1、.,理 論 背 景,.,原子核轉(zhuǎn)變,電磁轉(zhuǎn)動,分子轉(zhuǎn)動,分子振動,外層電子的躍遷,內(nèi)層電子的躍遷,Interaction,Region,Wavelength (cm-1),Wavelength (m),12,800 cm-1 (780 nm),4,000 cm -1 (2,500 nm),什么是近紅外/中紅外光？,400 cm -1 (25,000 nm),4,000 cm -1 (2,500 nm),近紅外：,中紅外：,.,近紅外的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用發(fā)展里程,1800年近紅外電磁波被發(fā)現(xiàn)，光譜的復(fù)雜性使其“沉睡”了一個 半世紀 20世紀70年代國外的農(nóng)業(yè)分析學(xué)家綜合計算機技術(shù)、光譜分 析技術(shù)、儀器技

2、術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法，首先把近紅外分析技術(shù) 應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品和食品的品質(zhì)分析 進入90年代，近紅外分析技術(shù)逐步受到分析化學(xué)家的重視， 應(yīng)用逐步擴展到石油化工、醫(yī)藥、生物化學(xué)、煙草、紡織品等 領(lǐng)域。 近紅外現(xiàn)已發(fā)展成為一種獨立的分析技術(shù)活躍在光譜分析領(lǐng) 域 發(fā)達國家已經(jīng)將近紅外做為質(zhì)量控制、品質(zhì)分析和在線分析 的主要手段，部分方法已經(jīng)成為USP、EP、PASG、EMEA、 AOAC、AACC、ICC的標準。,.,紅外波長表示的度量單位,近紅外區(qū)一般用波長（納米 nm)或（波數(shù)cm-1）來表示 納米與波數(shù)的換算關(guān)系：nm= 107/cm-1 或 cm-1 = 107/ nm 因為：1cm=107nm 1,

3、250nm處，用波數(shù)表示： 107/ 1,250=8,000cm -1 中紅外區(qū)一般用波長（微米 m)或（波數(shù)cm -1 ）來表示 微米與波數(shù)的換算關(guān)系：nm= 104/cm -1 或 cm-1 = 104/ nm 因為：1cm=104 m 5 m處，用波數(shù)表示： 104/ 5=2,000cm -1,.,近紅外光譜的信號特征,1、近紅外光的產(chǎn)生：近紅外光源一般用鹵素?zé)?2、近紅外光的檢測：近紅外光的檢測材料是半導(dǎo)體材料，如 Si、PbS、 InAs、Ge、InGaAs等 3、光學(xué)材料：可以使用耐水和便于維護的材料，如：低OH 石英、石英和火石玻璃、CaF等。,.,中紅外光譜的信號特征,1、中紅

4、外光的產(chǎn)生：中紅外光源一般用硅碳棒 2、中紅外光的檢測：中紅外光的檢測材料是半導(dǎo)體材料，如 MCT、DTGS等 3、光學(xué)材料：可以使用“怕水”的材料如：KBr、NaCl，耐水 材料CaF、ZnSe、Si等。,.,紅外光譜振動的基本原理,hn,低能量 高能量,.,Fundamental 振動基頻,1st Overtone 一級倍頻,2nd Overtone 二級倍頻,3rd Overtone 三級倍頻,諧波振動Harmonic Oscillation,非諧波振動Anharmonic Oscillation,振動能級水平,紅外光振動模式的能級圖,.,不同的振動形式,對稱伸縮振動 非對稱伸縮振動 搖

5、擺振動,.,不同的振動形式,搖擺振動 彎曲振動 剪切振動,.,H,H,O,Sym-stretching,Bending,Asym-stretching,3756 cm-1,3657 cm-1,1595 cm-1,Molecular vibration modes,.,CHCl3 在MIR k;c,光源,: 消光系數(shù) c: 濃度 k: 散射系數(shù),定量分析的理論依據(jù),.,單變量建模(QUANT 1) 單一組分體系的建模，只使用1個光譜點分析含量 (2組分=2波數(shù), . ) 通過峰高或峰面積，進行分析,理 論 背 景 單變量建模,多變量建模 (QUANT 2) 單組分或多組分體系的建模，通常選用整個

6、波數(shù)范圍通過化學(xué)計量學(xué)方法(如PLS)，進行分析,.,單變量建模，遵從Beers 定律 A = pC + e A: 指定波數(shù)處的吸光值 p: 指定波數(shù)處的系數(shù) C: 單組分的濃度,理 論 背 景 單變量建模,指定的波數(shù)只有一個；對應(yīng)峰需從重疊峰中分離出來,.,分析,1,2,4,5,吸光度,濃 度,1,4,2,5,吸光度,波 數(shù),X,X,理 論 背 景 單變量建模,.,優(yōu)點： 形象、直觀，便于理解,缺點： 非全譜分析的方法 不能識別由其它未知組分造成的異常項或干擾 探測器噪聲引起的統(tǒng)計誤差直接表現(xiàn)在含量值中，必須多次重復(fù)測量 分析多組分體系時，待測組分的信號峰必須完全分開 未考慮溫度波動或分子內(nèi)

7、部相互作用,理 論 背 景 單變量建模,.,1標準方法分析樣品,2. 采集光譜,3. 優(yōu)化、檢驗、 建立模型,1. 測定未知樣品光譜,2. 調(diào)用模型,3. 預(yù)測結(jié)果,定 量 分 析 基 本 原 理,建立模型,分析樣品,.,Spectra of the calibration samples,Concentration values of calibration samples,+,=,Calibration function,Measured data,Concentration data,多元定量分析,.,Spectra of the unknown sample,Concentration

8、 of unknown samples,+,=,Calibration function,Measured data,Result of analysis,多元定量分析,.,近紅外分析的過程,數(shù)據(jù)采集,樣品集選擇,校正模型,常規(guī)分析,編輯,顯示,預(yù)測,評價光譜數(shù)據(jù),模型,優(yōu)化,分析未知樣品,驗證,譜區(qū)選擇,光譜預(yù)處理選擇,.,內(nèi)部交叉檢驗,Differ1 Differ2 Differ3 Differn,內(nèi)部交叉檢驗(cross validation),.,外部檢驗（Prediction）,Differ1 Differ2 Differ3 Differn,模型,檢驗樣品,.,模型內(nèi)部交叉檢驗,決定

9、系數(shù),均方差,同一組樣品、同一組分，R2越大，RMSECV越小。 決定于模型優(yōu)化的條件、實驗室化學(xué)分析水平和近紅外 儀器的性能。 RMSECV最重要，決定預(yù)測樣品的誤差大小。,.,如何判定近紅外定量分析是否可行?,RMSEE、RMSEC或SEC（C：Calibration），RMSECV、SECV（CV：Cross Validation），RMSEP、SEP（P：Prediction）三者的關(guān)系： RMSEE與RMSECV: 同一模型，RMSEE一定小于RMSECV；但兩者不應(yīng)存在顯著性差異，否則，樣品代表性不好或模型信息提取不充分。 RMSECV與RMSEP: RMSEP遠大于RMSECV，

10、建模樣品的代表性差、模型信息擬和不夠或過擬和；RMSEP遠小于RMSECV，驗證樣品代表性差。 文章或方法中只給出校正均方差，不能說明任何問題，要注意。 至少要給出交叉檢驗均方差，當(dāng)然最好給出預(yù)測均方差。 RMSECV應(yīng)該與實驗室標準方法的精密度相當(dāng)。,.,校正,交叉檢驗,如何判定近紅外定量分析模型的質(zhì)量,外部檢驗,.,各組分之間出現(xiàn)相關(guān)性,.,怎樣建立好的近紅外定量分析模型？,1、確定近紅外定量分析的目標準確度。 實驗室標準方法的準確度和精密度確認。 2、選擇分析樣品的近紅外附件、光譜掃描的參數(shù)、規(guī)范操作步驟。 3、選擇或配備代表性建模樣品集。 4、模型優(yōu)化。 5、模型驗證（內(nèi)部交叉驗證和外

11、部驗證）。,.,確定近紅外定量分析的目標準確度,近紅外定量分析方法是二級方法，利用化學(xué)計量學(xué)方法將近紅外 光譜與實驗室分析數(shù)據(jù)進行關(guān)聯(lián)，建立近紅外模型對未知樣品進行預(yù)測。 實驗室分析數(shù)據(jù)的準確度非常重要，完全遵循“量子傳遞”的誤差理 論。實驗室數(shù)據(jù)越準確，近紅外模型的準確度也會越高。 目標準確度是評價近紅外模型的首要條件。,.,確定近紅外定量分析的目標準確度,考察實驗室數(shù)據(jù)： 方法的可靠性 方法的準確性 方法的重現(xiàn)性 方法的誤差范圍 測試中偶然誤差、系統(tǒng)誤差,.,實驗條件的選擇,根據(jù)儀器的光譜響應(yīng)特征 1、選擇分析樣品的近紅外附件 液體樣品要選擇不同光程的比色皿： 顏色深、吸收強的樣品，光程短

12、；顏色淺、吸收弱，光程長。 固體樣品要根據(jù)粒徑大小、均勻程度選擇： 粒徑大、不均勻的樣品應(yīng)選擇掃描面積大的樣品附件。 粒徑小、均勻的樣品應(yīng)選擇掃描面積小或大的樣品附件。 2、光譜掃描的參數(shù) 分辨率、掃描次數(shù)、光譜范圍。 3、規(guī)范操作步驟 特別對固體樣品要保證裝樣的一致性。 最終目的：得到穩(wěn)定的高質(zhì)量光譜。,.,不同光程比色皿測定的光譜,5mm光程,2mm光程,.,樣品集的選擇,選擇或配備代表性建模樣品集。 天然樣品和反應(yīng)過程中的樣品，選擇的代表性樣品數(shù)量比較大。 成分已知樣品，選擇的代表性樣品數(shù)量比較少。 可使用化學(xué)計量學(xué)方法對樣品進行選擇、設(shè)計。,.,不同含量樣品數(shù)的選擇,不同含量樣品數(shù)量選

13、擇不能以現(xiàn)實的樣品變化進行選擇，應(yīng)該在所有含量范圍內(nèi)均勻選擇。,完美的分布 (很少出現(xiàn)的情況),比較合理的分布,.,樣品分布,食品、煙草、化工、煉油等產(chǎn)品的樣品分布情況,10,Mean,25,百分比分布,# of Samples with Level of Constituent,制藥分布,10,正常樣品,25,百分比分布,# of Samples with Level of Constituent,.,模型優(yōu)化,模型優(yōu)化 譜區(qū)范圍的選擇 選擇信息量相關(guān)性最大的譜區(qū)。 光譜預(yù)處理方法的選擇 選擇減小光譜漂移、增加信息量、穩(wěn)定可靠的光譜預(yù)處理方法。 最佳Rank（PLS算法） 相同的譜區(qū)范圍，RMSECV無顯著性差別，Rank小的模型好。,.,最佳譜區(qū)的選擇,最佳譜區(qū),最佳譜區(qū)的相關(guān)圖,交叉檢驗的相關(guān)圖,絕對誤差分布圖,.,矢量歸一化預(yù)處理的PLS模型,R2=96.63RMSECV=0.05%Rank=2,光譜預(yù)處理方法選擇,一階導(dǎo)數(shù)預(yù)處理的PLS模型,R2=99.68RMSECV=0.02%Rank=2,.,模型優(yōu)化條件的選擇：譜區(qū)寬度、Rank大小、預(yù)處理方法,最佳Rank的選擇,.,RMSECV vs Rank圖表,模型內(nèi)部交叉檢驗,結(jié)果不好！,.,模型內(nèi)部交叉檢驗,RMSECV vs Rank圖表,結(jié)果一般！,.,模型內(nèi)部交叉檢驗,RMSECV vs