d i c t i n ga c c u r a c yo fc o c o o n sf r o m c h i n e s er a c ew a s9 4 3 w i t ht h ep l sc l u s t e ra n a l y s i sa n dt h ep c ac l u s t e ra n a l y s i so ft h en e a r - i n f r a r e ds p e c t r u mo f c o c o o n sf r o mg r o u pld e t e c t e db yw q f 一4 0 0 nf t - n i ra n dn i r 2 5 6 2 2 t 2s p e c t r o m e t e r s ，t h e r e s u k ss h o wt h a tp l sc l u s t e ra n a l y s i sr e s u l tw a sb e t t e rt h a np c ac l u s t e ra n a l y s i sr e s u r p l s + b p c a l i b r a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e dw i t ht h ec o m p a r i s o no fp r e d i c t i n ga c c u r a c yu n d e rd i f f e r e n t n u m b e ro fd e r i v a t i v e s m o o t h i n g w i n d o w , p l sp r i n c i p a lc o m p o n e n t sa n db pn e t w o r k h i d d e n - l a y e ru n i t s t h ec h o i c eo fm o d e lp a r a m e t e r sw a sv e r yi m p o r t a n tt op r e d i c t i o na b i l i t yo f m o d e l 硼1 ep r e d i c t i o na b i l i t yo fm o d e lc o u l db ei m p r o v e de f f e c t i v e l y , a f t e rc h o o s i n gt h eb e s t m o d e lp a r a m e t e r sc o m b i n a t i o n t h eb e s tw q f - 4 0 0 nf t - n i rt y p ef o r e c a s tm o d e lr e s u l t sw e r e ： t h ep r e d i c t i n ga c c u r a c yo fc o c o o n sf r o mc h i n e s ea n dj a p a n e s el a c ew a s9 6 0 a n d10 0 ， r e s p e c t i v e l y t h eb e s tn i r 2 5 6 2 2 t 2t y p ef o r e c a s tm o d e lr e s u l t sw e r e ：t h ep r e d i c t i n ga c c u r a c y o fc o c o o n sf r o mc h i n e s e ，h a o y u e x j i n g s o n g ，j i n g s o n g x h a o y u ea n ds u z h e n x c h u n g u a n gr a c e w e r e9 2 0 ，9 0 9 ，8 4 0 a n d9 4 3 ，r e s p e c t i v e l y t h ec a l i b r a t i o nm o d e lr e s u l t su n d e rd i f f e r e n ti n s t r u m e n t sw e r ec o m p a r e d t h er e s u l t s s h o w e dt h a tt h ep r e d i c t i n ga c c u r a c yo fw q f 一4 0 0 nf t - n i rm o d e lw a sb e t t e rt h a nt h a to f n i r 2 5 6 2 2 t 2m o d e lo fw h i c ht h ec a u s e sw e r et h ei n c o n s i s t e n c yo fd e t e c t i o nc o n d i t i o n sa n d t i 江 苏 大 学硕 士 学位论文 m e t h o d sb e t w e e nt h et w on i r s p e c t r o m e t e r s ，a n ds oo n t h e s p e c t r u m d a t ao fc o c o o n sf r o m h a o y u e x j i n g s o n g ，j i n g s o n g x h a o y u e a n d s u z h e n x c h u n g u a n gr a c e sd e t e c t e db yn i r 2 5 6 2 2 t 2s p e c t r o m e t e rw e r ec o m p l i c a t e dt ob ea l a r g en u m b e ro f d a t a s e t ，w h i c hc o n t a i n s3 2 5s a m p l e s p l s “弹c a l i b r a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e d ， w i t ht h ep r e d i c t i n ga c c u r a c yo f8 6 7 t h er e s u l ts h o w e dt h a ti tw a sf e a s i b l et o i d e n t i f yt h e s e x u a l i t yo fv a r i e t i e so fh y b r i dc o c o o n sb yu s i n gi r sa n a l y s i st e c h n o l o g y t os u m u p ，i tw a sc o n c l u d e dt h a tt h ep r e d i c t i n ga c c u r a c yo ft h ed i s c r i m i n a t i o no fm a l ea n d f e m a l ec o c o o nw a sh i g hb yu s i n gt h ep l s + b p m o d e l , n om a t t e rw h i c hf r o ml a r g en u m b e ro f s a m p l e s ，s m a l ln u m b e ro fs a m p l e so rv a r i e t i e so fh y b r i ds a m p l e sd e t e c t e db yi rs p e c t r o m e t e r s o i tw a sf e a s i b l et oi d e n t i f yt h ec o c o o ns e x u a l i t yb yu s i n gi r sa n a l y s i st e c h n o l o g y t h er e s u l t s p r o v i d e dan e ww a yt or e a l i z i n gn o n d e s t r u c t i v et e s t i n ga b o u td i s c r i m i n a t i o no fc o c o o ns e x u a l i t y b yu s i n gi r sa n a l y s i st e c h n o l o g y k e yw o r d ：c o c o o n s ，s e x u a l i t y , i r s ，p l s + b p , p r e d i c t i n ga c c u r a c y i r 江苏大学学位论文版权使用授权书 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 密后适用本授权书。 学位论文作者签名：李玉品套毒易 指导教师签名： 僻妣 2 0 0 8 年1 2 月11 日2 0 0 8 年1 2 月1 1 日 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，均己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： 李玉品南、彩 日期：2 0 0 8 年1 2 月1 1 日 江 苏 大 学 硕士 学位论 文 1 1 红外吸收光谱分析概述 第一章绪论 利用物质的分子对红外辐射的吸收，并由其振动或转动引起偶极矩的净变化，产生分 子振动能级和转动能级从基态到激发态的跃迁，得到分子振动能级和转动能级变化产生的 振动转动光谱，又称为红外光谱( i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，i r ) ，属于分子吸收光谱的范畴。 早在2 0 世纪4 0 年代，商品红外光谱仪就已经投入应用，揭开了有机化合物结构鉴定的新 篇章。红外光谱经历了棱镜红外光谱、光栅红外光谱，目前已进入傅立叶变换红外光谱 ( f t i r ) 发展阶段，并积累了十几万张标准图谱，使红外光谱成为有机化合物结构鉴定的 重要手段【l 】。 1 1 1 红外光区的划分 习惯上按红外线波长，将红外光谱分成3 个区域。之所以这样分类，是由于在测定这 些区的光谱时，所用的仪器不同以及各个领域所得到的信息各不相同的缘故。这3 个区域 所包含的波长( 波数) 范围以及能级跃迁类型如表1 - 1 所示【1 1 。 表1 - 1 红外光谱区分类 t a b l e l - 1 t h ec l a s s i f i c a t i o no fi n f r a r e ds p e c t r u mr e g i o n 红外区的光谱除用波长a 表征外，更常用波数( w a v en u m b e r ) 盯表征。波数是波长的 倒数，表示每厘米长度完整光波中波的数目。若波长以炉为单位，波数的单位为c m - 1 ， 则波数与波长的关系是： 仃：_ 1 0 4( 1 1 ) 4 ( 1 ) 近红外光区吸收带 近红外光区的吸收带主要是由低能电子跃迁、含氢原子团( 如o h 、n h 、c h ) 伸 缩振动的倍频吸收产生。该区的光谱可用来研究稀土和其他过渡金属离子的化合物，并适 江 苏 大 学硕 士 学 位论 文 用于水、醇、某些高分子化合物以及含氢原子团化合物的定量分析。 ( 2 ) 中红外光区吸收带 中红外光区吸收带是绝大多数有机化合物和无机离子的基频吸收带，即由基态振动能 级( 间) 跃迁至第一振动激发态( 垆1 ) 时，所产生的吸收峰称为基频峰。基频振动是红 外光谱中吸收最强的振动，故该区最适于进行红外光谱的定性和定量分析。同时，由于中 红外光谱仪最为成熟、简单，而且目前已积累了该区大量的数据资料，因此它是应用极为 广泛的光谱区。通常，中红外光谱法又简称为红外光谱法。 ( 3 ) 远红外光区吸收带 远红外光区吸收带是由气体分子中的纯转动跃迁、振动转动跃迂、液体和固体中重原 子的伸缩振动、某些变角振动、骨架振动以及晶体中的晶格振动所引起的。由于低频骨架 振动能灵敏地反映出结构变化，所以对异构体的研究特别方便。此外，还能用于金属有机 化合物( 包括络合物) 、氢键、吸附现象的研究。但由于该光区能量弱，除非其他波长区 间内没有合适的分析谱带，一般不在此范围内进行分析【2 1 。 1 1 2 红外吸收光谱法的特点 ( 1 ) 红外光谱对试样具有较好的适应性，无论试样是固体、液体还是气体，纯物质还 是混合物，有机物还是无机物，都可以进行红外吸收光谱分析。几乎所有的有机和无机化 合物在红外光区均有吸收。除化学异构体、某些相对分子质量较高的高聚物以及一些同系 物外，凡是结构不同的两个化合物，一定不会有相同的红外光谱。 ( 2 ) 红外谱峰在横轴的位置、谱峰的形状以及谱峰的强度反映了分子结构上的特点， 可以用来鉴定未知物的结构或确定其官能团；而谱峰的强度与分子组成或官能团的含量有 关，可用以进行定量分析和纯度鉴定。 ( 3 ) 红外光谱分析技术是直接获取样品的光谱信号，不需要其它辅助试剂，样品测定 后一般可以送回原生产地或容器，因此在测试过程中不会产生任何污染。 ( 4 ) 红外光谱测定速度极快。一个样品的定性定量分析，可以在得到近红外光谱信息 后立即由计算机进行数据处理及统计分析，整个过程可以在不n e m i n 内完成。而且一张光 谱可以计算出样品的各种组成或性质数据。 ( 5 ) 红外光谱仪的光学材料为一般的石英或玻璃，仪器价格较低，操作空问小，样品大 都不需要预处理，且投资及操作费用较低。 ( 6 ) 很多物质在近红外区域的吸收系数小，使分析过程变得简单。分子振动能级跃迁产 2 江 苏 大 学硕 士 学位 论文 生的吸收光谱，由于近红外区域的倍频或合频吸收系数小，故样品无需用溶剂稀释即可以 直接测定，便于生产过程的实时测定。样品池的光程也可以不像中红外区域局限在l m m 以 下，光程可在1 1 0 0 m m 之间，使得样品池便于清洗，使分析过程更加简单。 ( 7 ) 近红外区的波长短，因而不易被玻璃或石英介质所吸收。所用样品池容器可以用玻 璃或石英制成，有时可以直接在玻璃容器中进行测定，使用方便，价格较低，避免样品的 转移手续及不必要的污染。 红外光谱之所以得到广泛的应用有两个原因。首先，许多振动频率基本上是分子中官 能团( 或原子团) 的振动频率，并且这些频率就是这些官能团的特征，而与分子的其它部 分无关；其次，红外光谱吸收峰的位置等可以用经典力学( 牛顿力学) 的简正振动理论来 说明【引。 1 2 中红外光谱分析技术概述 红外光谱最丰要的应用是中红外区有机化合物的结构鉴定。通过与标准谱图比较，可 以确定化合物的结构：对于未知样品，通过官能团、顺反异构、取代基位置、氢键结合以 及配合物的形成等结构信息可以推断结构。1 9 9 0 年以后除传统的结构解析外，红外吸收及 反射光谱法用于复杂样品的定量分析，显微红外光谱法用于表面分析，全反射红外以及扩 散反射红外光谱法用于各种固体样品分析等方面的研究报告不断增加【4 】。 中红外光谱( m i d d l e i n f i x e ds p e c t r o s c o p y ，m i r s ) 分析技术的应用主要有红外光谱图解 析、定性分析和定量分析，涉及的领域也非常广泛。在有机物分析方面，可以确定化合物 中各原子团组合排列情况；鉴定立体异构体和同分异构体。在无机物分析方面，如研究多 晶现象。在络合物研究方面，可鉴定络合物的顺式异构体；络合物的骨架振动频率和络合 物的稳定性有密切关系。在高分子上的应用，研究高聚物结构和性能的关系；高聚物的老 化问题【3 1 。 北京工业大学的张兰、张清悦、南群等人利用中红外光谱法在无创血糖检测技术中的 应用，证实了中红外光谱在无创血糖检测中的可实现性【5 1 。沈韬、彭卿等人开展了傅立叶 变换中红外光谱法用于非损伤性血糖测定的研究【6 1 ，首次使用中红外光纤对人体血糖进行 非损伤性测定，这给红外光纤在生物医学领域中的应用展示了光明的前景。江南大学的冯 宇、顾小红、汤坚等人运用中红外光谱与模式识别相结合的方法鉴别茶叶的种类，为客观 评价茶叶品种提供了一种新的方法r 7 1 。重庆西南农业大学的刘娅、赵国华、陈宗道等人开 展了中红外光谱在油脂、肉类、蜂蜜等食品掺假检测中的应用【8 1 。河南工业大学的范璐、 3 江苏 大 学硕 士 学位论文 王美美、杨红卫等人进行了大豆油和花生油傅立叶变换中红外吸收光谱的识别分析，结果 表明两种油脂识别效果均较理想嘲。大连理工大学的王丽君、程仲芊、齐邦蜂等人利用中 红外光谱法测定汽油中含氧物含量，验证了其可靠性【1 0 】。 1 3 近红外光谱分析技术概述 近红外光谱( n e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ，n i r s ) 分析技术是2 0 世纪8 0 年代后期迅速 发展起来的一项分析技术，并随着计算机技术的进步，化学计量学方法研究的日益深入， 现代近红外技术可以充分利用全谱或多波长下的光谱数据，通过化学计量学软件快速实现 定性或定量分析。目前，近红外光谱技术已经在不同的领域得到广泛的应用。 1 3 1 近红外光谱分析技术的发展过程 近红外区域按a s t m 定义是指波长在7 8 0 - - - 25 2 6 n m 范围内的电磁波【1 1 】，是人们最早 发现的非可见光区域，距今已有近2 0 0 年的历史【1 2 】。早在1 8 0 0 年h e r s c h e l 就发现了近红 外( m r ) 光谱区域，但在上个世纪中上期之前，它一直被分析领域所忽视。到2 0 世纪初 人们采用摄谱的方法首次获得了有机化合物的近红外光谱并对有关基团的光谱特征进行 了解释【”1 4 1 ，预示着近红外光谱有可能作为分析技术的一种手段得到应用。由于缺乏仪器 基础，2 0 世纪5 0 年代前，近红外光谱的研究只限于为数不多的几个实验室中，没有得到 实际应用。2 0 世纪5 0 年代中后期，随着简易型近红外光谱仪器的出现及n o r r i s 等人在近 红外光谱漫反射技术上所做的大量工作，使这项技术得以在越来越多的领域中得到应用。 但由于这些应用都基于传统的光谱定量方法，当样品的背景、颗粒度、基体等发生变化时 测量结果往往产生较大的误差。进入2 0 世纪6 0 年代中后期，随着中红外光谱技术的发展 及其在化合物结构表征中所起的巨大作用，使人们淡忘了近红外光谱在分析测试中的应 用。在此后2 0 年的时间里，除了在农副产品的传统应用外近红外光谱技术几乎处于徘徊 不前的状态，被人们称为光谱技术中的沉睡者【l 5 1 。 2 0 世纪8 0 年代后期，由于化学计量学方法的应用，过去中红外光谱技术积累的经验， 使近红外光谱分析技术迅速得到推广，成为一门独立的分析技术。m c l u r e 于1 9 9 4 年发表 了一篇题为“巨人在不断强大”的论文，介绍了近红外光谱技术在越来越多不同的领域中的 应用。1 9 9 8 年，d a v i e s 预测了该技术未来可能的发展和应用，并恰当地将其潜力描述为“从 沉睡的技术变成了光谱技术的启明星”【1 6 1 。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始进行n i r 技术的研究，主要侧重于农产品的品质分析研究 4 江 苏大 学 硕 士 学位论 文 方面。从2 0 世纪9 0 年代中期，国内许多科研院所和大专院校开始积极研发适合国内需要 的n i r 成套分析技术，并也有许多作者发表了多篇有关n i r 原理和应用的综述文章【1 7 19 1 ， 为这项技术的普及作了大量工作，开创了我国n i r 研发和应用的崭新局面。近年来我国在 仪器硬件、化学计量学软件、分析模型建立以及实际应用等方面都有了长足发展，n i r 分 析技术已经应用于各个领域【2 0 】。 人们对近红外光谱技术的浓厚兴趣主要取决于它较其它仪器所显示的优势。它能在不 经预处理的情况下采集固体和液体样品的光谱，进行连续扫描之后快速得到光谱信息并能 从简单的光谱中预测出样品的物理和化学参数。这些特点使之能够简单快速的对样品进行 描述从而备受瞩目【2 1 】。 1 3 2 近红外光谱技术在各领域的应用 近红外最初的发展就是在农产品分析的应用中，在2 0 世纪9 0 年代以前，大部分近红 外光谱的应用文献都是在农产品分析中的应用。近年来，随着新型近红外仪器的出现和软 件的升级，n i r 在我国农业领域的应用和研究出现了新局面，分析对象涉及到谷物、经济 作物( 烟草、茶叶和油料) 、果蔬、饲料、肥料和土壤等 2 2 - 3 3 1 ，所用仪器的类型包括滤光片 式、扫描式、傅立叶式和阵列式等，测量方式有漫反射和透射等多种，应用场合有传统的 品质分析、育种、现场收购和加工业等【2 0 】。 大多数农产品的组成都很复杂且较难处理，采用传统的分析方法很难得到全面的表征 数据。近红外光谱结合漫反射技术很适合于农产品的快速分析。由于该技术对样品颗粒大 小的依赖性较小，使得近红外光谱可以对各种食品及农产品，包括完整的水果和蔬菜、肉 类和鱼类、奶制品及各种液体饮料等，直接进行测定而无需特殊的样品处理过程。此外， 传统的实验室方法的分析速度太慢，需要辅助设备及操作技能，而这些又是原始的生产者 所不具备的。近红外光谱仪由于具有操作空间小、自动化程度高及受环境变化影响不大等 特点，可以直接安装在粮仓的谷物传送带上，对各种谷物进行现场分析，其分析结果直接 用于谷物的分类。这种快速、多组分的分析方法大大降低了装载货车和卸载货车的滞留时 间，提高了粮食市场的交易速度，从而极大地提高了经济效益【1 5 。 n i r s 分析技术在食品领域中的应用也十分广泛，测试对象有乳制品、酒及饮料、肉 类、食用油及调味品、烘烤食品如面包、饼干和方便面等【2 0 1 。2 0 0 3 年，江苏理工大学的陈 斌、于丽燕等人探讨了利用近红外光谱分析法快速测定酱油中总氮和总酸含量的方法【3 4 1 。 2 0 0 5 年贵州茅台酒股份有限公司王莉、季克良，江南大学生物工程学院徐岩进行了近红外 气 江苏大 学 硕 士 学位论文 光谱技术在白酒质量控制中的应用发展【3 5 1 。2 0 0 5 年江苏大学的陈斌、王豪研究了用专利算 法解决白酒酒精度近红外光谱分析模型应用中的模型转移问题，建立了最佳的数学模型和 光谱转移参数，结果表明验证集光谱经s h e n k s 算法模型转移后的预测模型结果比转移前 有明显的改善【3 6 1 。江苏大学的陈斌、陆道礼等运用近红外光谱技术对方便面的含油率、食 醋的主要成分、相关技术在谷物近红外光谱分析中的应用进行了研究【3 弘3 9 1 。 近红外光谱分析技术在制药、临床医学、烟草和茶叶、石油化工及纺织等领域的应用 也不断得到了人们的重视及发展。 1 4 红外光谱分析中化学计量学的应用 1 4 1 化学计量学的发展及应用 化学计量学是一门关于计算机、数学及统计分析技术在化学中应用的科学，早在2 0 世纪7 0 年代就从化学中分离出来成为一门独立的学科。 2 0 世纪8 0 年代，随着计算机的普及应用，化学工作者不仅应用现有的数学和统计学 方法，而且根据化学学科的特殊性要求创建了一系列化学量测数据处理、分类、解析与预 测等一大批化学计量学方法，编制了许多优秀的化学计量学软件，很多软件已成为现代化 学量测仪器，已经是分析仪器的有机组成部分。2 0 世纪8 0 年代后期，化学计量学课程开 始进入化学教学大纲，出现了大量化学计量学方面的文章，交流化学计量学研究成果的国 际学术会议也陆续召开。2 0 世纪9 0 年代后，由于计算机及化学软件的飞速发展，化学计 量学算法得到了更广泛的推广与应用【4 0 1 。化学计量学研究的内容很广，在分析测试中，化 学计量学广泛应用于色谱、电化学、质谱、拉曼、紫外和红外光谱等分析领域。 近红外光谱较早地应用化学计量学方法，使得近红外光谱具有实用性，同时也是化学 计量学成功应用的范例( 4 h 5 】。在近红外光谱分析中，涉及的化学计量学丰要有定性分析和 定量分析两个方面的内容。 样品的红外光谱包含了物质的组成和结构信息。而物质品质参数( 如成分含量) 也与 其组成结构相关 4 6 1 。红外光谱中化学计量学方法的研究主要涉及3 个方面的内容：一是光 谱预处理方法的研究，目的是针对特定的样品体系，通过对光谱的适当处理，净化图谱信 息，为校正模型的建立和未知样品组成或性质的预测奠定基础；二是红外光谱定性和定量 校正方法的研究，目的在于建立稳定、可靠的定性定量分析模型；三是校正模型传递技术 的研究，也称红外光谱仪器的标准化【4 7 1 。 6 江 苏大学硕 士 学位论 文 红外光谱分析常用的化学计量学方法有：多元线性回归( 池r ) 、逐步回归( s m r ) 、 主成分分析( p c a ) 、主成分回归( p c r ) 、偏最小二乘法( p l s ) 、人工神经网络( a n n ) 和拓扑( t o p l o g i c a l ) 等。它们都是常用的化学计量学方法，有着各自的优点和局限。 1 4 2 化学计量学软件开发 将稳定的、可靠的光谱仪器与功能化学计量学软件相结合成为现代光谱分析技术的显 著标志之一，为此，我国石油化工科学研究院、中国农业大学和江苏大学等多家单位都研 发出了拥有自主知识产权的、适用于红外光谱分析的化学计量学软件【4 8 5 0 1 。这些软件在主 要功能上与国际流行软件( 如u n s c r a m b l c r 和g r a m s 3 2 ) 没有显著性的差异，而且在界面 语言、风格以及操作习惯上更适合我国的实际情况，有些软件已经在实际科研生产中得到 了较为广泛的应用【2 0 】。 1 5 本课题研究的任务、内容和意义 我国是世界上最大的蚕丝生产国和供应国( 产丝量和生丝出口量约占世界的7 0 和 9 0 ) ，蚕丝业是我国传统的外向型优势产业。近年来，我国丝绸贸易量占世界蚕丝贸易总 量的8 0 以上，年均出口创汇达2 5 亿美元左右【5 1 1 。 家蚕是雌雄异体昆虫，蚕茧有雌雄之分，且茧、丝各具不同的特征特性。同一蚕品种 的雄蚕丝和雌蚕丝相比，雄蚕丝具有茧丝纤度细、净度优、耐摩擦、生丝等级高、弹性好 等优点【5 2 。3 1 ，可缫制高品位的牛丝，增加出口创汇。2 0 0 3 年，雄蚕丝产品已被国家科技 部、海关总署认定为国家高新科技产品。雄蚕丝关键技术生产和应用被江苏省科技厅 列为2 0 0 3 2 0 0 5 年农业重点攻关项目。 因此如果对雌雄蚕茧加以区分，对其分别利用，能在基本不增加生产投入的情况下生 产高附加值的产品【5 扣5 6 1 。但是，现行蚕茧在烘茧、煮茧、缫丝时都是雌雄混合只能缫制雌 雄复合丝，很难批量生产出6 a 级高品位生丝。常规家蚕品种无法区分雌雄蚕茧，因而不 能实现雌雄茧的分别利用。目前专养雄蚕的技术还不十分成熟，离产业化推广还有一段距 离。限性品种技术成熟度高，已在生产中大量推广应用，但对限性特点的利用仅限于蚕种 生产环节( 依靠幼虫斑纹鉴别雌雄代替传统的蛹期生殖腺鉴别，达到省力、高效、准确的 目的) ，茧丝生产中还是作为普通种使用，致广大科技工作者花费巨大心血实现的潜在利 用价值远未充分发挥【5 7 】。 为区别蚕茧雌雄，科研人员作过多方面的探索。有人曾利用蚕茧的重量来区分，结果 7 江 苏 大 学硕 士 学位论 文 错判率太高。日本蚕业界曾根据蚕茧的重量来区分雌雄茧，生产了蚕茧雌雄鉴别机，但由 于错判率较高，未能得到推广应用。1 9 9 5 年，潘沈元、金同铭、陆国权等人用近红外反射 光谱的模式识别方法对雌雄鲜蚕、死笼茧进行了非破坏性识别，用逐步判别方法从一、二 阶导数光谱数据中提取特征向量，以此特征向量建立b a y e s 判别函数，符合率达9 5 7 ， 但还有些技术问题值得进一步研究，譬如样品的代表性和特征值选取的合理性问题等【5 8 1 。 1 9 9 6 年，潘沈元、陶鸣、孙爱群等人分别对日系、中系、杂交种蚕蛹做了近红外光谱扫描 测试，结果表明雌雄蚕蛹的近红外光谱有极显著的差异，并利用二次型判别函数对蚕蛹的 性别进行识别，其准确率达9 8 7 ，但该研究只是对蚕蛹光谱识别方法和可行性的探讨， 离蚕蛹的自动识别还有一段距离，譬如样本的代表性和特征值选取的合理性问题【5 9 1 。1 9 9 7 年，金同铭、刘玲、唐晓伟探讨了用近红外光谱识别蚕茧性别的方法和可行性，结果表明 其有效率在9 7 2 3 - - 9 8 3 3 ，蚕蛹的性质差别是决定雌雄茧判别效果的主要因素，但针对 这一问题他们还在做进一步研究唧】。1 9 9 8 年，潘沈元为提高近红外光谱识别中雌雄茧的判 别效果，从四个方面探讨了从数据光谱中提取特征向量的方法。四个方面分别是逐步判别 的前进法；手动特征值选取；以雌、雄2 个群体选取特征值和以雌、雄、死笼3 个群体选 取特征值；从一阶导数光谱数据中选取特征值、从二阶导数光谱数据中选取特征值以及从 一、二阶导数光谱数据中选取特征值【6 1 】。 本文采用红外光谱分析技术和近红外光谱分析技术相结合的方法，对蚕茧的雌雄识别 方法作了探讨，试图探索一种识别蚕茧雌雄的新方法。 本课题主要研究内容如下： ( 1 ) 采用t e n s o r 2 7 傅立叶变换红外光谱仪检测雌雄蚕茧的中红外光谱，探讨中红外 光谱分析技术识别雌、雄蚕茧的机理； ( 2 ) 采用w q f 4 0 0 n 傅里叶变换近红外光谱仪和n i r 2 5 6 2 2 t 2 近红外光谱仪检测雌雄 蚕茧的红外光谱，探讨近红外光谱分析技术识别雌、雄蚕茧的机理； ( 3 ) 为减小系统误差和随机误差对信号的干扰，尽量有效地去除掉可能存在的干扰因 素，对测得的光谱进行适当的预处理，如求导，平滑，归一化等，讨论求导及平滑窗口点 数的大小对模型效果的影响；。 ( 4 ) 运用偏最小二乘法+ b p 神经网络( p l s + b p ) 对雌雄蚕茧的红外光谱建立定性分析， 以样品的预测准确率为评价指标，研究不同p l s 主成分数和b p 网络隐层单元数等建模参 数对建模结果的影响； ( 5 ) 对样品在不同仪器下的模型识别效果进行比较，研究其结果有何不同及产生的原 因，探讨蚕茧在不同仪器下进行定性识别的优缺点和应用前景。 8 江 苏 大 学 硕士 学 位论文 第二章红外光谱分析的相关理论 2 1 红外光谱的产生及测定过程 红外光谱是由于分子振动能级的跃迁( 同时伴随转动能级跃迁) 而产生的。物质吸收 电磁辐射应满足两个条件，即：( 1 ) 辐射应具有刚好能满足物质跃迁时所需的能量，( 2 ) 辐 射与物质之间有偶合( c o u p l i n g ) 作用( 相互作用) 。 2 1 1 理想谐振子模型 分子是由原子组成的，而原子是由原子核和围绕它的电子所构成的。根据量子力学理 论，分子中存在电子能级和振动转动能级。当电子能级和振动一转动能级发生跃迁时，就 会产生分子吸收光谱或分子反射光谱，表现为带状光谱。如果分子的能级是由基态跃迁至 激发态，产生吸收光谱；反之，则产生反射光谱。分子吸收或反射的频率可用b o h r 频率 方程式描述： e 一一e7 = h v = h c v ( 2 1 ) 式中e 激发态能级，e r g ： f 初始态能级，e r g ： h 普朗克常数，6 6 2 5 x 1 0 2 7 e r g s ； c 光速，3 x 1 0 1 0 c m s ； y 吸收或反射光的频率，h z ( s 。1 ) ； y 吸收或反射光的波数，e m - 1 。 分子不同能级间的跃迁，产生不同的分子吸收或反射光谱。振动能级的间隔一般为 0 0 5 1e v ，振动能级跃迁所产生的电磁波谱处于中红外光谱。根据量子力学理论，一定 频率的光的能量由下式决定： 巳= h v( 2 2 ) 当特定波长红外光与分子相遇时，如果光与分子不发生相互作用，则光随即通过该物 质，不产生吸收光谱；如果光与分子以特定的方式发生相互作用，则物质吸收该波长的光， 产生吸收光谱。 为了简单起见，将双原子分子看作是振动偶极子。偶极子以特定的频率和振幅振动， 偶极子两端的原子看作是质量m l 和质量m 2 的质子，化学键看作是无质量的弹簧，模型见 9 江苏大 学 硕 士 学位论 文 图2 1 。此处，偶极子振动频率用y 表示，单位为h z = 振幅 指的是化学键振动时两原子间的最大距离，它取决于分子 基团所吸收的红外光的能量多少。当光子与样品中的分子 相互碰撞时，会产生两种结果： 光子的振动频率与分子的振动频率不匹配； 图2 1 双原子分子振动模裂 f i g 2 - 1t h ev i b r a t i o nm o d e l o fd i a t o m i cm o l e c u l e 光子的频率与分子的振动频率相互匹配。此时分子 就吸收光子的能量，使偶极子的振幅增大。尽管振幅发生了变化，但偶极子的振动频率保 持恒定。 偶极子振动模型，也称之为谐振模型。谐振子频率取决于化学键的力学常数和化学键 两端的原子的质量。谐振子的总能量正比于振动的频率。应用虎克定律，则谐振子的振动 频率： 1 l ，i - - - 一 2 1 r ( 2 3 ) 式中：k 。化学键的力常数，单键5 n c