Nicolet_Antaris傅立葉近紅外分析儀用戶培訓(xùn)手冊

1、Nicolet Antaris傅立葉近紅外分析儀用戶培訓(xùn)手冊目 錄第一章近紅外光譜技術(shù)簡介1第一節(jié)NIR光譜區(qū)域1第二節(jié)NIR光譜的測定及Nicolet Antaris采樣技術(shù)3第三節(jié)NIR 分析方法11一、定性分析12二、定量分析13第二章TQ Analyst光譜分析軟件17第一節(jié)TQ Analyst基本設(shè)置和常用功能介紹18第二節(jié)定量分析模型建立29第三節(jié)定性分析模型建立44第三章RESULT-Integration工作流程（Workflow）設(shè)計軟件56第一節(jié)Nicolet Antaris近紅外分析儀硬件介紹56第二節(jié)RESULT Integration軟件基本功能介紹60第三節(jié)工作流程

2、（Workflow）的建立67第四節(jié)Workflow建立實例78第四章RESULT-Operation操作軟件99第一節(jié)RESULT-Operation軟件基本功能簡介99第二節(jié)將Workflow調(diào)入到RESULT Operation中104第三節(jié)在RESULT Operation中運行Workflow106第四節(jié)在RESULT Operation中采集標準樣品（Standards）光譜109第五節(jié)運行Valpro進行自動性能測試111第六節(jié)儀器操作日志查詢（Logs菜單）111第七節(jié)儀器檢查和維護（Maintenance菜單）112第八節(jié)軟件管理114119第一章 近紅外光譜技術(shù)簡介近紅外（

3、Near Infrared，NIR）光譜技術(shù)是一種使用簡單方便、分析快速、不破壞樣品的新型分析技術(shù)。它可以同時測定出樣品中的多種化學(xué)成分和物理參數(shù)，分析結(jié)果可準確逼近傳統(tǒng)測定方法。NIR分析技術(shù)基本不需要對樣品進行化學(xué)處理，無需使用有機溶劑，不會產(chǎn)生任何有毒廢棄物，因此，它又被譽為是一種綠色分析技術(shù)。NIR分析方法最早于20世紀60年代中期被美國農(nóng)業(yè)部（USDA）用于測定蘋果等農(nóng)作物的內(nèi)部品質(zhì)。這種原始的NIR應(yīng)用當(dāng)時即可用來預(yù)測水果的成熟水平、糖含量，直接測定其口味和質(zhì)地。從那時開始，NIR在農(nóng)業(yè)和食品行業(yè)很快被作為一種流行的方法用于各種樣品的快速和非破壞性檢測。制藥和化學(xué)工業(yè)成功應(yīng)用NIR

4、方法也已經(jīng)有10多年的歷史。最初階段，NIR主要被用于原材料的鑒別。而最近幾年，它已經(jīng)逐漸被各行業(yè)用于產(chǎn)品生產(chǎn)過程的每一個環(huán)節(jié)，對各種形式（固體、液體、浸膏、懸濁液、紙張等）的產(chǎn)品或中間品進行快速的質(zhì)量分析和控制。在原料進廠的檢測程序中，樣品在進廠前可用光纖快速的采集到其NIR光譜，并通過軟件的模式識別算法快速的對樣品進行鑒別和確認。而對于在線檢測或現(xiàn)場分析而言，通過使用統(tǒng)計回歸技術(shù)，NIR光譜可以為化學(xué)生產(chǎn)過程、溶劑循環(huán)利用過程、混合和提取過程的控制提供實時的化學(xué)信息。目前，NIR技術(shù)已經(jīng)作為一種高效的分析工具，廣泛應(yīng)用于石油、化學(xué)、制藥、農(nóng)業(yè)、食品等各個行業(yè)，有的甚至涉及到了生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)

5、域，如測定皮膚脂肪含量、血糖含量等。NIR正成為這些行業(yè)有效的質(zhì)量控制手段，發(fā)揮著著越來越重要的作用。NIR在工業(yè)生產(chǎn)過程每一個環(huán)節(jié)（從原料、生產(chǎn)過程到最終產(chǎn)品）的樣品質(zhì)量分析和控制方面具有巨大的應(yīng)用潛力。為了便于選用最佳的分析方案和開發(fā)穩(wěn)健的分析模型，必須考慮樣品的光學(xué)性質(zhì)、分析對象的靈敏度和選擇性以及生產(chǎn)和控制的需求等因素。本手冊第一章為合理的利用NIR光譜技術(shù)，科學(xué)的建立NIR校正模型，總結(jié)一些基本原理和方法上的規(guī)律。第一節(jié) NIR光譜區(qū)域在電磁波譜圖上，NIR光譜范圍介于可見光與中紅外光譜之間（780-2500nm或12820-4000 cm-1）。NIR區(qū)域的主要光譜信息來源于-CH

6、、-NH和-OH等含氫基團的倍頻與合頻吸收（見圖1），這些基團的基頻吸收出現(xiàn)在中紅外區(qū)域。因此，絕大多數(shù)的化學(xué)和生物化學(xué)樣品在NIR區(qū)域均有相應(yīng)的吸收帶，通過這些吸收信息即可以對樣品進行定性或定量分析。圖1 主要的NIR吸收帶和相關(guān)的吸收位置。大多數(shù)化學(xué)和生物樣品均會顯示獨特的吸收光譜，它可被用于進行定性或定量分析。物質(zhì)在NIR區(qū)域的吸收強度比其在中紅外區(qū)的基頻吸收弱10-100倍。吸收強度小的特點使得NIR可用于直接分析強吸收的樣品、對光線散射性極強的樣品如勻漿、懸浮液、糊狀和粉末。NIR吸收譜帶相對較寬，而且重疊嚴重。在高波長（低波數(shù)）段的NIR吸收峰相對較強和尖銳，分辨能力也較好，而在高

7、波數(shù)譜段，吸收峰更低，峰形更寬，如圖2。圖2 NIR（12, 000-4, 000 cm-1）漫反射光譜圖NIR光譜中除了包含樣品基質(zhì)的化學(xué)組成信息外，還包含有樣品的物理信息。如，顆粒尺寸的不同會產(chǎn)生基線偏移；顆粒尺寸越粗糙，光線的穿透越深，吸收越強。如圖3。1.01.2 5000 6000 7000 8000 9000 d>560m280m<d<560m150m<d<280md<150mWavenumber, cm-10.40.60.81.4 4000 Log(1/R)圖3 不同顆粒尺寸黃連浸膏粉樣品的近紅外光譜圖在NIR光譜區(qū)域，光的散射效應(yīng)和吸收強度隨

8、著波長而增加，而峰寬和穿透深度則相反（圖4）。因此，最佳光譜范圍的選擇需要綜合考慮NIR區(qū)域的光譜特性、采樣技術(shù)（實驗室、在線或過程分析）、樣品的物理性質(zhì)和分析結(jié)果。例如，對于那些難以從樣品基質(zhì)包含的各種組分中分辨出特征吸收帶的組分的測定，或者含量較低的組分的測定，通常需要使用到低波數(shù)（長波長）范圍的光譜信息。光浸入深度 光散射效應(yīng)峰寬12, 000 cm-14, 000 cm-1吸收強度圖4 NIR光譜化學(xué)和物理特征，在建立理想的分析模型和進行光譜范圍的選擇時需要考慮這些因素第二節(jié) NIR光譜的測定及Nicolet Antaris采樣技術(shù)NIR光譜的測定無需對樣品進行稀釋、無需特殊的短光程，

9、也不會像傳統(tǒng)的光譜分析技術(shù)如中紅外和紫外-可見光譜分析那樣要用無吸收的基質(zhì)對樣品進行分散。NIR光譜的基本采集方式可以分為透射和反射模式。一般而言，透射（Log（1/T）方法用于透明樣品，漫反射方法（log（1/R）用于不透明或存在光散射樣品如勻漿、懸濁液、糊狀液和固體。Nicolet Antaris近紅外分析儀提供了四種采樣模塊以及各種靈活的附件，可以為各種類型和各種狀態(tài)的樣品提供最適當(dāng)?shù)牟蓸臃绞?，分別是透射分析模塊（Transmission Analyzer）、積分球固體采樣模塊（Integrating Sphere Module）、片劑分析模塊（Tablet Analyzer）和光纖分析

10、模塊（Fiber Optic Module）。1 透射分析模塊液體樣品近紅外透射光譜的測定和其它的光譜分析方法類似，可在不同光程的石英或藍寶石比色池里進行。因NIR光譜吸收主要來源于C-H、N-H與O-H等基團振動，故最理想的樣品溶劑是不含上述三種基團的媒質(zhì)，如CCl4與CS2等，這樣可充分消除背景吸收。但對有些對象如中藥體系，要找到有較好溶解能力又不帶有這三種基團的溶劑較難。Nicolet Antaris透射分析模塊的示意圖如下圖。透射分析模塊示意圖 液體樣品管 方形樣品池 液體樣品支架（三位樣品穿梭器）Nicolet Antaris液體樣品池支架上設(shè)有三個光路位置，其中中間一個通路是為以空

11、氣作背景時預(yù)留的背景光路。前后各有一個位置可分別用于放置樣品或參比，其上還設(shè)有可拆卸的光闌（Aperture）。光闌的作用是可以限制光束的大小在7mm至4mm之間，也就是它能確保所有的光束均穿過樣品，見下圖。在使用圓形的樣品管進行液體樣品分析時，由于光束的直徑大于樣品管的直徑，通常需要使用光闌以限制光束大小。而在用方形樣品池進行分析時，則可根據(jù)實驗需要確定是否需要使用光闌。 無光闌 有光闌有些特殊樣品需要在較高的溫度下才能保持某種狀態(tài)，以便測定其光譜。此時，可以使用Antaris的加熱樣品支架以及其加熱器。其示意圖如下： 加熱樣品支架 加熱器另外，Nicolet Antaris透射分析模塊除了

12、可以進行液體樣品的分析外，還可用于分析光透過性固體、薄膜、紙張、粘附液等形態(tài)的樣品，其裝置如下： Antaris卡片式樣品支架 薄膜、紙張等狀態(tài)樣品采樣時用于固定樣品的卡片附件卡片上涂有不干膠，可以將其上的粘貼紙除去，將薄膜狀樣品貼于其上。借此可以更為精確的采集到樣品的NIR光譜2 積分球固體采樣模塊近紅外漫反射光譜分析在近紅外光譜分析中占有非常重要的地位。漫反射光譜與常規(guī)反射光譜存在根本區(qū)別在于后者的光線不與樣品內(nèi)部發(fā)生作用，故不帶有分析樣品的組成信息。漫反射光是光源出來的光線進入樣品內(nèi)部，經(jīng)過多次反射、折射、衍射及吸收后返回樣品表面的光，因此，漫反射光是分析光與樣品內(nèi)部分子發(fā)生作用的光，負

13、載了樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息。下圖為近紅外光與樣品作用示意圖。(a) (b) (c) (d) (e) (f)近紅外光與固體樣品作用示意圖（a）全反射；（b）漫反射；（c）吸收；（d）透射；（e）折射；（f）散射Antaris積分球采樣模塊示意圖： Antaris積分球采樣模塊示意圖 Antaris積分球采樣原理示意圖采樣附件和采樣方法：固體樣品光譜采集：直接置于積分球樣品窗口上 帶彈簧蓋的粉末樣品杯裝樣方法粉末樣品光譜采集方式（無樣品杯旋轉(zhuǎn)）樣品杯旋轉(zhuǎn)器圓形藥片固定裝置 藥片光譜采集方式 特殊形狀片劑光譜采集方式3 片劑分析模塊有些片狀固體樣品，如藥片和膠囊，其NIR光譜的采集除了使用漫反射方式外

14、，還可以使用透射方式。對于那些經(jīng)過包衣的藥片、膠囊和表面有涂膜的樣品，需要對其內(nèi)部成分進行分析時，其透射光譜能夠富含更多更完整的樣品信息，進而能夠得到更為準確的分析結(jié)果。片劑NIR透射光譜采集原理示意圖如下：片劑、膠囊NIR透射光譜采集原理示意圖Nicolet Antaris片劑分析模塊見下圖： Antaris片劑分析模塊 光譜采集方法示意圖4 光纖分模塊能夠使用光纖進行遠程樣品分析，使得樣品分析方式更為靈活，是近紅外技術(shù)的特點之一。近紅外光纖分析方法可以采用漫反射方式，也可以是透射方式。標準的Nicolet Antaris光纖分析模塊配有SabIR漫反射光纖探頭，其使用示意圖如下： Anta

15、ris近紅外分析儀光纖接口 Antaris光纖采樣模塊 SabIR漫反射光纖結(jié)構(gòu)示意圖 SabIR光纖光路示意圖 使用SabIR光纖采集固體和粉末樣品 SabIR漫反射光纖支架套及內(nèi)置參考背景材料使用透反射附件與SabIR光纖一起進行液體樣品分析第三節(jié) NIR 分析方法無論透射還是漫反射方式采集到的NIR光譜，均很難從中鑒別出與某種化學(xué)成分相關(guān)的特征光譜。為了改善光譜特征和補償基線偏移，在NIR光譜學(xué)中，經(jīng)常要用到數(shù)學(xué)方法對光譜進行預(yù)處理。求導(dǎo)數(shù)處理是最為常用和有效的一種方法，通過對光譜進行一階導(dǎo)數(shù)或二階導(dǎo)數(shù)處理，可以有效扣除本底吸收，消除基線偏移和漂移，分離重疊光譜。一、定性分析NIR光譜定

16、性分析是用NIR光譜庫和模式識別技術(shù)來回答：-“當(dāng)前的樣品與標準樣品是否一樣？相似或接近程度為多少？”-“產(chǎn)品或原料是否合格？”-“所測定的樣品屬于哪一類”-“所測的樣品與庫中的哪一個樣品最接近？相似程度為多少？”之類的問題。使用模式識別算法，可以通過比較未知樣品的光譜與光譜庫中的光譜，以檢驗該樣品與標準樣品是否一致，或者是否在可接受的范圍之內(nèi)?；驹砗头椒◣讉€基本概念： 鑒別（Identify）：將未知樣品的NIR光譜與光譜庫中的光譜進行比較，測定差異，檢驗樣品與光譜庫中樣品是否一致。 分類（Classify）：光譜庫由不同類的標準樣品的光譜組成。將未知樣品的NIR光譜與光譜庫中的光譜進行

17、比較，檢驗未知樣品屬于其中的哪一類，所用到的方法通常是判別分析，其中涉及到了主成分分析（Principal Component Analysis，PCA）和馬氏距離等算法。 光譜庫（Library）：光譜庫是由若干批標準樣品的光譜組成。通常，一個可以被認可的光譜庫需要包含多個批次的多個樣品的光譜，每一類至少來源于三個批次。這樣，一個光譜庫至少需要包含12張標準光譜（2光譜/樣品，2樣品/批，3批/類樣品）。例如，要鑒別某一個原料樣品是否與標準樣品一致，可以先測定該樣品的NIR光譜，并將其與光譜庫中的NIR光譜進行比較，求取相關(guān)性匹配值或者差異值。相關(guān)性匹配值越大，說明未知樣品與標準樣品越相似，

18、相反，差異值越小，則說明未知樣品與標準樣品越相似。另一種更為嚴格的方法是，將未知樣品的NIR光譜與NIR光譜庫中的一組標準樣品光譜進行比較，并參考這一組標準樣品光譜之間的差異和在各個波數(shù)位置的方差分布。在這種方法中，應(yīng)用到了馬氏距離或殘差算法。在NIR定性方法中，通常用較寬的光譜范圍，以確保模型對各種可能的污染或干擾足夠敏感。定性分析模型的驗證（Validation）：NIR定性分析方法的驗證既要使用正面的（Positive）也要使用反面的（Negative）控制樣品。所謂正面的樣品是指與標準樣品一致或接近的樣品，它用來驗證NIR定性分析方法能否對合格的樣品做出正確的分析結(jié)果，以確保NIR定性

19、模型不會將合格的樣品判為不合格。所謂反面的樣品是指被污染、變質(zhì)或損壞了的樣品，它用來驗證NIR定性分析方法能否將不合格的樣品鑒別出來，以確保不合格的樣品能夠被加上不合格或者不被接受的標志。導(dǎo)致定性分析模型質(zhì)量難以滿足要求的主要因素： 標準樣品的自身類型設(shè)定錯誤； 光譜范圍和數(shù)據(jù)預(yù)處理方法不恰當(dāng)； 建模用標準樣品數(shù)量太少、或分布不均勻，所包含的信息不夠充分； 各類之間太過相似； 在光譜采集過程中產(chǎn)生了誤差或錯誤； 樣品中包含有其它組分或樣品被其它物質(zhì)所污染；二、定量分析由于樣品基質(zhì)和其它化學(xué)成分的干擾，我們幾乎不可能直接從一張NIR光譜圖中找到某種化學(xué)成分的特征吸收帶。因此，傳統(tǒng)的光譜分析理論如

20、朗伯-比爾定律無法直接用于NIR光譜定量分析中。所以，在NIR光譜定量分析中，需要預(yù)先使用參考化學(xué)方法測定出樣品的組成，再在樣品的NIR光譜信息與其化學(xué)組成之間建立經(jīng)驗性的數(shù)學(xué)關(guān)系。校正（Calibration）：1為了確保得到代表性的定量結(jié)果，必須收集具有代表性的標準樣品（其組成及其變化范圍接近于要分析的樣品），然后采集樣品的光譜數(shù)據(jù)，以組成校正樣品集。值得注意的是，校正集樣品的組成非常重要，必須結(jié)合實際情況，其化學(xué)和物理性質(zhì)范圍必須涵蓋待測樣品的所有可能范圍，并要求分布盡可能均勻，避免共線性現(xiàn)象。一般情況下，實際工作中遇到的樣品的總是呈現(xiàn)“正態(tài)”分布，但是，在建立NIR定量分析模型時，需要

21、盡可能避免這種現(xiàn)象，如下圖。實際樣品分布理想的校正集樣品分布歧異樣品一般而言，對于一個單組分系統(tǒng)，校正集至少由20個樣品組成。2利用標準的化學(xué)方法（參考方法）對樣品性質(zhì)進行測定。參考方法測定結(jié)果的準確性直接影響校正模型的可靠性。3定量分析模型的建立。NIR光譜定量分析模型的建立屬于化學(xué)計量學(xué)的范疇。在NIR光譜定量分析中，最常使用的多元校正算法有多元線性回歸（Multi Linear Regression, MLR）、逐步多元線性回歸（Step-wise Multi Linear Rgression, SMLR）主成分回歸（Principal Component Regression, PCR

22、）、偏最小二乘回歸（Partial Least Squares, PLS）等，這些算法的特點分別列于下表中，其原理請參見相關(guān)的書籍。早期的NIR光譜定量研究較常使用MLR方法，因當(dāng)時的光譜儀是采用濾光片分光，波長數(shù)相對較少。當(dāng)新一代NIR光譜儀可在NIR全部波段采集光譜后，PCR與PLS法較MLR法獲得更廣泛的應(yīng)用。NIR光譜定量分析中常用的多元校正方法比較方法優(yōu)點缺點適用對象多元線性回歸（MLR）計算簡單、物理意義明確、易于理解對參加關(guān)聯(lián)的變量（如波長通道）數(shù)目有限制；會出現(xiàn)共線性問題波長點較少的簡單線性對象，化學(xué)組成較簡單的樣品體系逐步多元線性回歸（SMLR）與MLR相比，回歸之前可以對自

23、變量進行篩選對NIR光譜分析來說，篩選自變量的工作是巨大的；仍無法解決共線性問題簡單線性對象 主成分回歸（PCR）致力于提取數(shù)據(jù)群體中的特征信息，辯識影響系統(tǒng)的主要因素，對眾多變量作綜合簡化，從而在力保有用信息損失最小的前提下，實現(xiàn)高維數(shù)據(jù)集合的降維；可解決線性回歸分析中經(jīng)常會遇到的共線性問題和變量數(shù)限制問題；可對由于光散射和其它組分帶來的干擾做出補償計算速度比MLR慢；對模型的理解沒有MLR直觀；不能保證參與回歸的主成分一定與樣品性質(zhì)相關(guān)可用于組成較復(fù)雜的樣品體系偏最小二乘回歸（PLS）可以使用全譜或部分譜數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)矩陣分解和回歸交互結(jié)合，得到的特征向量直接與樣品性質(zhì)相關(guān)；模型更為穩(wěn)?。豢蓪?/p>

24、由于光散射和其它組分帶來的干擾做出補償；可以適用于復(fù)雜的分析體系模型質(zhì)量容易受到奇異點的影響；模型建立過程較復(fù)雜，較抽象，較難理解可用于組成復(fù)雜的樣品體系目前PLS應(yīng)用范圍最廣定量分析模型建立好后，需要對其性能進行評估。NIR光譜分析中，定量分析模型的結(jié)果通常用下圖表示：常用的考察指標有兩個，一個是均方差（Root Mean Square Error of Calibration, RMSEC），一個是相關(guān)系數(shù)R（Correlation. Coefficient），它們的計算公式如下：， 式中：是標準化學(xué)方法測得的值，是NIR預(yù)測值，是平均值，是校正集樣品數(shù)。對于這兩個指標，需要根據(jù)實際樣品化

25、學(xué)指標的分布情況和傳統(tǒng)方法的準確性來對其進行評估，而沒有絕對的統(tǒng)一標準。驗證（Validation）：近紅外定量分析模型的適用范圍和可靠性完全依賴于校正集樣品的代表性和化學(xué)數(shù)據(jù)的準確性。為了確認所建立的定量模型能否適應(yīng)實際分析工作中可能遇到的所有樣品，以及能否對實際樣品進行“準確的”預(yù)測分析，需要使用另一組代表性的樣品來對所建立的定量模型進行驗證，稱這一組樣品為驗證樣品集。同樣，使用驗證集樣品NIR預(yù)測值與其實際值之間的相關(guān)系數(shù)R和預(yù)測均方差（Root Mean Square Error of Prediction, RMSEP）來對定量模型的性能進行評估，RMSEP的計算公式類似于RMSEC

26、，只是其對應(yīng)的樣品前者是驗證樣品，后者是校正樣品。這里需要注意的是，驗證集樣品的代表性同樣重要。影響NIR定量分析模型準確性的主要因素： 標準樣品自身的組分含量的標準測定方法的準確性和精度是影響NIR定量分析準確度的最主要因素。通常而言，NIR定量模型對未知樣品的預(yù)測誤差為常規(guī)化學(xué)方法自身誤差的1.5-2倍。 舉例來說，如果一個樣品中某種化學(xué)成分的含量為0.10（標準化學(xué)法測定結(jié)果將其保留到了小數(shù)點后第二位有效數(shù)字），根據(jù)四舍五入的原理，該樣品的實際化學(xué)值可能為0.100 0.104，也就是說，即使不考慮任何實驗過程中產(chǎn)生的誤差，標準化學(xué)法自身存在不可避免的最小相對誤差為，那么NIR測定的誤差

27、至少可能為4%1.5=6%，而實際上，當(dāng)樣品的含量低于0.1%時，其化學(xué)法測定的誤差本身就較大，因此，對于含量低于0.1%的樣品，如果其標準化學(xué)測定值又只能精確到小數(shù)點后第二位，NIR測定的相對誤差通常會較高，一般使用絕對偏差來表示。 標準樣品自身的組分含量標準值是否輸入正確。 由于樣品不均勻，導(dǎo)致樣品的光譜和組分含量標準值之間沒有真正一一對應(yīng)。 標準樣品數(shù)量太少，或含量和其它性質(zhì)的分布不均勻，導(dǎo)致標準樣品難以精確計算光譜信息與組分含量值之間的相關(guān)關(guān)系。 由于光譜采集方式不恰當(dāng)、光譜噪音太大和人為誤差造成光譜質(zhì)量下降或引入誤差。 建模過程中，光譜范圍的選擇不正確。 樣品被污染，受到其它組分的干

28、擾。第二章 TQ Analyst光譜分析軟件TQ Analyst是一個通用的光譜分析軟件，它可以為中紅外、近紅外、遠紅外和拉曼光譜分析的應(yīng)用提供各種定性和定量分析工具。該軟件除了包含各種算法工具外，還能夠為用戶提供直觀友好、容易使用的圖形界面，以及廣泛的在線幫助信息。使用TQ Analyst軟件，您無需具有專家的經(jīng)驗和知識，因為軟件的Explain幫助窗口可以隨時為您提供任何必須的信息和幫助，其幫助文檔還包含各種方法的培訓(xùn)實例。另外，軟件隨處可見的Suggest向?qū)Чδ芎蚉erformance Index（性能指數(shù)）還可以為您解答如下問題：-哪種分析方法最適合您的當(dāng)前應(yīng)用？-需要準備多少標準樣

29、品？其濃度分布情況？-該選擇哪段光譜范圍？-對于PLS法，如何選擇主因子數(shù)（Factors）？-修正曲線對分析結(jié)果有改善嗎？使用TQ Analyst使得方法的設(shè)計和建立更為程序化、更有目的性，而不是依賴于猜測。如果您在為參數(shù)的設(shè)置猶豫不定，TQ Analyst的向?qū)Э梢詭湍鉀Q這些問題。TQ Analyst立足于最廣大的用戶，她致力于使得初學(xué)者和資深的分析家都能夠得心應(yīng)手地使用她來進行方法開發(fā)和建立。其一環(huán)扣一環(huán)的窗口設(shè)計、整合的向?qū)Чδ堋㈦S處可得的在線幫助信息以及人工智能的工具，最大限度的簡化分析任務(wù)，確保用最少的工作量來建立高質(zhì)量的分析方法。在TQ Analyst的所有窗口中，首先列在前面

30、的是最簡單的算法和技術(shù)，而且在接下來的窗口中只會顯示與前面窗口選擇的方法相關(guān)的信息，這樣，初學(xué)者在方法建立的各個步驟中不會被一大堆的選項所迷惑，而有經(jīng)驗的分析家又能夠即時的使用各項高級功能。TQ Analyst的幫助菜單中還包含下列幫助工具：TQ Analyst on-line tour-TQ Analyst主要功能快速演示；TQ Analyst example methods-定量、定性方法實例演示。第一節(jié) TQ Analyst基本設(shè)置和常用功能介紹工具欄菜單欄性能指數(shù)顯示滾動條狀態(tài)指示打開TQ Analyst軟件，其界面如圖對TQ Analyst進行自定義設(shè)置：從Edit菜單下面打開Opt

31、ion窗口其中有三組選項：TQ選項組：利用該選項設(shè)定TQ的默認設(shè)置，控制某些幫助和提示信息的顯示。Diagnostic（診斷）選項組：該組可以選擇Performance Index（性能指數(shù)）的計算方法，以及控制是否顯示圖例。其中Performance Index有兩種計算方法供選擇，一種是%Difference（相對殘差和），最大值是100，越接近100越好；一種是RMSE（均方差），最小值是0，越接近0越好。計算方法分別如下： General（常規(guī)）選項組：該選項組可定義文件的保存、顯示、打印、安全等常規(guī)信息。TQ Analyst幫助功能和幫助信息 1 Help菜單：類別信息TQ Anal

32、yst Help Topics主題幫助列出了各項主體幫助信息，也包含檢索功能、關(guān)鍵詞索引功能TQ Analyst Tour快速演示快速演示TQ Analyst的主要功能Example Methods實例演示TQ定量方法、分類方法、光譜測量簡單實例演示Technical Support技術(shù)支持如何獲得Nicolet公司的技術(shù)支持About TQ Analyst關(guān)于TQ顯示當(dāng)前TQ Analyst軟件版本號 主題幫助窗口： TQ主要功能演示和實例演示提供了更為直觀的幫助信息，按照窗口中的提示可以一步步的了解TQ中的各項功能： 2按F1鍵或鼠標右鍵獲得菜單的幫助信息：將光標移到菜單上某一個需要幫助的

33、選項上，按F1鍵或點擊鼠標右鍵，即會彈出關(guān)于該選項的相關(guān)信息和解釋。例如：按F1鍵或鼠標右鍵3使用Explain按鈕獲得窗口中各選項的幫助信息Explain按鈕 選中需要獲得幫助信息的選項，按Explain按鈕，或先按Explain按鈕，再鼠標點擊需要獲得幫助信息的選項，即可得到相應(yīng)的幫助信息。例如：4使用How To按鈕獲得幫助指南How To按鈕出現(xiàn)在下面三個窗口中，在這些窗口中，按How To按鈕即可獲得對應(yīng)的幫助信息：s Description窗口界面： s 光譜區(qū)域編輯窗口： s 修正方法編輯窗口： 5 向?qū)В╓izards）幫助TQ提供了許多向?qū)椭δ芤灾笇?dǎo)您完成各種建模任務(wù)。從

34、參數(shù)的設(shè)置到實驗設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，使用TQ的向?qū)Чδ?，可以幫助您一步步地走向成功。下表給出了TQ中各項向?qū)Чδ艿暮喴枋觯?位置向?qū)Чδ蹹escription窗口Suggest Analysis Type推薦分析類型，定性或定量方法，與分析目的有關(guān)Pathlength窗口*Suggest Pathlength Type推薦光程類型，與采樣技術(shù)有關(guān)，如液體樣品透射分析時，采用的液體池往往是光程一定的比色皿或圓管，而在積分球漫反射時，由于樣品顆粒尺寸、緊密度的影響，需要使用MSC或SNV等方法進行矯正Component窗口*Assess Feasibility測定樣品光譜中是否包含有足夠的能夠與樣

35、品組成相關(guān)的光譜信息（評估方法是否可行）Standards窗口*Suggest Standards推薦需要準備的標準樣品的化學(xué)組成分布Evaluate Standards評估所準備的標準樣品是否滿足要求，以及是否需要增加標準樣品Regions窗口Suggest Regions為分析方法選擇適當(dāng)?shù)墓庾V范圍；使用Edit Regions可以進行詳細設(shè)置。Others窗口Suggest Factors為主成分回歸（PCR）或偏最小二乘（PLS）方法選擇最佳主成分數(shù)（Principal Components）或因子數(shù)（Factors）；使用Edit Factors按鈕可以查看或編輯主因子數(shù)。Corre

36、ctions窗口Suggest Corrections判斷修正曲線對定量模型是否有所改善，如果有，哪種修正方法最好；使用Edit Corrections可以進行詳細設(shè)置。*只有在定量分析方法中才會出現(xiàn)例如，使用Suggest Regions向?qū)нM行光譜范圍的選擇，在Regions窗口中點擊Suggest Regions按鈕，會彈出如下交互窗口：按照交互窗口中的提示一步步往下操作，便會得到相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。TQ向?qū)抢媚峁┑墓庾V信息和其它數(shù)據(jù)，運用其內(nèi)置的多元校正分析專家知識來進行參數(shù)的設(shè)置和推薦下一步該使用什么方法的。有時候，如果TQ軟件無法獲取其設(shè)置某項參數(shù)所必需的相關(guān)的信息和數(shù)據(jù)，向?qū)?/p>

37、也就無法給出相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置。我們推薦，在建立分析模型時，先以TQ自動推薦和優(yōu)化到的參數(shù)和設(shè)置為基礎(chǔ)，如果對TQ自動選擇的參數(shù)不滿意，再添加您自己對分析對象相關(guān)的知識和經(jīng)驗，來對其進行進一步完善。TQ Analyst窗口介紹工具欄菜單欄性能指數(shù)顯示狀態(tài)指示滾動條窗口標簽頭活性按鈕參數(shù)1 菜單欄 TQ Analyst菜單欄的使用方法與其它Windows程序一樣。s Help菜單里包含各種幫助信息，前面已有介紹。s File菜單里包含模型新建、打開、保存以及光譜圖的打開和保存，以及模型數(shù)據(jù)和設(shè)置方法的導(dǎo)出、標準光譜的導(dǎo)出和打印。其中模型保存窗口中可以設(shè)置模型文件的密碼，光譜保存窗口中可以設(shè)置數(shù)字簽名

38、，以便對模型和光譜文件進行保護。s Edit菜單中包含各種常用的編輯命令，其中Option選項的功能前面已有介紹。s View菜單設(shè)置顯示格式和顯示選項。s Diagnostics菜單包含各種高級診斷功能，會在后面的章節(jié)中陸續(xù)介紹。s Window為窗口設(shè)置項。TQ Analyst可以打開和保存下別所列的各種格式的光譜，其中 .CSV為Excel格式。2 工具欄 s 點擊Calibrate按鈕，計算校正模型，顯示校正結(jié)果窗口；s Quantify按鈕用于計算未知樣品的分析結(jié)果，得到分析報告；s Explain按鈕實時獲取幫助信息，見前述介紹；s Close按鈕關(guān)閉當(dāng)前窗口。在模型校正好之前，狀

39、態(tài)指示為紅色，當(dāng)點擊Calibrate按鈕進行計算結(jié)束后，狀態(tài)指示為綠色，并且，如果Standards表格中包含有驗證（Validation）樣品，則會計算得到相應(yīng)的性能指數(shù)。當(dāng)對模型進行了修改后，狀態(tài)指示就會顯示為紅色，表示模型未計算好，重新計算時，則性能指數(shù)上不僅顯示當(dāng)前的性能指數(shù)，也會顯示修改前的性能指數(shù)，這樣有助于對模型的修改過程進行評價。3 窗口建模窗口：TQ Analyst的窗口為一環(huán)緊扣一環(huán)的設(shè)計，如下：窗口標簽即在上面不同的窗口標簽對應(yīng)的窗口中，從左至右，是建立一個分析模型的基本步驟，當(dāng)在前一窗口中選擇了某種方法或設(shè)置了某個參數(shù)后，后面的窗口會自動出現(xiàn)與其對應(yīng)的選項和設(shè)置，而不

40、會出現(xiàn)不相關(guān)的信息。各項參數(shù)的選擇按照這種順序依次進行設(shè)置好后，點擊工具欄上的Calibrate按鈕，即可以完成分析模型的初步建立工作。在后面的定量模型建立和定性模型建立章節(jié)中會對各種對應(yīng)的選項作相應(yīng)說明。光譜顯示窗口：從File菜單的Open Spectrum項打開光譜，即可出現(xiàn)光譜顯示窗口：下拉光譜名稱按鈕光譜名稱框光譜信息查看按鈕顯示介面坐標顯示工具箱取景窗口s 顯示介面：默認條件下，紅色光譜為當(dāng)前顯示光譜，此時，光譜名稱框中的光譜名為紅色光譜的光譜名。s 光譜信息查看按鈕：按該按鈕，可以獲得當(dāng)前光譜的所有信息，如：s 下拉光譜名稱按鈕：點擊此按鈕，顯示當(dāng)前窗口中所有光譜名稱，并可進行選

41、擇。如下：s 坐標顯示：顯示當(dāng)前鼠標所在位置的坐標s 取景窗口：用于選擇選擇需要顯示的光譜區(qū)域，左邊為光譜范圍縮小和放大工具，右邊為左右移動工具。s 工具箱：工具箱中包含六種不同的工具，用途如下表：使用View菜單設(shè)置各項顯示參數(shù)：當(dāng)當(dāng)前窗口為光譜顯示窗口時，View菜單中的所有選項均可用，在其中可以設(shè)置橫、縱坐標顯示范圍，顯示方式，顯示信息等。如點擊View菜單中的Display Setup選項，彈出如下窗口： 如果我們選中Show grid前面的復(fù)選框，按OK，則顯示介面就會出現(xiàn)窗格，如下： 第二節(jié) 定量分析模型建立TQ Analyst提供的定量分析算法有： 定量分析：簡單的比爾定律經(jīng)典最

42、小二乘（CLS）回歸逐步多元線形回歸（SMLR）偏最小二乘（PLS）回歸主成分回歸（PCR）各種算法的基本原理參見相關(guān)的書籍和隨機所帶的TQ Analyst用戶手冊（TQ Analyst Users Guide）。一個NIR定量分析模型的建立過程可按如下步驟一步步完成：§ 定量分析問題的描述§ 選擇適當(dāng)?shù)牟蓸臃椒?#167; 創(chuàng)建新的模型文件§ 給模型定義一個名稱§ 選擇一種建模算法§ 選擇光程類型（Pathlength Type）§ 定義待測組分（Components）§ 進行可行性測試（Feasibility Test）

43、§ 采集標準樣品（Standards）光譜§ 光譜預(yù)處理（Spectra Processing）§ 選擇光譜范圍（Regions）§ 設(shè)置其它參數(shù)§ 保存模型§ 計算模型（Calibration）§ 驗證模型（Validation）§ 模型修正（Correction）TQ將建模過程的各個步驟用不同的窗口從左至右依次分開，如下：因此，只要從左至右依次完成各個窗口中的各項參數(shù)的設(shè)置后，點擊工具欄上的Calibrate按鈕，即可完成分析模型的初步建立。1. 定量分析問題的描述定量分析模型建立的第一步需要通過回答下列問題來

44、仔細分析我們的研究對象：§ 樣品中包含多少種組分？§ 哪些組分是需要測定的？§ 在可能遇到的所有待分析樣品中，每一種組分的含量范圍？§ 可能會存在哪些干擾？§ 樣品基質(zhì)對測定過程有哪些影響？通過回答以上這些問題，將有助于我們選擇恰當(dāng)?shù)牟蓸蛹夹g(shù)和確定最佳的實驗條件。2. 選擇適當(dāng)?shù)牟蓸臃椒ú蓸臃椒ǖ倪x擇主要取決于樣品的物理性質(zhì)。通常，光譜格式設(shè)置為absorbance（透射）或Log(1/R)（漫反射），因為以它們?yōu)閱挝坏墓庾V通常與樣品中組分的含量呈一定的線性關(guān)系。當(dāng)然，如果我們有特殊的需要，也可以設(shè)置成其它的光譜格式。3. 創(chuàng)建新的模型文件&#

45、167; 從TQ Analyst軟件的File菜單中選擇New Method§ 從TQ Analyst軟件的File菜單中選擇Save Method As§ 在對話框中輸入文件名，選擇保存路徑 § 選擇OK。4. 給模型定義一個名稱在Description中的Method Title欄中給模型的定義一個名稱：在Method Description欄中可以輸入對模型的詳細描述；在Developers Name欄中還可以輸入您的名字。5. 選擇一種建模算法TQ Analyst提供了的定量校正算法包含了最簡單的比爾定律、經(jīng)典的最小二乘法（CLS）、逐步多元線性回歸法（S

46、MLR）、近紅外定量最常用的偏最小二乘法（PLS）和主成分回歸法（PCR）。每一種方法均有各自的優(yōu)點和缺點。對于組成復(fù)雜的天然產(chǎn)物如中藥、煙草和糧食等通?？梢允褂肞LS。各種方法的特點可以使用TQ的Explain按鈕獲得幫助信息。6. 選擇光程類型（Pathlength Type）在Pathlength窗口中可以對光程類型進行設(shè)置。樣品NIR測定時的光程或樣品厚度對于定量分析非常重要，因為它和樣品中的組分含量一樣影響吸收強度。TQ的Pathlength窗口提供了多種方法可以用于對光程進行定義或校正處理。各種選項的特點和功能可以使用TQ的Explain按鈕獲得詳細的幫助信息光程類型選項的選擇通常

47、也是取決于采樣技術(shù)，例如使用比色皿或固定光程的樣品池進行液體樣品NIR光譜采集時，光程一般為恒定（Constant）或已知（Known）；而在進行粉末樣品NIR漫反射光譜采集時，由于樣品顆粒尺寸、均勻性等的影響，光程無法保持恒定，此時需要使用多元信號修正（MSC）或標準正則變換（SNV）來對光譜進行處理，以消除這些因素的干擾。 7. 定義待測組分下一步是定義待測組分，在Component窗口中按要求輸入待測組分的名稱、縮寫、單位、小數(shù)點尾數(shù)即可。濃度范圍（Analysis Low、Analysis High）可以根據(jù)實際樣品的分布輸入，一般下限（Analysis Low）設(shè)為實際樣品最低值的9

48、5%，上限設(shè)為實際樣品最高值的105%。如果不輸入，在模型計算時，TQ會根據(jù)標準樣品的含量分布自動計算出來。s 在設(shè)定了濃度范圍后，如果樣品的分析結(jié)果超過了此處設(shè)定的范圍，則可以在報告中給出警告信息。s 另外，定量分析模型的性能指數(shù)（Performance Index）也與此處設(shè)定的濃度范圍有關(guān)。在Component窗口中，還可以通過選擇Forces concentration values in Quantity result to sum to a constant選項使各組分含量總和自動為常數(shù)。8. 進行可行性測試（Feasibility test）在設(shè)定好了待測組分的信息后，可以進行可

49、行性測試以檢查所使用的方法能否成功的進行定量分析。其原理是通過分別采集兩個標準樣品（其組分含量不能相同，但需要在所設(shè)定的濃度范圍內(nèi)，可以不需要知道其準確的含量值）的光譜，每個樣品需要進行三次重復(fù)采集，TQ會比較這兩個樣品三次重復(fù)實驗得到的光譜并進行統(tǒng)計分析，以檢查光譜中是否包含足夠的可以與樣品中組分含量相關(guān)的信息。在TQ中，是通過使用Component窗口中的Assess Feasibility按鈕來進行可行性測試的。點擊此窗口后，會彈出相應(yīng)的對話框，按照其提示信息，TQ會指導(dǎo)您一步步完成可行性測試的實驗，并給出相應(yīng)的結(jié)果。如果可行性測試結(jié)果顯示光譜中沒有包含足夠的信息，則可能是由于所使用的光

50、譜采集方式不正確或樣品不均勻?qū)е鹿庾V重現(xiàn)性較差或信噪比較差所致，此時我們需要嘗試其它的采樣技術(shù)和改變實驗參數(shù)。9. 采集標準樣品光譜標準樣品的設(shè)定在Standards窗口中進行。（1）標準樣品的準備所謂標準樣品（Standards），是指為建立NIR定量分析模型收集的具有足夠代表性、并且已知化學(xué)成分含量的樣品。標準樣品的光譜采集在RESULT軟件中進行，其各項參數(shù)的設(shè)置見后續(xù)章節(jié)。TQ中Standards的作用有三種類型：s Calibration Standards用于計算定量模型，TQ根據(jù)其光譜信息與其對應(yīng)的各組分已知含量值建立起定量模型；s Validation Standards用于驗

51、證定量模型，不參與定量模型的計算，其作用相當(dāng)于已知組分含量的“未知樣品”，TQ會用Calibration Standards建立的定量模型預(yù)測Validation Standards中各組分的含量，并與已知值進行比較，計算性能指數(shù)（Performance Index和RMSEP）；s Correction Standards用于修正定量模型，此節(jié)不進行討論。標準樣品的收集和準備非常重要。一般來講，標準樣品中的各種成分的含量范圍和其它性質(zhì)必須涵蓋所有可能遇到的樣品中各組分的含量范圍，各種組分的含量之間要避免共線性現(xiàn)象（指兩種組分含量間呈線性變化），且要盡可能分布均勻。標準樣品的收集和準備可以根據(jù)

52、自己的經(jīng)驗進行，對于天然產(chǎn)物等組成復(fù)雜、無法控制其中各組分含量的樣品，只能通過收集足夠多的樣品以盡量涵蓋實際分析中可能遇到的各種類型。TQ中Suggest Standards向?qū)峁┝艘粋€很好的輔助實驗設(shè)計的功能。對于組成相對簡單的化學(xué)品，可以使用TQ軟件中的Suggest Standards向?qū)нM行設(shè)計，點擊Suggest Standards按鈕，會得到一個對應(yīng)的對話框，按照TQ的提示信息逐步進行，即可以得到TQ建議的標準樣品的分布。然后按其推薦的分布進行配置標準樣品，并采集其NIR光譜，當(dāng)然實際配置的樣品中各組分的含量不一定和Suggest Standards向?qū)扑]的含量分布完全一致，此

53、時只需按實際含量輸入到對應(yīng)的樣品含量表格中即可。如果使用一次Suggest Standards向?qū)扑]的樣品不夠多，可以重復(fù)使用Suggest Standards向?qū)?，直至得到足夠多的標準樣品。標準樣品一旦準備好后，可以使用Evaluate Standards向?qū)нM行評估；使用高級診斷菜單中的Select Standards項選擇校正（Calibration）或驗證（Validation）。當(dāng)然，這些工作也均可以手動完成。（2）標準樣品光譜的導(dǎo)入將鼠標光標移到Standards表格中的最下面的一行空白行（如果是新建模型，第一行就是空白行），在點擊Open Standards按鈕，彈出打開文件對

54、話框，找到對應(yīng)的光譜文件的路徑和選中對應(yīng)的光譜文件，可以成批選擇，也可以逐個選擇，OK即可。然后輸入對應(yīng)的樣品的組分含量。注意，如果不是第一次導(dǎo)入光譜，而是向已有的模型中添加新的光譜，可能會出現(xiàn)警告信息，顯示新添加的光譜的參數(shù)與模型中已有的光譜參數(shù)不一致，此時，需要我們慎重考慮新添加的樣品能否作為標準樣品，或者是否需要重新采集其光譜。（3）設(shè)置標準樣品的Usage信息前面已經(jīng)介紹過TQ中的標準樣品可以有三個作用，分別是Calibration、Validation和Correction，可以手動選擇，也可以使用高級診斷菜單中的Select Standards項自動選擇。如果某個樣品有錯誤，或者不愿意使用它，還可以將其設(shè)為Ignore（忽略），當(dāng)然也可以從Edit菜單中直接將其刪除（Delete Row）。（4）其它按鈕功能View Standards按鈕查看光譜，方法是在Select欄選中需要查看的樣品，可以多選，如果直接點擊表頭Select，則全選，再按View Standards按鈕，則會彈出光譜圖窗口。Sort Standards按鈕排序，方法類似于Excel。（5）其它選項作用 如下所示：在Standards表格中顯示光譜名稱欄在Standards表格中顯示文件名稱欄允許對光譜進行預(yù)處理，選中此項會在Sta