仪器分析（大连理工大学） 1.2 计算机与仪器分析.ppt

00 45 03 第一章绪论 1 2 1计算机对仪器分析发展的促进1 2 2仪器分析中的计算机应用技术1 2 3分析仪器的性能指标1 2 4网络中的仪器分析资源 第二节计算机与分析仪器 Introduction Computerandinstrumentanalysis 00 45 03 1 2 1计算机对仪器分析发展的促进作用 1 促进仪器分析自动化计算机已经成为分析仪器的重要组成部分 如色谱自动进样器 色谱工作站 电化学工作站等 00 45 03 00 45 03 色谱工作站 00 45 03 计算机分析仪器工作站 00 45 03 工作站 00 45 03 2 促进新分析仪器出现 现代分析仪器是建立在计算机基础之上 如傅立叶变换红外光谱仪 联用仪器 二极管阵列检测器 三维显示 微流控分析芯片技术 二维核磁等 00 45 03 3 提高仪器性能4 实现分析仪器的智能化 网络化 人性化5 未来的网络分析实验室用户 传感器 计算机 网络数据 网络分析实验室 结果资源共享 00 45 03 网络虚拟实验室 00 45 03 1 2 2仪器分析中的计算机应用技术 1 计算机数据采集与控制计算机 数字符号分析仪器 模拟信号 电压或电流 Digital AnalogConverter DAC 作用 将数字信号转变成模拟量 实现计算机控制 Analog DigitalConverter ADC 作用 将模拟量转变成数字信号 实现数据连续采集 计算机 接口 分析仪器 接口 信号转换 00 45 03 00 45 03 DAC原理图 00 45 03 DAC原理 在一个二进制数字的每一位上对应产生一个与它的数字及权重成正比的电流 并将每一个逻辑为1的数位的电流相加 成为相应的电流模拟量 或电压模拟量 每一个电阻值与 权 对应 权值越大 电阻越小 二进制数的每一位控制一个开关 1开 0关 00 45 03 10位二进制数码经DAC转换对应的电压值 00 45 03 ADC 模 数转换器 原理与作用 作用 将连续的模拟量形式的数据转变成非连续的二进制形式数据 实现计算机数据采集 DAC的逆过程 种类 积分式 高精度 低速度 跟踪式 高速 易受噪声影响 多比较器式 最高速 高分辨 逐次逼近式 高速 高分辨 00 45 03 ADC原理 设定一数据值 送入DAC 产生Vb 与Vi比较 C满足要求时 输出一个二进制数字 类似于天平称量加砝码 但由大到小 多比较器式 右图 10位 需1023个的转换器 每个比较器对应一个逻辑输出 00 45 03 有关问题 1 采样保持电路转换需一定时间 在转换时 保持输入量 2 干扰及其抑制干扰源 电器 电机等 通过阻抗耦合 电场耦合 磁场耦合等途径进入数据采集系统 如右图所示加屏蔽线 正确接地 屏蔽线应接现场地 00 45 03 Nyquist采样规则 计算机处理的任何变量都只能是分立取值 数组 如果要无限精确描述一个连续量 采样间隔为零 受采样速度 存储空间限制 实际不可能也不必要 如何确定采样频率 保证信号不失真 采样频率 以最高频率的2倍速度采样 00 45 03 2 计算机信息处理 1 绘图 显示 三维 2 含量计算 3 曲线拟合 平滑 插值 求导 4 模拟 预测 00 45 03 曲线拟合 用数学方法将获取的数据作曲线拟合 方法 1 由实际获得的曲线找出与此曲线适应的数学模型 2 以实验得到的数据对 xi yi 代入数学模型 用最小二乘法求出模型中的待定参数 关键点 选择正确的数学模型 例 非正态色谱曲线 可采用r函数与指数衰减曲线相结合的数学模型 00 45 03 曲线的平滑处理 曲线平滑处理可以去除数据集合中的随机噪声 保留有用信息 提高信噪比 小波动 随机噪声大波动 包含有用信息方法 boxcar平均化 移动窗口均化 最小二乘多项式平滑 Savitzky Golay卷积法 最常用的方法 注意点 不正确的平滑处理可能会将微弱信号当作噪声处理掉 00 45 03 信号求导 消除背景和重叠峰的干扰 提高分辨率和灵敏度 方法 模拟微分电路或求导程序软件 微分谱比原谱对谱特征的细微变化反应要灵敏得多 被隐藏的谱的特征可以通过对原谱图的微分而得到加强 应用 1 光谱图 色谱图 重叠峰 弱肩峰的区分 2 电位滴定曲线的导数曲线容易确定滴定终点 注意点 微分时 原谱的噪声也被加强 高阶导数谱的噪声增大得更明显 解决方法 对原谱进行平滑处理 00 45 03 多元分析方法 如何在大批实验数据中总结出有用的规律或者挖掘出有用的信息 多元分析是一类计算机信息处理 信息挖掘技术 特别适合用于从多种因素影响的大量实验数据中总结规律 多元分析应用领域 处理卫星照片 指纹鉴别 文字和语音识别 多参数 多变量问题的处理 分析化学中的应用 1 多种微量元素的分布与健康 或疾病 的关系 2 物质中复杂成分的含量分析 3 各种谱的特征与性质关系 4 分子结构与谱特征的关系 00 45 03 3 专家系统与人工智能 1 液相色谱专家系统柱系统推荐软件包 色谱条件优化及离线色谱数据计算软件包 2 基于谱图库的辅助解析系统Munk红外光谱解释程序 Sasaki的Chemics F程序 00 45 03 辅助光谱图解析系统基于谱图库的辅助解析系统 确定化合物结构 红外 核磁 质谱 1969年 斯坦福大学的DENDRAL系统 1976年 PBM系统 美国Cornall大学 质谱图解析 1977年 SISCOM系统 前联邦德国煤炭研究所 质谱图解析 谱图存储方法 原则 节省空间 不遗漏信息 保存峰数据 按波长取数据 查询对比方法 检索 需要考虑仪器误差 峰位 峰强 判断相似程度的定量指标 00 45 03 智能化分析仪器示意图 00 45 03 1 2 3分析仪器的性能指标1 信号与噪声 信号 信号定义为分析仪器的响应 理想的情况是仪器仅对待测组分有响应 本底信号 无试样时 仪器产生的信号 产生原因 随机噪声 空白信号 试样中无待测组分时 仪器产生的信号 空白信号与本底信号的不同主要是由于试样中除待测组分外的其他组分的干扰所引起的 试样预处理 使空白信号接近本底信号 00 45 03 2 检出限与灵敏度 1 检出限试样的信号能被检出的最低限 由于存在随机噪声 正态分布 有误判的可能 如何规定检出限使误判产生的概率符合要求 1969年 国际原子吸收光谱会议 yB 3 B1975年 IUPAC yB 2 B 数学期望值yB 保险检出限 yB 6 B定义 以一定的置信度检出待测组分的最低浓度 yA yB k Bk的取值对应于不同置信概率 00 45 03 2 灵敏度 分析仪器的响应值与浓度 或量 改变一个单位时所引起的信号的变化 y c IUPAC给出的定义 单纯灵敏度高不能保证有低的检测限 检测限与 B有关 B来自随机噪声 信号变化可能被噪声淹没 00 45 03 3 信噪比 S N 的提高 途径 a 改善信号的测量技术 b 信号经过适当处理 c 优化 a 信号的平均 噪声信号 b 滤波和调制 00 45 03 3 分辨率 衡量仪器分辨干扰信号与组分信号或难分离两组分信号的能力指标 光谱仪器 分辨率是指将波长相邻的两条谱线的分开能力 R 质谱法 区分两个可分辨质量的能力 R m m色谱法