谷物近红外光谱分析中常用数据处理方法讨论.pdf

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1、第Z1卷第1期吉林大学学报(信息科学版)VOl-Z1NO-1Z003年Z月J0URNAL0FJILINUNIVERSIT(INF0RMATI0NSCIENCEEDITI0N)Feb.Z003文章编号:1671-5896(Z003)01-0004-06谷物近红外光谱分析中常用数据处理方法讨论张军19郑咏梅Z9王芳荣39陈星旦1(1-中国科学院长春光学精密机械与物理研究所国家应用光学重点实验室9吉林长春1300ZZ;Z-吉林大学物理学院9吉林长春1300Z5;3-吉林大学通信工程学院9吉林长春13001Z)

2、摘要:在研究近红外光谱的物理机理的同时9对光谱分析中常用的数据处理方法偏最小二乘法(PartialLeaStSguareS)~多元线性回归法(MultipleLinearRegreSSiOn)和人工神经网络法(ArtificialNeuralNetwOrk)从理论上进行了分析和比较;指出了对光谱数据进行求导~SNV(StandardNOrmalVariate)算法~滤波等预处理的重要性;讨论了近红外光谱分析常用方法在谷物成份检测中的应用O关键词:近红外光谱分析;化学计量学;光谱数据预处理方法中图分类号:

3、0433-5文献标识码:A引言近红外光谱分析在石油化工~农牧业~食品工业~煤炭~土壤~环保~纺织~及生物医学等许多领域有广泛的应用O近红外光(NearInfrared)一般是指波长为0-8~Z-7pm范围的电磁辐射O近红外光谱分析是指利用近红外光的透射和漫反射对待测物进行定性或定量分析的过程O它主要包括近红外测试仪器~样品的准备~实验分析和数据处理O近红外分析的特点是:1)不需要破坏样品O不用对样品进行化学预处理9不需要化学试剂OZ)分析速度快O近红外仪器定标后9在十几秒到一两分钟的时间内(具体时间取决

4、于仪器的类型)可同时显示样品多种成份含量;并可在线监测O1近红外光谱分析的物理学原理1-1近红外光谱的产生机理根据量子力学9物质对光的选择性吸收是由物质的分子结构决定的O只有当光子的能量(E=hv)与分子的转动~振动或电子能的能级间隔相等时它才会被吸收O并且分子只吸收与它特征振动能量一致的光子并被激发到较高的能级O一个由n个原子组成的分子有3n个自由度9其中3个是平动自由度93个为分子整体转动自由度O剩下(3n-6)个为分子内原子相互作用自由度O这(3n-6)个自由度对应了(3n-6)个基频吸收O基频吸

5、收是指把分子从量子数为1的能级激发到量子数为Z的能级时所吸收的能量O若光子把分子从1能级激发到3能级或更高的能级9就称为倍频吸收O光子同时激发两个能级的吸收称为合频吸收O还有一种吸收称作Fermi共振O当某一基频频率与另一基频的合频或倍频能量相等时会产生Fermi共振O此时会出现两个吸收带9它们分别比基频频率的期望值稍高或比合频频率的期望值稍低O实际上基频吸收并没有那么多9这是因为分子本身具有对称性9一些吸收带会重合O有的吸收带非常接近9很难'收稿日期:Z00Z-07-Z0基金项目:国家十五攻关课题(Z

6、001A51Z04(01))作者简介:张军(1968)9女9吉林长春人9中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生9从事光谱分析研究9E-mail:ZhangZ-lineSina-cOm;陈星旦(19Z7)9男9湖南湘乡人9中国科学院院士9博士生导师9主要从事极紫外和软射线光学~红外光谱学及光电子学的研究O第1期张军9等,谷物近红外光谱分析中常用数据处理方法讨论5区分D有的太弱9观测不到D也有的超出了分光光度计的测量范围D在分子中9如果成键的两个原子的正负电荷中心不重合9这两个原子就形成一对电偶极

7、子D电偶极子以一定的频率振动9也能吸收光子9因而会对吸收谱产生影响D若某物质中的原子完全非极性且完全对称9则该物质在不同波长处的吸收相等9吸收谱会是一条直线D实际中的分子并非如此9其吸收谱中的每一波峰或每一波谷都反映了分子的组成结构特征D这是光谱分析的物理基础D一般是质量最小的氢原子(1)引起近红外波段的吸收D氢原子不仅能引起分子的基频吸收9还会产生非简谐振动并引起较强的倍频吸收D1的基频吸收在200~3600nm范围内9绝大多数倍频在400~2200nm内91800~2500nm为合频区域D1的基频和

8、倍频与分子中的其他振动耦合产生了遍布整个近红外区域的合频吸收D这样每个分子都会有许多个吸收带D吸收带的强弱还受分子浓度的影响D特征吸收是某些分子或原子团所具有的特征D某一给定分子的确定原子团的基频吸收总是出现在同一位置D当然该位置的准确程度还要受温度~湿度等外界因素的影响D由于振动的非简谐性9合频的频率要比基频的和与倍数稍小D每级倍频或合频的吸收强度比前一级低1~2个数量级D若已知某原子团的特征吸收~其他原子团对吸收的影响以及一些简单化合物