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（：入射光强度；：透射光强度）ＩoＩＡ=㏒Ｔ1()=㏒ＩＩo()常用单位：透光率T%；吸光率AＩ%ＩoT%=标准格式（ｂ），线性（等距）格式（ａ）二者互换关系：横坐标常用单位：波数cm-1&波长μm（2）横坐标变换104λ(μm)ע（cm-1）=红外光谱图常用格式：3（3）其它格式变换（ａ）纵坐标转换成Kubelka——Munk单位（漫反射光谱用）使用Kubelka-Munk将漫反射谱图转换为Kubelka——Munk单位。由于Kubelka——Munk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，Kubelka——Munk格式是很有用的。下图是一张以Kubelka——Munk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Kubelka——Munk值由方程给出KM=（1–R）²/2R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Ｉs/ＩBPAS=100（)其中Ｉs是由样品以热辐射波形式发射的能量强度，ＩB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Ｉs是由样品反射的红外能量强度，ＩB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。ＩB被称为本底。%R=100（Ｉs/ＩB）*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K——K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）。K=2R(sin²Ф)½1+R-2RcosФR：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：Ф：反射光的相位角10ETHYLENE/VINYLACETATECOPOLYMERTOP：PEFRACTIVEINDEXBOTTON：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①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：②扩/缩处理，使谱纵值在0–1.05A注意：③加减处理，使谱的基线移近0.03A④再变回T谱归一化处理后，谱图的T谱值范围：最强峰5–10%T，基线90–95%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：ａ:波数范围相同ｂ:数据间隔相同（分辨率相同）（2）光谱相减：可以模拟处理在混合物红外光谱中扣除某一成分、或降低某一成分含量的光谱处理。12示差方法131415161718（四）影响示差的因素1920213.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：①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。②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Y′=Y-（T+C）ע~（）ע~（）ע~（）ע~（）ע~（）Y和Y‘分别是校正前、后波数处的纵坐标值。ע~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：在待校光谱上寻找合适的三点，通过这三点的连线和延长线，与原谱作相减处理。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）Kramers—Kronig校正（镜反射谱校正）2526PE983光栅仪器；7500计算机；PECDS—ⅢFLAT命令，CurVed（三点：3713，2357，697cm‾1）同时，另有二种可选用：自动寻找给出，可更改Step（一点）Lineat（二点）272829dp=λ12π（sin2Q-n221）1/230五、提高信噪比（1）累加3132（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（Savitzky–Golay)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+C4t4Cn是平滑系数，t±n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平滑技术是对数据点值作一定的数字平均化计算处理，使误差重新分配，以达到降低噪声的目的。但这种平滑方法是将各数据点完全等同处理，并不区别峰尖和峰谷、也不区别窄峰和宽峰，故而使平滑后的谱线尖峰和弱小峰失真更严重（见右图）需用平滑处理的原谱建议用1cm-1或2cm-1分辨率采集。较多的数据点将会降低失真程度。累加能增加信号强度（提高S/N）。若用纵坐标扩展（或乘谱处理）增大峰强，再用平滑消除毛刺（噪声），这二者复合实用可适当减轻谱峰变形，但分辨率降低仍不可避免。34原谱5点平滑13点平滑25点平滑（1）原理：（ａ）Lambert定律：㏒=ａ1ｂII0（ｂ）Beer定律：㏒=ａ2cII0㏒=ａｂc=AII0ａ由ａ1、ａ2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ａ值。同一浓度的相同物质，在不同波数的ａ值也不相同，即吸收系数ａ是波数ע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。Beer—Lambert定律：Io=Iａ+I+I″+I′（入射光）（吸收）（透射）（散射）（辐射）一束单色光通过一定浓度的均匀溶液时，光吸收强度与液层厚度ｂ和入射光强度I0成正比；一束单色光通过一定厚度的均匀溶液时，若溶液浓度增加dc，则通过溶液后的光强度减弱dI；二定律合并：六、定量方法A=abcע（）ע（）Ai=aijbcj∑nj=1(j=1,2…n组分）35上式中：（许多书中也用KCL表示）㏒=ａｂc=AII0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：㏒II0称为光密度，又称吸收度（absorbance）、吸收率，用A表示。ａ（或K）称为吸收系数（absorptivity)、也称消光系数。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Perkin–Elmer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）图中3、4和5是一阶导数正值、负值和全幅，6是二阶导数峰形全幅。正、负和全幅的不同取法主要是避开定量工作特征峰左右干扰叠加的影响。37（2）曲线拟合法（ａ）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。（ｂ）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。在曲线拟合法中，对强峰和弱峰的拟合计算时采用了不同权重的处理方法，使有一定强度的吸收峰的分析精度提高。曲线拟合（CurveFitting)的方法是利用各组分纯样品的红外光谱谱图，对待测样品谱图进行计算拟合。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，ａ、ｂ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Ａ＝ＫＣＬ，主要有Ｋ矩阵法和Ｐ矩阵法：（ａ）Ｋ矩阵法：矩阵［Ａ］＝［Ｋ］［Ｃ］中，［Ａ］为吸收光度矩阵，［Ｃ］为各组分浓度矩阵，吸收系数Ｋ的矩阵［Ｋ］中包含了池厚的因子。（ｂ）Ｐ矩阵法：［Ｃ］＝［Ｐ］［Ａ］，矩阵P是与吸收系数和池厚相关的数据群。Ｋ矩阵法定