近红外光谱分辨率对定量分析的影响

近红外光谱分辨率对定量的影响 王一兵 1 　王红宇 2 　翟宏菊 1 　芦 菲 1 　吴卫红 1 　王海水 3 1 　席时权 1 1 (中国科学院长春应用化学研究所 ,稀土化学与物理重点实验室 ,长春 130022) 2 (吉林大学体育教研中心 ,长春 130022) 摘　要 　利用近红外光谱建立了多组分混合物中对乙酰氨基苯酚和乙水杨胺的定量分析模型。定量模型可 以快速准确地测定混合物中对乙酰氨基苯酚和乙水杨胺的含量。研究发现 ,光谱分辨率对定量分析模型有重 要影响。以光谱分辨率 4 cm - 1获得的光谱数据建立的对乙酰氨基苯酚定量模型 ,其校正集回归系数达到 019992;其偏差为 0. 2120;同时模型的验证集回归系数为 0. 9996,而标准偏差达到 0. 1848。以分辨率 1 cm - 1 和 8 cm - 1收集的光谱为基础获得的定量模型 ,其预测能力呈现不同程度下降趋势。研究结果表明 ,针 对具体样品的特定组分 ,需要选择合适的光谱分辨率 ,进而获得最佳的定量分析结果。 关键词 　近红外光谱 , 分辨率 , 定量分析 ,对乙酰氨基苯酚 　2005207213收稿 ; 2005208224接受 本文系国家自然科学基金 (No. 90306001、20273068)资助项目 1　引　　言 作为一种快速、简便、非破坏性的定性和定量分析方法 ,近红外光谱得到了迅速发展 [ 1 ]。近红外光 谱适用的材料范围和预测的性质种类繁多 ,比如农产品、石油产品、药品及乳产品等均可用近红外光谱 做定性或定量分析 [ 2～5 ]。近红外光谱分析通常包括样品制备、光谱测量、建立分析模型等步骤。为了建 立稳定、可靠、适用范围广的定性或定量分析模型 ,在实验各阶段应优化条件 ,尽量降低各种误差。在近 红外光谱测量时应该考虑光谱的测量范围、分辨率、扫描累加次数及测量方式 (透射 ,漫反射 )等。 人们通常认为 ,高的光谱分辨率有可能给出较为丰富的光谱信息。但高的光谱分辨率会导致收集 光谱的时间延长 ,同时往往增加光谱的噪音。如果材料或复杂组分中的特定组分 ,其近红外光谱有很强 的吸收 ,则光谱的信噪比容易满足实验要求。这时应该用较高的光谱分辨率进行测量以便获得较丰富 的光谱信息。如果材料对近红外光吸收较弱 ,就必须降低光谱分辨率或提高扫描次数获得好的信噪比。 选择合适的分辨率是获得高质量近红外光谱 (好的信噪比和丰富的信息 )的重要条件。毫无疑问 ,基于 近红外光谱建立的定量分析模型与光谱分辨率间存在一定联系。Ozaki等 [ 6 ]研究不同密度的聚乙烯丸 和薄膜的近红外光谱发现 ,分析模型的相关系数和交叉检验的残差平方根 ( the root mean square error of cross validation)与光谱分辨率关系很小。对某些样品 ,一定范围内改变测量分辨率或许基本不改变光 谱的性质 (信噪比和峰的数量 ,位置等 )。但许多样品的光谱质量与分辨率还是有关的。本论文研究了 光谱分辨率与定量分析模型间的关系 ,为建立实际模型选择最佳测量条件提供依据。为详细考察分辨 率对特定材料的影响 ,实验选取了多组分体系 ,可以用同一系列的光谱针对不同组分分别建立模型 ,进 而更好地评估分辨率的影响。 2　实验部分 样品系列由 4种固体粉末材料混合得到 :对乙酰氨基苯酚 ( acetoam inophen)、乙水杨胺 ( ethenz2 am ide)、乳糖 ( lactose)和玉米淀粉 ( cornstarch)。总共制备了 50个样品 ,对乙酰氨基苯酚的含量范围为 5. 4% ～24. 2% (重量比 ) ,乙水杨胺的含量为 5. 8 % ～24. 5%。 近红外光谱由布奇 (Buchi)公司的 N IRLab N2200光谱仪测量得到。光谱范围 4000～10000 cm - 1 , 光谱经 64次累加得到 ,漫反射测量方式。样品装入样品杯后 ,用光谱分辨率 1 cm - 1 , 4 cm - 1和 8 cm - 1分 别测量得到 3张光谱图。接着 ,重新装填该样品 ,再次获得 3种分辨率的 3张光谱。每种样品每一分辨 率条件下获得 3张光谱。定量分析模型由布奇 N IRCal V4. 21软件计算得到。35个样品 (105个光谱 ) 第 34卷 2006年 5月 　　　　　　　　　　　　 分析化学 ( FENX I HUAXUE) 　研究简报 Chinese Journal of Analytical Chem istry 　　　　　　　　　　　　 第 5期 699～701 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 被用作校正集 ( calibration set) , 15个样品 (45个谱 )被用作验证集 ( validation set)。最佳定量分析模型 由计算机软件和研究者共同选择决定。 3　结果与讨论 图 1是 1号样品的近红外光谱图 ,光谱分辨率 4 cm - 1。2号 ～50号样品的红外光谱与 1号样品的 光谱相似 ,只是谱峰的相对强度发生了变化。 图 2给出了利用分辨率为 4 cm - 1的光谱建立的定量分析模型来预测对乙酰氨基苯酚含量的散点 图。模型对校正集 (▲ calibration set, 105 spectra)和验证集 (○ validation set, 45 spectra)的样品都有很 　图 1　1#样品的近红外光谱 ( 4 cm - 1分辨率 ) Fig. 1　Near infrared (N IR) spectrum of samp le 1# ( spec2 tral resolution 4 cm - 1 ) 　图 2　近红外光谱 (分辨率 4 cm - 1 )定量分析模型预测 对乙酰氨基苯酚含量 Fig. 2　Calibration models for p redicting the content of acetam ino2 phen from the N IR spectra with resolution 4 cm - 1 (▲) 校正样品 ( calibration set) ; ( ○ ) 验证样品 ( validation set)。 好的预测能力。实际上 ,从图中看出 ,校正集和验证 集的相关系数 ( regression coefficient)高达 0. 9992和 0. 9996;校正集和验证集的标准偏差 [ the standard 　图 3　1#样品的近红外光谱 ( 1 cm - 1分 辨率 ) Fig. 3　Near infrared spectrum of samp le 1# ( spectral resolution 1 cm - 1 ) deviation from the p roperty residuum, Calibration Set SEE ( SEE ) and Validation Set SEE ( SEP) ] 分别为 0. 2120和 0. 1848。上述 统计结果表明 ,该模型可以准确预测药物的含量。 提高光谱的分辨率会增加噪音 ,进而影响光谱的信噪比。图 3是 1#样品在光谱分辨率为 1 cm - 1时的近红外谱图。比较图 3 与图 1,可以看到图 3的噪音有所增加。尤其在吸收率低的时候 , 现象更为明显。光谱信噪比的变化势必会影响到定量分析模型 的预测能力。 利用分辨率为 1 cm - 1的光谱建立的定量分析模型其预测能 力明显下降 (见图 4)。图 4中 ,校正集和验证集相关系数 ( regres2 sion coefficient)分别为 0. 9978和 0. 9983; 校正集和验证集的标 准偏差分别为 0. 3656和 3998。以上结果说明 ,过高的分辨率会 导致光谱信噪比下降 ,进而影响定量模型的质量。同样 ,如果测量时分辨率过低 ,则不能提供足够的光 谱信息 ,也会影响定量模型的质量。例如 ,本实验利用分辨率为 8 cm - 1 的光谱建立的定量模型 ,其预测 对乙酰氨基苯酚含量的准确度进一步下降 ,校正集和验证集的标准偏差达到 0. 4280和 0. 5069。 利用同样的光谱系列 ,同样的校正集和验证集 ,建立了乙水杨胺的定量分析模型。研究结果表明 , 8 cm - 1和 4 cm - 1分辨率光谱建立的模型有非常好的预测能力 ,而 1 cm - 1分辨率光谱建立的模型预测能 力明显变差。对比乙水杨胺与对乙酰氨基苯酚的结果清楚地表明 ,分辨率为 8 cm - 1的光谱可以建立较 好的测定混合物中乙水杨胺含量的模型 ,而用同样的光谱建立的测量对乙酰氨基苯酚含量的模型偏差 较大。针对每一样品 ,需要选择适宜的分辨率。 综上所述 ,可以得到以下结论 :近红外光谱分辨率对定量分析结果有重要影响。对乙酰氨基苯酚而 言 , 4 cm - 1分辨率最佳 , 8 cm - 1分辨率最差。对于乙水杨胺来说 , 1 cm - 1分辨率最差 , 4 cm - 1和 8 cm - 1分 007　　 分 析 化 学 第 34卷 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 辨率都可以得到很好的结果。根据样品的性质选择适宜的光谱分辨率 ,才能获得满意的定量分析结果。 图 4　近红外光谱 (1 cm - 1 )定量分析模型预测对乙酰氨基苯酚 含量 Fig. 4　Calibration models for p redicting the content of acetam inophen from the N IR spectra with resolution 1 cm - 1 (▲) 校正样品 ( calibration set) ; (○) 验证样品 ( validation set)。 References 1　Yan Yanlu (严衍禄 ) , Zhao Longlian (赵龙莲 ) , Han Donghai(韩东海 ) , Yang Shum ing(杨曙明 ). Principle and A pplication of N ear Infrared Spectroscopy (近红外光谱分析基础与应用 ). Beijing(北京 ) : L ight Industry Press of China (中国轻工业 出版社 ) , 2005: 126 2　Nurns D A, Ciurczak E W. Handbook of N ear2infrared A nalysis. New York: Marcel Dekker, 2001: 307 3　Hu Gangliang(胡钢亮 ) , LüXiuyang(吕秀阳 ) , Luo L ing(罗 　玲 ) , Xu Zhude (徐铸德 ). Chinese J. A nal. Chem. (分析 化学 ) , 2004, 32 (8) : 1061～1063 4　L i Daixi(李代禧 ) , W u Zhiyong(吴智勇 ) , Xu Duanjun (徐端钧 ) , Xu Yuanzhi (徐元植 ). Chinese J. A nal. Chem. (分 析化学 ) , 2004, 32 (8) : 1070～1073 5　W ang Haishui(王海水 ) ,W ang Dongmei(汪冬梅 ) , Xi Shiquan (席时权 ). A nalysis and Testing Technology and Instrum ents (分析测试技术与仪器 ) , 2002, 8 (3) : 136～138 6　Sato H, Shimoyama M , Kam iya T, Ozaki Y. J. N ear Infrared Spectrosc. , 2003, 11: 309 Influence of Near Infrared Spectra l Resolution on the Quan tita tive Ana lysis W ang Yibing1 , W ang Hongyu2 , Zhai Hongju1 , Lu Fei1 , W u W eihong1 ,W ang Haishui3 1 , Xi Shiquan1 1 (Laboratory of Rare Earth Chem istry and Physics, Changchun Institu te of A pplied Chem istry, Ch inese A cadem y of Sciences, Changchun 130022) 2 (J ilin U niversity, Changchun 130022) Abstract　Near infrared (N IR ) spectra of 50 powder samp les containing acetam inophen and ethenzam ide were measured with spectral resolution 1, 4 and 8 cm - 1 respectively, and the calibrations were made from these N IR spectra for the p roperties of acetam inophen and ethenzam ide. The best calibration for acetam ino2 phen, which p rovides a SEE ( the standard deviation from the p roperty residuum ) about 0. 20 both for calibra2 tion set and validation set spectra, was built with 4 cm - 1 spectral resolutions. Both higher resolution (1 cm - 1 ) and lower resolution ( 8 cm - 1 ) spectra p rovide a little worse calibration results. The above calibra2 tion results demonstrate that the spectral resolution has an important effect on the calibration results and the successful app lication of N IR is highly dependent on the p roper selection of spectral resolution. Keywords　Near Infrared spectra, spectral resolution, quantitative analysis, acetam inophen (References 13 July 2005; accep ted 24 August 2005) 107第 5期 王一兵等 :近红外光谱分辨率对定量分析的影响 　　 © 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net