近红外基础知识.ppt

Mastertitelformat bearbeiten,Mastertextformat bearbeiten,Zweite Ebene,Dritte Ebene,Vierte Ebene,Fnfte Ebene,理 论 背 景,原子核转变,电磁转动,分子转动,分子振动,外层电子的跃迁,内层电子的跃迁,-,射线,X,射线,紫外,可见,近红外,中红外,远红外,电子自旋振动,核磁振动,红外,微波,Radio,TV,无线电波,Interaction,Region,10,8,10,7,10,6,10,5,10,4,10,3,10,2,10,1,1,10,-1,10,-2,10,-3,10,-10,10,-9,10,-8,10,-7,10,-6,10,-5,10,-4,10,-3,10,-2,10,-1,1,10,1,Wavelength,(cm,-1,),Wavelength,(m),12,800,cm,-1,(780 nm),4,000 cm,-1,(2,500 nm),什么是近红外,/,中红外光？,400 cm,-1,(25,000 nm),4,000 cm,-1,(2,500 nm),近红外：,中红外：,近红外的发现和应用发展里程,1800年近红外电磁波被发现，光谱的复杂性使其“沉睡”了一个,半世纪,20世纪70年代国外的农业分析学家综合计算机技术、光谱分,析技术、仪器技术和现代数学方法，首先把近红外分析技术,应用于农产品和食品的品质分析,进入90年代，近红外分析技术逐步受到分析化学家的重视，,应用逐步扩展到石油化工、医药、生物化学、烟草,、,纺织品等,领域。,近红外现已发展成为一种独立的分析技术活跃在光谱分析领,域,发达国家已经将近红外做为质量控制、品质分析和在线分析,的主要手段，部分方法已经成为,USP、EP、PASG、EMEA、,AOAC、AACC、ICC,的标准。,红外波长表示的度量单位,近红外区一般用波长（纳米,nm),或（波数,cm,-1,）,来表示,纳米与波数的换算关系：,nm=10,7,/cm,-1,或,cm,-1,=10,7,/nm,因为：1,cm=10,7,nm,1,250nm,处，用波数表示：10,7,/1,250=8,000cm,-1,中红外区一般用波长（微米,m),或（波数,cm,-1,）,来表示,微米与波数的换算关系：,nm=10,4,/cm,-1,或,cm,-1,=10,4,/nm,因为：1,cm=10,4,m,5,m,处，用波数表示：10,4,/5=2,000cm,-1,近红外光谱的信号特征,1、近红外光的产生：近红外光源一般用卤素灯,2、近红外光的检测：近红外光的检测材料是半导体材料，如,Si、PbS、InAs、Ge、InGaAs,等,3、光学材料：可以使用耐水和便于维护的材料，如：低,OH,石英、石英和火石玻璃、,CaF,等。,中红外光谱的信号特征,1、中红外光的产生：中红外光源一般用硅碳棒,2、中红外光的检测：中红外光的检测材料是半导体材料，如,MCT,、,DTGS,等,3、光学材料：可以使用“怕水”的材料如：,KBr,、,NaCl,，耐水,材料,CaF,、,ZnSe,、,Si,等。,红外光谱振动的基本原理,h,n,低能量 高能量,Fundamental,振動基頻,1,st,Overtone,一級倍頻,2,nd Overtone,二級倍頻,3,rd Overtone,三級倍頻,谐波振动,Harmonic Oscillation,非谐波振动,Anharmonic Oscillation,振动能级水平,红外光振动模式的能级图,不同的振动形式,对称伸缩振动 非对称伸缩振动 摇摆振动,不同的振动形式,摇摆振动 弯曲振动 剪切振动,H,H,O,Sym-stretching,Bending,Asym-stretching,3756 cm-1,3657 cm-1,1595 cm-1,Molecular vibration modes,CHCl,3,在,MIR&NIR,的吸收光谱,2000,4000,6000,8000,10000,Wavenumber/cm,-1,0.0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,1.2,1.4,1.6,Absorbance Units,(CH),MIR&NIR (d=25 m),NIR (d=1 mm),2,(CH),3,CH),combination band,近红外与中红外光谱的差异,近红外与中红外的区别,1,、近红外是基频振动的合频,与倍频振动信息。,中红外是基频振动的信息。,2,、近红外的谱峰重叠严重，,难以肉眼识别分析。,中红外谱峰分别好。很容,易肉眼识别分析。,3,、近红外吸收弱。,中红外吸收强,。,4,、近红外制样简单。,中红外制样麻烦。,聚丙烯的近红外,/,中红外光谱,不同化合物基团在近红外区的吸收谱带,物质在近红外谱区的吸收主要包括以下基团基频振动的合频和倍频振动吸收,C-H,N-H,O-H,S-H,C=O,C=C,近红外的合频振动的吸收系数比中红外基频振动吸收弱 1-5个数量级,.,0,1,2,3,4,5,9000,8000,7000,6000,5000,4000,3000,2000,NIR,MIR,Absorbance,Wavenumber cm,-1,Water Spectrum,近红外吸收光谱特征,吸收,全反射,漫(反)射,透射,散射,scattering,transmittance,Diffuse reflectance,absorption,近紅外光与物质的相互作用,specula reflectance,光源,单色器或干涉仪,样品,样品,样品,单色器或干涉仪,单色器或干涉仪,光源,检测器,检测器,检测器,Near-IR Transmittance(NIT),透射式,Near-IR Reflectance(NIR),漫射式,Near-IR Trans-Reflectance(NITR),透漫射式,检测器,近红外的采样方法,光源,400,550,700,850,1000,1150,1300,1450,1600,1750,1900,2050,2200,2350,2500,Wavelength(nm),散射增强,透射增强,透射深度=,0.1-0.5mm,透射深度=,厘米,低散射,高散射,散射与穿透深度的变化,固体近红外光谱中的粒径,(,particle size),影响,不同颗粒度大小样品的近红外光谱,烟丝,烟粉末,近红外吸收光谱的特点,近红外吸收光谱的特点:,随着基频振动合频和倍频的增加，吸收峰重叠的越严重，吸收越来越弱。,多组分复杂样品的近红外光谱不是各组分单独光谱的叠加。,消光系数弱，穿透样品的能力强(最深可达5,cm),需要“化学计量学”技术从复杂的光谱中提取信息（,Y=a+bx,1,+cx,2,+dx,3,）,。,固体中药样品的近红外吸收光谱,什么是定性分析,?,定性分析是确认分析对象是什么，或者是某种物质,（,Yes,）,还是不是某种物质（,No,）。,近红外的定性分析方法主要包括：,聚类分析,(Cluster Analysis),鉴别分析,(Identity),一致性测试,(Conformity Test),Plot of scores of factor 2 vs.1,Factor 1,Factor 2,因子分析,Factor analysis,树形图,诊断,柱形图,建立模型,测定未知样品,1.测定代表性样品测试,2.计算平均光谱和阈值,3.建立和检验模型,1.测定未知样品光谱,2.调用模型,3.鉴定未知样品,Sample Identified,as Material X,鉴别分析（,Identity,）,的基本原理,阈值的计算公式：,阈值最大匹配值,X*SDev,光谱距离的标准偏差,阈值,最大匹配值,选择性是用来考虑模型好坏的一个重要指标,:,S1,The sample is positively identified only when:,Hit Quality,Threshold for all other library materials.,Hit Quality of the unknown spectrum:0.010943,Threshold for acetyl salicylic acid:0.046744,Hit No.,Hit Quality,Threshold,Substance,1,0.01094,0.04674,Acetyl salicylic acid,2,0.18745,0.00888,Salicylic acid,3,0.25988,0.02077,Salicylamide,4,0.44652,0.01406,Collidon 25,5,0.45558,0.00491,Collidon 30,一个典型的定性分析例子,NIR Overview,目的,QA/QC,的样品进行定量或定性分析模型的建立太昂贵、麻烦或不可能,应用,测试每一批或生产周期样品的一直性,原则,同样成分、一样的近红外光谱,算法,测定样品光谱与参考光谱的偏差值是否超出某一水平,一致性测试,参考样品,计算参考光谱的平均光谱和每一个波长点（,i,）标准偏差,(,s),样品,计算样品光谱每个波长点（,i,）的相对偏差（,Q,）,Q,i,=(A,i,sample,-Ai,average,)/,s,i,average,一直性指标,CI,被定义为最大的相对偏差,Q,i,CI=max(Q,i,),结果绘图,一致性测试,Preprocessed spectra,Reference spectra,Average spectrum,Standard deviation spectra (,+/-,3,s,),一致性测试,Preprocessed spectra including test spectra,Reference spectra,Test spectra,Average spectrum,Standard deviation spectra (,+/-3,s,),一致性测试,Validation results max.CI,一致性测试,Validation results Sum1,一致性测试,CI spectra,Reference spectra,Test spectra,Standard deviation spectrum,一致性测试,Examples:monitoring of mixing process,一致性测试,Examples:tablets placebo vs verum,一致性测试,优点,基于少量参考样品基础的简单方法,无需定量校准和定性库的建立,用少量合格批次的产品能够进行简单、快速建立或更新模型,快速的,QA/QC,、简单的,Yes/No,结果,对于不同类型样品的变化非常敏感,(,如,成分、颗粒大小等）,一致性测试,Beer,定律:,A=-log,I,trans,/I,0,=-log,T=,cd,d,;,c,I,0,I,trans,光源,检测器,:,消光系数,c:,浓度,d:,光程,定量分析的理论依据,比尔定律:,A,=-log,I,scatt,/I,0,=-log,R=const,.,c,适用于近红外.,;,k;c,I,0,光源,检测器,I,散射,:,消光系数,c:,浓度,k:,散射系数,定量分析的理论依据,单变量建模,(QUANT 1),单一组分体系的建模，只使用,1,个光谱点分析含量,(2组分,=2,波数,.),通过峰高或峰面积，进行分析,理 论 背 景,单变量建模,多变量建模,(QUANT 2),单组分或多组分体系的建模，通常选用整个波数范围通过化学计量学方法,(,如,PLS),，进行分析,单变量建模，遵从,Beer,s,定律,A=pC+e,A:,指定波数处的吸光值,p:,指定波数处的系数,C:,单组分的浓度,理 论 背 景,单变量建模,指定的波数只有一个；对应峰需从重叠峰中分离出来,分析,1,2,4,5,吸光度,浓 度,1,4,2,5,吸光度,波 数,X,X,理 论 背 景,单变量建模,优点：,形象、直观，便于理解,缺点：,非全谱分析的方法,不能识别由其它未知组分造成的异常项或干扰,探测器噪声引起的统计误差直接表现在含量值中，必须多次重复测量,分析多组分体系时，待测组分的信号峰必须完全分开,未考虑温度波动或分子内部相互作用,理 论 背 景,单变量建模,1标准方法分析样品,2.采集光谱,3.优化、检验、,建立模型,1.测定未知样品光谱,2.调用模型,3.预测结果,定 量 分 析 基 本 原 理,建立模型,分析样品,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 of unknown samples,+,=,Calibration function,Measured data,Result of analysis,多元定量分析,近红外分析的过程,数据采集,样品集选择,校正模型,常规分析,编辑,显示,预测,评价光谱数据,模型,优化,分析未知样品,验证,谱区选择,光谱预处理选择,内部交叉检验,Differ,1,Differ,2,Differ,3,Differ,n,内部交叉检验,(cross validation),外部检验（,Prediction,）,Differ,1,Differ,2,Differ,3,Differ,n,模型,检验样品,模型内部交叉检验,决定系数,均方差,同一组样品、同一组分，,R2,越大，,RMSECV,越小。,决定于模型优化的条件、实验室化学分析水平和近红外,仪器的性能。,RMSECV,最重要，决定预测样品的误差大小。,如何判定近红外定量分析是否可行,?,RMSEE,、,RMSEC,或,SEC,（,C,：,Calibration,），,RMSECV,、,SECV,（,CV,：,Cross Validation,），,RMSEP,、,SEP,（,P,：,Prediction,）三者的关系：,RMSEE,与,RMSECV:,同一模型，,RMSEE,一定小于,RMSECV,；但两者不应存在显著性差异，否则，样品代表性不好或模型信息提取不充分。,RMSECV,与,RMSEP:,RMSEP,远大于,RMSECV,，建模样品的代表性差、模型信息拟和不够或过拟和；,RMSEP,远小于,RMSECV,，验证样品代表性差。,文章或方法中只给出校正均方差，不能说明任何问题，要注意。,至少要给出交叉检验均方差，当然最好给出预测均方差。,RMSECV,应该与实验室标准方法的精密度相当,。,校正,交叉检验,如何判定近红外定量分析模型的质量,外部检验,各组分之间出现相关性,怎样建立好的近红外定量分析模型？,1,、确定近红外定量分析的目标准确度。,实验室标准方法的准确度和精密度确认。,2,、选择分析样品的近红外附件、光谱扫描的参数、规范操作步骤。,3,、选择或配备代表性建模样品集。,4,、模型优化。,5,、模型验证（内部交叉验证和外部验证）。,确定近红外定量分析的目标准确度,近红外定量分析方法是二级方法，利用化学计量学方法将近红外,光谱与实验室分析数据进行关联，建立近红外模型对未知样品进行预测。,实验室分析数据的准确度非常重要，完全遵循“量子传递”的误差理,论。实验室数据越准确，近红外模型的准确度也会越高。,目标准确度是评价近红外模型的首要条件。,确定近红外定量分析的目标准确度,考察实验室数据：,方法的可靠性,方法的准确性,方法的重现性,方法的误差范围,测试中偶然误差、系统误差,实验条件的选择,根据仪器的光谱响应特征,1,、选择分析样品的近红外附件,液体样品要选择不同光程的比色皿：,颜色深、吸收强的样品，光程短；颜色浅、吸收弱，光程长。,固体样品要根据粒径大小、均匀程度选择：,粒径大、不均匀的样品应选择扫描面积大的样品附件。,粒径小、均匀的样品应选择扫描面积小或大的样品附件。,2,、光谱扫描的参数,分辨率、扫描次数、光谱范围。,3,、规范操作步骤,特别对固体样品要保证装样的一致性。,最终目的：得到稳定的高质量光谱。,不同光程比色皿测定的光谱,5mm,光程,2mm,光程,样品集的选择,选择或配备代表性建模样品集。,天然样品和反应过程中的样品，选择的代表性样品数量比较大。,成分已知样品，选择的代表性样品数量比较少。,可使用化学计量学方法对样品进行选择、设计。,不同含量样品数的选择,不同含量样品数量选择不能以现实的样品变化进行选择，应该在所有含量范围内均匀选择。,完美的分布,(,很少出现的情况,),比较合理的分布,样品分布,食品、烟草、化工、炼油等产品的样品分布情况,10,Mean,25,百分比分布,#of Samples with Level of Constituent,制药分布,10,正常样品,25,百分比分布,#of Samples with Level of Constituent,模型优化,模型优化,谱区范围的选择,选择信息量相关性最大的谱区。,光谱预处理方法的选择,选择减小光谱漂移、增加信息量、稳定可靠的光谱预处理方法。,最佳,Rank,（,PLS,算法）,相同的谱区范围，,RMSECV,无显著性差别，,Rank,小的模型好。,最佳谱区的选择,最佳谱区,最佳谱区的相关图,交叉检验的相关图,绝对误差分布图,矢量归一化预处理的,PLS,模型,R,2,=96.63RMSECV=0.05%Rank=2,光谱预处理方法选择,一阶导数预处理的,PLS,模型,R2=99.68RMSECV=0.02%Rank,=,2,模型优化条件的选择：谱区宽度、,Rank,大小、预处理方法,最佳,Rank,的选择,RMSECV vs Rank,图表,模型内部交叉检验,结果不好！,模型内部交叉检验,RMSECV vs Rank,图表,结果一般！,模型内部交叉检验,RMSECV vs Rank,图表,好的结果！,缺点：,、不是,“,原始方法,”,；,、对天然产物需要较多的代表性,样品进行化学分析建模；,、检测限比较差。,优点：,、分析速度快(1分钟内)；,、样品不需预处理、操作简单；,、无浪费、无污染；,、一次测试可以测定多种成分和指标；,、具有很高的精密度；,、分析结果的统计准确度逼近标准方法,、可以透过包装材料进行测定；,、工业上可以做到实时监控（,PAT）。,近红外光谱分析的优点和缺点,“多快好省”、绿色分析技术,