近红外光谱数据处理

,FTIR数据处理,FTIR数据处理：,根据红外光谱实际工作需要，FTIR的数据处理主要有：,谱图格式变换,导数光谱,算术计算,定量方法,光谱加减,分峰技术,基线校正,谱图检索,提高信噪比,应用计算机程序对数字光谱进行的各种处理。,（1）纵坐标变换：,原理：,一、谱图格式变换,常用单位：透光率T%；吸光率A,标准格式（），线性（等距）格式（）,二者互换关系：,横坐标常用单位：波数cm-1&波长m,（2）横坐标变换,红外光谱图常用格式：,3,（3）其它格式变换,（）纵坐标转换成KubelkaMunk单位,（漫反射光谱用）,使用Kubelka-Munk将漫反射谱图转换为KubelkaMunk单位。由于KubelkaMunk单位与吸收率单位相似，在商用的吸收谱库中检索漫反射谱图，KubelkaMunk格式是很有用的。,下图是一张以KubelkaMunk为单位来显示的2，6一二氯苯基氰的漫反射谱图：,某一频率的KubelkaMunk值由方程给出,KM=（1R）/2R,这里R是扣除了标准反射强度的样品反射强度。,4,使用photoacoustic将光声光谱谱图转换为光声光谱单位。光声光谱谱图类似于一张吸收谱图并可以在吸收谱库中进行检索。,(b)photoacoustic格式,其中s是由样品以热辐射波形式发射的能量强度，B是由本底材料（通常是碳黑）发射的能量强度。,以光声光谱为单位的谱图,下图是一张以光声光谱为单位的咖啡因的谱图：,某一频率的光声光谱值（PAS）由方程给出,5,使用Reflectanc将反射谱图转换为%反射率单位。反射率单位表示样品反射的红外能量数值。一些通常的反射方法包括漫反射（DR），衰减全反射（ATR）和镜反射（SR）。,其中s是由样品反射的红外能量强度，B是通过反射附件（用参比样品代替样品）的红外能量强度，参考样品通常是一面镜子，溴化钾（KBr）或氯化钾（KCl）粉。B被称为本底。,某一频率的反射率由方程给出：,（c）%Reflectance格式,下图是一张以%反射率为单位的苯酸钠盐的谱图：,6,（c）（1/R）格式,使用（1/R）将反射谱图转换为对数（1/R）单位。对数（1/R）单位表示在反射实验中的样品所吸收的红外能量数。您可以转换任何反射方法采集的谱图，包括镜反射（SR），漫反射（DR）和衰减全反射（ATR）。,（1/R）,以对数（1/R）为单位的谱图,某一频率的对数（1/R）值由方程给出,下图是一张以对数（1/R）为单位的2，6一二氯苯基氰的反射谱图：,（1/R）=-10（%R/100）,其中%R是同一频率红外能量的%反射率。,用对数（1/R）为单位显示一张反射谱图是很有用的，因为样品中组分的含量与所测得的吸收值通常是线性相关的。,7,散射校正,散射校正用一个名为kramers-kronig变换的数字校正方法从一张反射谱图中消除光学散射的影响。在反射实验中，测量的能量包括有关样品的吸收率和折射率的信息。折射率的变化形成了微分形频带，这种影响被称为光学散射。,在数学上，消除散射影响后形成一张非常近似于吸收的谱图，并且结果也以吸收率为单位显示。这张结果谱图可以在商用吸收库中检索并打印参考文字.。,下图表示一张塑料的反射谱图。谱图包括一些由光学散射引起的微分形峰，使得谱图信息难于解释。,8,镜反射数据可以被分解成二个独立的光学参数折光指数和消光指数通过KK关系（见公式）。镜反射数据的特殊形状是在这些参数中的偏离（变异）的缘故（结果）。,R：镜反射光谱的反射率,像靠近高波数处的吸收极大值，折光指数开始减小起因于反射减少；这表示镜反射光谱的自身聚降，初始较少之后，折光指数快速地增大（如消光系数那样）导至尖锐的极大值,注意：,：反射光的相位角,10,ETHYLENE/VINYLACETATECOPOLYMER,TOP：PEFRACTIVEINDEX,BOTTON：EXTINCTIONCOEFFICIENT,二、算术计算,对红外数字谱做祘术计算，即对数字谱的纵坐标值（A），做某一常数的加、减、乘、除的祘术运算。,11,数字谱加、减某一常数：,数字谱乘、除某一常数：,光谱纵向平移,谱图变成A谱,光谱纵向扩缩,利用祘术计算使光谱纵向变化的关系，可做谱图的归一化处理。,方法是：,扩/缩处理，使谱纵值在01.05A,注意：,加减处理，使谱的基线移近0.03A,再变回T谱,归一化处理后，谱图的T谱值范围：最强峰510%T，基线9095%T,原始光谱要求：最强峰大于5%T；基线较平坦；信噪比较好。,三、光谱加、减,（1）光谱相加：,在混合光谱中完全扣除某一成分的吸收谱(A)相减技术称为示差技术。,可以模拟这二个原始光谱化合物相混后的混合物谱图。按需要还可进行强度扩大/缩小（乘/除）的预处理。,光谱加、减处理中的二幅原始光谱必需：,:波数范围相同,:数据间隔相同（分辨率相同）,（2）光谱相减：,12,示差方法,13,14,15,16,17,18,（四）影响示差的因素,19,20,21,3.样品的状态因素,22,判断标准,23,作为差谱判断标准的吸收峰要符合以下二个条件：,该峰是参比光谱所特有的，在其余组分的光谱中不存在该吸收峰。如果在剩余组分光谱中也有此峰，则必须知道参比光谱与剩余光谱中该吸收峰处的强度比例。,在参比光谱中该峰与其余的所有吸收峰在峰强与浓度间的关系都符合比耳定律，这样才能采用同一差减因子减去全部参比光谱。如果不符合这二个条件，得到的差谱可能因“畸变”而失真，这在实际工作中需要注意。,选择为差谱终点判据的吸收峰最好具有中等强度，太强或太弱的吸收峰易产生误差。,四、基线校正,类型：水平校正斜度校正弯曲校正基线校正通常都采用A谱。它对光谱中每一个数据点作指定方式的算术运算。通式：,T基线水平方向上、下移动的数值。C与基线倾斜相关的数值。水平校正（纵向平移）：C=0；T为常数（A值）斜度校正：T=0；C为常数（斜率）弯曲校正需逐点变更T、C数值给予校正,24,仪器中，基线校正的方式基本有二大类：,Kubelka-Munk校正（漫反射谱校正）,（1）线性校正：（Linear）,单点式：,通过该点横坐标平行线，然后将原谱各峰谷点都落在平行线上。,二点式：,通过这二点的连线和它的延长线，再作与原谱的相减处理。,多点式：,谱线与指定二点间形成的直线逐段相减处理。,（2）曲线校正（Curved）,三点式：,多点式：,（类似线性校正的多点式。）,纵坐标特殊校正：,ATR校正（衰减全反射谱强度校正）,KramersKronig校正（镜反射谱校正）,25,26,PE983光栅仪器；7500计算机；PECDSFLAT命令，CurVed（三点：3713，2357，697cm1）,同时，另有二种可选用：,自动寻找给出，可更改,Step（一点）,Lineat（二点）,27,28,29,30,五、提高信噪比,（1）累加,31,32,（2）平滑,用于数字平滑的数学处理方法有很多，但都是以周围的数据点值做平均，以求得新的数据点。最常用的萨维特斯基戈莱（SavitzkyGolay)法，它是以最小二乘法的多项式近似法，例如平滑后的t0点的数值T0可用下式表示：,T0=C4t-4+C3t-3+C2t-2+c1t-1+C0t0+C1t1+C2t2+C3t3+C4t4,Cn是平滑系数，tn表示t0前、后的几个点，上例是前后4个点的9点平滑。平滑点数是奇数（常用的5，9，13，25，49），高点数的平滑消除噪声明显，但造成谱形变宽、峰强度降低。高点数平滑使谱峰失真、弱小峰消失，故需慎用（见下图）。,平滑处理示意图,数字平滑相当于开宽狭缝，因此可提高信号值，其代价是降低了分辨率。,数字平滑法是在一纪录的谱线中重新建立一条谱线以消除部分噪声。,33,34,原谱,5点平滑,13点平滑,25点平滑,（1）原理：,（）Lambert定律：,（）Beer定律：,由1、2合并而成，称吸收系数,不同浓度的同一物质，在相同波数处具有同样的值。同一浓度的相同物质，在不同波数的值也不相同，即吸收系数是波数的函数：,如果混合物中每个组分都符合比耳定律，则在波数i处的总吸光度为各组分在波数i处的加和：,这就是比耳定律得加和性，是一切光学测量中定量计算的依据。,BeerLambert定律：,Io=I+I+I+I,（入射光）（吸收）（透射）（散射）（辐射）,二定律合并：,六、定量方法,(j=1,2n组分）,35,在FTIR谱图中，谱峰的峰顶、峰谷值很容易用计算机软件取得，基线取值方法通常有二种：,定量方法有很多种，但本章是讲解数据处理，故特将多种定量方法和步骤、误差来源等材料提供给大家（见本章附页）。必需用计算机数据处理的定量方法有：,导数光谱法、曲线拟合法和组分复杂、谱峰重叠严重的矩阵法。,36,二、计算机数据,目前，计算机已广泛应用于分析化学的各个领域，红外光谱仪器也配备了多种定量软件。右图是PerkinElmer公司推出的QUANT定量软件测量方法的示意图。该软件在原始数据输入后，可用右图六种方法一次给出计算结果。,QUANT软件定量示意图,（1）导数光谱法的应用,（导数光谱法的原理、应用、请另见章节）,37,（2）曲线拟合法,（）不需要指定各组分的定量特征峰，特别是各组分吸收峰叠加、干扰严重时，该方法特显有效。,这种曲线拟合的定量方法有三个优点：,拟合结束，计算机自动给出拟合谱图构成的组分比例。,（）使用全谱（或宽范围）的光谱信息，信息丰富。,（c）避免了个别谱带因不符合比耳定律而引起的误差。,38,下图是用最小二乘法曲线拟合的例子。二元混合的样品中，、为该二元的纯化合物谱图，c是未知的二元混合样品谱图。经过计算机拟合得到d谱和二元混合的比例。,39,对谱峰叠加严重或各组分有相互作用的混合物定量分析，各仪器公司都有可供选购的定量软件。这些适用于复杂组分的定量软件，采用的数学计算基础是矩阵法。,（3）矩阵法,根据比耳定律，主要有矩阵法和矩阵法：,（）矩阵法：矩阵中，为吸收光度矩阵，为各组分浓度矩阵，吸收系数的矩阵中包含了池厚的因子。,（）矩阵法：，矩阵P是与吸收系数和池厚相关的数据群。,矩阵法定量工作中包含了校正和分析二个过程。校正过程中的吸光度矩阵的吸光度由实验测得；浓度矩阵中的浓度由称量得到；矩阵由程序规定的运算方法计算出来，并再回祘已知标样的各组分浓度。在分析过程中为已知，矩阵仍为光谱测得的一组数据，再求解出浓度矩阵中各组分的浓度。此法中样品不应含有不明杂质，或该杂质在矫正试样和待测样品中质地相同、浓度相同。,此法中允许样品含有不同浓度的杂质，缺点是矫正过程中必须使用大量已知样品。,K矩阵法和P矩阵法的详细资料请见本章附页,40,七、导数光谱,导数光谱是用计算机对光谱数据进行微分处理而得到的光谱。,即：沿光谱曲线逐点计算出各点的斜率，再联成曲线就是导数光谱（也称微分光谱）。,导数光谱按其导数的阶数，分为一阶、二阶导数光谱。高阶导数光谱的谱峰方向：,四级导数光谱的谱峰方向与原谱相同,二阶导数光谱的谱峰方向与原谱相反。,41,煤乙酰化后生成的羰基都出现在1900-1600cm-1区，诸多羰基相互重叠，无法辩清。把乙酰化后的煤谱与原煤谱差减，以获得煤的乙酸酯和乙酰胺的羰基谱（见图a）。,再用二阶导数处理得b谱，可得到1773、1740和1721、1661cm-1等6个吸收峰。,前二个峰是酚羟基与醇羟基与乙酸酐生成的酯羰基峰。1661cm-1峰是NH基生成的酰胺羰基吸收，1721峰则是乙酰化时残留的乙酸羰基吸收峰。,通过二阶导数谱可得到分辨清晰的羰基谱峰。,（1）煤乙酰化时：,导数光谱最大的应用亮点：指示隐蔽的叠合峰,42,图中a为烟煤镜煤质在30002800cm-1的吸收光谱。b为它的二阶导数光谱。图示的5个谱峰分别对应于,导数光谱的详细讲解，见导数光谱及其应用章节,43,八、分峰技术,（1）依据付里叶变换红外光谱法的原理，将需要分峰处理的光谱做付里叶反变换，变回干涉图后重新选用变迹函数，使再做付里叶变换后的光谱符合谱峰分离的要求。这一数据处理过程称为自一去卷积技术（SelfDeconvolution）。,红外光谱的定性鉴定和定量计算都需要有一定分离度的谱峰。由于凝聚态（固态、液态）样品的红外谱峰都有好几个波数的峰宽（半宽），提高仪器分辨率，无法分开这些叠加、掩盖的隐蔽峰。这就需要有相应的数据处理技术来分开或显示这些隐蔽峰的存在，这就是从实际需要呼出的分峰技术。,FTIR分峰技术有二类：,44,（1）自一去卷积法（SelfDeconvolutiion）,45,46,（2）曲线拟合分峰法,47,目标值或趋向最小。参数可以由计算机自动寻优。,48,红外光谱用于化合物鉴定，最重要的是测定谱图与标准谱图的比对，只有比对相同才能给出可靠的结论。早期的比对方法是人工查索，美国SADTLER（萨特勒）谱集是世界上数量最大（目前总数超过130万）的图库。配有四种查索方法（分子式；字顺；化学分类和谱线索引）。有230，000张纯有机化合物和商品化合物红外谱图收入谱库中用于计算机联机检索。红外光谱计算机谱库检索是FTIR仪器上普遍采用的数据处理技术，用户只能选购库源和使用程序，无法知道各公司检索软件采用的技术方法，故检索结果也有差异。,九、谱图检索,一些检索程序的编制方式会给正确查找光谱带来有益思考：,（1）最强峰的SPECFIND编码检索,这是萨特勒的谱线索引方法。把谱图中的最强峰为抓手，将全范围分成若干小区域，按规则将各峰填入小区，呈表进行核对。,（）非常重视最强峰，它是该化合物的最显著特征。最强峰不符，淘汰！很合理。,（）核对编码表，最相似的其谱图也貌合，不需要更多的光谱知识。,（c）可供人检索使用。,49,（2）有峰无峰检索,这是早期计算机谱库检索的一种方法。它把全域分成若干小区，再把待查谱图上各峰按规则填入各小区，用计算机快速比对，取出最相似者。,(）选入的各峰位置，允许左右摇晃，以消除不同仪器的记录误差，提高命中率。,(）只有峰位，没有峰强、峰形的信息，可靠性不足。,现行的计算机检索方法都