近红外拉曼光谱分析技术在白酒酒精度检测中的应用（可编辑）

近红外拉曼光谱技术在白酒酒精度中的应用（可编辑） 近红外拉曼光谱分析技术在白酒酒精度检测中的应用 江苏大学 硕士学位论文 近红外拉曼光谱分析技术在白酒酒精度检测中的应用 姓名:殷道永 申请学位级别:硕士 专业:农产品加工及贮藏工程 指导教师:陈斌 20060501江苏大学硕士学位论文 摘 要 本研究以白酒的酒精度为检测对象,运用传统拉曼光谱强度分析法研究了单 组分定量检测和采用几种常用化学计量学法多组分拉曼光谱分析中的定量检测方 法。同时采用了多种信息提取方法,从原始拉曼光谱中提取有效化学成分信息, 进行了拉曼光谱的波长优选和建模方法等关键的技术的研究。 研究共收集个白酒样品,对白酒酒精度进行了化学方法检测和拉曼光谱 检测。采用主成分分析法去处了个异常值样品号样品,在余下的 个 样品中,利用个样品作为定标样品,个样品作为预测样品。 对原始光谱、采用波数选择光谱的数据,运用传统的拉曼光谱强度分析 法、全谱和分析法分别建立了定标方程,并用定标方程计算预测集 样品。以相关系数、平均误差和标准差为指标对校正模型进行了预测精度分析, 得到的结果为:拉曼光谱强度分析方法:校正集相关系数.、平均误差 .、误差标准差.,预测集.、.、.:原始光谱的 分析法:校正集.、.,.,预测集.、.、.; ,.。 分析法:校正集.、.、.,预测集.,. 论文中还运用了人工神经网络中的网络,分析结果:校正集相关系数为 .,平均误差为.,标准差为.;预测集相关系数为.,平均 误差为.,标准差为.。 通过比较分析表明:神经网络回归得到的分析结果和分析结果比较好; 传统分析方法偶然因素太多,并不适合用于多组分混合物的定量分析,回归效果 也是最差。?在光谱的信息提取中,可能产生有用信息的损失,效果不是 很良好。通过以上研究,为拉曼光谱分析技术在多组分混合物中的应用提供了理 论依据,同时也为拉曼光谱在白酒质量检测、控制中的实际应用提供了借鉴。 关键词:.拉曼光谱,白酒酒精度,化学计量学,江苏大学硕士学位论文 : . , . . , . , , .. . .. . .?谢 . . ,. . ?. . :班岫 ,, 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许 论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部内容或 部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口,在 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密曰。 学位论文作者签名:勇致建彳 指导刻雠:辞驯 涮年‘月扣日 涮年月仞日独创性声明 本人郑重声明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容以外,本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名 蹲 日期:“年?屉如日江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 引 言 白酒工业为我国传统产业,是祖国的宝贵遗产,延续数千年不败,生命力旺 盛。白酒业与“三农”息息相关,也与高新技术微生物紧密联系,是解决粮食转 化尤其是杂粮、农村剩余劳动力就业,增加农民收入的有效途径,因此,白 酒的生产和品质管理十分重要,白酒品质的主要指标之一是酒精度。 白酒中酒精浓度即白酒的度数,是影响白酒质量的一个重要的化学指标,如 何对其进行快速、准确的测定对降低成本、提高产品质量都具有重要的意义。若 按国家标准测定,必需将白酒样品进行蒸馏、定容、再用比重瓶法或酒精计法测 定其酒精度,上述各类方法费时、费力、且测定结果只能保留位小数。采用仪 器分析方法,如使用气相色谱法分析白酒中乙醇含量时,不但操作过程复杂,而 且由于仪器价格的昂贵使得白酒生产过程中的酒精度快速检测难以实现。拉曼光 谱分析技术的最大特点是分析成本低、操作简便、快速,可以不 必对检测样品进 行任何预处理,操作过程简单,检测结果的重现性好,适合在线检测,是一种能 满足生产过程检测和控制精度的现代分析技术。总体来说虽然传统的白酒酒精度 的分析方法的优势在于技术已经相当成熟,某些定量分析法比较可靠,但缺点是 通常需要对样品进行物理的或化学上的制备或反应。对样品的原来性状有破坏 性,即分析过的样品一般不可再次用来检测。且一次处理过程只适合于检测一种 或几种物质成分,操作程序复杂,样品易被污染。样品中性质相似的成分易相互 干扰。以前有提及到近红外光谱法定量分析白酒的酒精浓度,正是由于这样的思 路为出发点,尝试采用拉曼光谱法定量分析白酒的酒精浓度,这在拉曼光谱法定 量分析混合物中成分的浓度还是首次尝试。 年,史梅耳.等人在理论上预言:光通过介质时,由于他 们之间的相互作用,可以观测到光频率发生变化,相位也发生规律的变化。在 年,印度人..和..首先在液体的散射光中发现了 频率的变化,几乎在同时.,和.在石英中观察到散射 光频率变化的现象。并对这种散射现象以..命名为拉曼散射, ..并因此获得了年诺贝尔物理学奖。同年,.和.亦 发现二级拉满散射。拉曼散射现象从发现,到拉曼光谱法江苏大学硕士学位论文 在分析化学、环境化学、珠宝判别等领域的应用,经历了很长一段 时间的发展和研究,现已被证明是一种非常好的无损检测方法。在过去使用拉曼 光谱检测时有一定局限性或不可能使用拉曼光谱分析技术的领域,由于近几年来 以下几项技术的集中发展已逐步开始使用拉曼光谱分析方法,在有些领域拉曼光 谱更是得到广泛的应用。这些技术包括:光纤的引入可以将探测点和复杂的光谱 分析处理部分分离,实现对生产过程的实时监测。监测系统在近红外区域的 高灵敏性,体积小而功率大的二极管激光器,与激光及信号过滤整合的光纤探 头。这些产品,连同高口径短焦距的分光光度计,提供了低荧光本底而高质量的 拉曼光谱以及体积小、容易使用的拉曼光谱仪,现在已逐渐开始 使用拉曼光谱 技术来做一些混合物质的定量分析。 . 拉曼光谱技术的特点和发展 拉曼散射光谱作为研究物质结构的一个强有力的工具,已有年的历史。拉 曼光谱的基本原理可以概述为:当频率为。的单色光入射到物质以后,物质中的 分子会对入射光产生散射,散射光的频率为。?,波长的偏移?与物质分子的 化学结构有关,拉曼光谱就是研究化合物分子受到光照所产生的散射,以及散射光 与入射光能级差和化合物振动频率、转动频率的关系。每种物质都有对应的特征拉 曼光谱,其强度与物质的浓度有关,根据这个原理可实现对物质的检测口】。 由于拉曼散射谱线的强度十分弱,给最初的应用带来了困难。但是年激 光的发现,特别是近年来全息滤光器、多通道检测技术包括冷却式、高 灵敏度的光电接收系统如光子计数器等和电子计算机应用于拉曼光谱的普及, 以及多种新型拉曼光谱技术如傅立叶变换红外拉曼光谱、表面增强拉曼光谱、工 焦显微拉曼光谱、共振拉曼光谱及各种技术的联用的发展,促使激光拉曼光谱在 分析化学、物质结构分析等领域的应用有了飞跃的发展。激光拉曼光谱研究的对象 从液态扩展到固态固体和粉末和气态,样品的用量也从过去的十几毫克下降到 毫克、甚至微克的数量级别,研究的水平逐渐从定性扩展到了定量。 拉曼光谱检测技术锄 作为一种新型分析技 术是有机物质定性、定量和结果分析的有效手段之一,近年来在国内也得到了快 速的发展。食品以及农产品分析的主要对象是食品中的有机成分,对食品中的有 机成分进行定性判别或是定量分析至关重要,因此拉曼光谱结合化学计量学方法 在食品或农产品行业已得到了广泛、重要的应用。用拉曼光谱测定食品中的成江苏大学硕士学位论文 分,无须对样品进行预处理,甚至可以直接对包装好的样品进行检测。可以测定 固体、液体和气体物料,同时可以对样品中的有机成分,如蛋白质,氨基酸,脂 肪,酯类物质进行快速测定。这种技术成本低,检测的速度很快,而且精度比较 高,数据可靠。有利于生产中的在线检测和实时检测,同时也可以测定很多有机 物的结构及物理特性。拉曼光谱法在有机化学、生物化学、环境化学、材料化学 及矿物宝石和公安法学等领域都有着重要而广泛的应用,不但能够进行物质分子 结构的鉴别等定性分析,且能够完成对物质成分的定量分析。对于纯定性分析、 高度定量分析和测定分子结构都有很大价值【。 ..拉曼光谱的技术特点 拉曼光谱是散射光谱,是光与物质分子发生非弹性碰撞的结果。散射光与入 射光频率的差值反映了分子振动能级差所对应的光子的频率,分子产生拉曼散射 称其具有拉曼活性。是鉴定物质分子结构的有力工具。拉曼光谱分析技术是以拉 曼效应为基础建立起来的分子结构表征技术,与红外光谱相同,其信号来源于分 子的振动和转动。 通常产品成品的品质控制的流程中都包括活性成分的化验,这个流程一般需 要对产品进行研磨,稀释,分离最终确定其活性成分,样品制备需要密集的人 工、浪费时间,而且是破坏性的过程。特别是固体样品研磨改变了样品的状态, 可能最终对检测产生的影响。近红外光谱不需要制备样品,但是近红外光谱数据 复杂,需要非参量多元分析或是其他的模式识别技术来处理近红外的光谱数据, 拉曼光谱不需要制各样品,节省经费。拉曼光谱可以对包装的样品进行入侵式的 检测,也就意味着可以无需打开包装直接对成品进行测定,例如瓶装、塑料包装 样品,也可以直接应用于产品生产的在线监测。拉曼光谱的特点具体可以概括为 以下几点鸭 .拉曼光谱分析速度快、分析效率高,由于样品光谱测定只要初次扫描好暗 电流后就可以直接对样品进行扫描,扫描的时间可以在一分钟之内完成。通过建 立光谱值和实际值之间的关联,可快速决定样品成分的组成。拉曼光谱实验操作 简单,甚至可以由经过简单训练的操作人员操作。通在工业分析中,同样适用监 控生产过程,不需过多人员参与就可保证生产稳定持续进行,可以及时反馈品质 问题。 .拉曼光谱分析是一种典型的无损分析技术,光谱测量不消耗样品,从外观 和内在都不会对样品产生影响,所以拉曼光谱在食品农产品的无损检测方面会得江苏大学硕士学位论文 到越来越广泛的应用。 .拉曼光谱分析便于实现在线检测,由于拉曼光谱的良好的传输性质,通过 光纤可以使仪器远离现场,将测量的值通过光纤传输给仪器,建立校正模型计算 后直接显示生产的样品的组分或性质,也可以对恶劣环境下进行测量,保证分析 人员的人身安全。 .由于水的拉曼散射很微弱,拉曼光谱是研究水溶液中的生物样品和化学化 合物的理想工具。 。波长区间,可对有机物以及无机 .拉曼光谱一次可同时覆盖 物进行分析。相反,若让种红外或是近红外光谱覆盖相同的区间则必须改变光 栅、光束分离器、滤波器和检测器。 .拉曼光谱谱峰清晰尖锐,更适合定量研究、数据库搜索、以及运用差异 分析进行定性研究。在化学结构分析中,独立的拉曼光谱区间的强度可以和功能 基团的数量相关。 拉曼光谱在许多化学鉴别应用的优点。然而,与任何分析方法一样,拉曼广 谱法也有一些不足之处,这些缺点】可以简单的归纳为: .有些拉曼仪器价格昂贵,导致了拉曼光谱作为常规分析的一个障碍。 .拉曼光谱分析中最主要的一个问题是样品所固有的或是样品中杂质的荧 光干扰问题,样品产生的荧光很容易覆盖拉曼光谱,然而,这个问题可以通过改 变激发光的光源,例如改变激光的波长到近红外区域,可以避免荧光干扰。 .当激发光源的能量过高时,使样品产生热分解。拉曼光谱分析技 术之中 还存在试验结果的不确定性。 .拉曼光谱仪器的灵敏度还有待进一步改善提高。 ..拉曼光谱的发展历史 年.拉曼实验发现,当光穿过透明介质被分子散射的光发生频率变 化,这一现象称为拉曼散射。同年在前苏联和法国也被观察到。 到年,系统地提出了拉曼效应的基本理论并揭示了拉曼光谱的 发展前景。然而,直到半个世纪后他的预言才得以真正实现。当时,等人 使用振动拉曼光谱和红外光谱明确确定苯分子具有对称。以及对简 单生物分子的研究。 世纪年代又很多重要的仪器技术方面的进展。如第一个开创了光 电拉曼光谱的工作,和开发了低压汞弧灯。在理论研究方 江苏大学硕士学位论文 面,建立了拉曼强度的谱线极化理论。在晶格动力学方面做出 了重要的贡献。 二战后,首先是红外光谱,之后是核磁共振和等离子质谱仪 的发展夺去了拉曼光谱的光彩。这部分归因于使用这些方法已可得到不 同形式的结构信息表达,此外,还由于拉曼光谱仪需要使用真实 有效的单色光源 和更好的光栅,带来了技术上的困难。 年,在法国南部城市召开了战后第一次国际拉曼光谱会 议。拉曼本人出席了这次会议,并就晶体中二级拉曼效应理论和进行了深 入探讨。 拉曼光谱技术直到世纪年代激光器应用才得以真正发展,激光器为拉 曼光谱仪提供了良好的单色光源。因此,激光器的使用可被视为拉曼光谱的最重 要发展。自世纪年代起,拉曼光谱再次在分析化学和结构化学领域占有了 一席之地。率先在拉曼光谱中使用激光器。开始使用染料激光器,但结果不 理想,之后又用.激光器再次研究方解石的拉曼光谱,获得较好的效果。采 用拉曼光谱方法广泛的进行固态物质的研究随之而来峭。 世纪年代,可调谐紫外激光器的商品化导致了拉曼光谱的广泛 应用。线性拉曼光谱中的共振增加光谱的灵敏度,第一次观察到超拉曼散射 【 。近红外区的拉曼光谱迅速发展使得样品由于荧光出现带来的局 限性得到 检测器出现, 最终的克服。中期的时候,低噪音? 使拉曼光谱灵敏度增加了~倍数量级,产生了新一代快速、单步色散光谱 仪器,同时,迈克尔逊干涉仪可被用于获得没有荧光的很理想的用:激 光器在 激发的近红外拉曼光谱,拓广了拉曼光谱仪器的应用领域。 世纪最后年,拉曼光谱已经成为一种重要的分析技术,拉曼光谱的发 展提高人们对拉曼光谱研究的兴趣,开发了许多新的领域。许多新的仪器技术的 应用使得组合的、高分辨率的色散拉曼光谱商品仪器更易于使用。结合光纤技 术,拉曼光谱仪器开拓了全新的研究领域,如工业、食品等等。如等 报道了?光谱对糖用甜菜中基本化合物的定性定量分析。“圳等对 食品的?光谱研究表明,不需要复杂的分离和制备过程即可以分析 植物中的脂肪、蛋白质、碳水化合物、香料及许多其它组分,特别适用于食用油 脂不饱和度的测定。拉曼光谱在国内的发展并没经历太长的时间,主要应用于医 学生物材料、药物的无损分析,文物考古,宝物鉴定,公安与法学样品的分析等江苏大学硕士学位论文 方面。 近来的拉曼光谱研究进展表明,作为一个化学领域的强有力的分析方法,拉 曼广谱法正获得很多分析化学家们的认同。拉曼光谱分析法由单纯的化合物的分 析向混合物分析方面的转变是必然的趋势。虽然拉曼光谱在混合物的定量分析中 尚且处于其发展的初级阶段,但是随着化学计量学和机器学习的发展,其前景是 极其光明的。 .拉曼光谱分析中主要的问题 拉曼光谱应用于物质成分的分析或是生物组织的宏观微观分析,一个重要的 优点就是拉曼光谱不需要使用其他化学试剂试验处理就能够提供物质成分的浓 度、结构等信息。拉曼光谱已被认为是食品科学等多个领域最有潜力的分析工 具。其中在某些领域如食品的品质在线监测还没有得到足够的重 视,最大的 原因是因为拉曼光谱仪器昂贵和测量中所遇到的一些问题。 拉曼散射是一种相对比较弱的光作用,应用范围受到很大的限制。为了提高 拉曼光谱的信号强度,人们进行了大量卓有成效的研究工作,提出很多新的拉曼 技术,例如使用高效率的激发光源的激光激发等。现在,很多拉曼光谱仪器也可 以得到很强的拉曼散射强度,但是对于液态样品的拉曼散射强度而言,拉曼灵敏 度仍然是存在的问题,应用范围非常窄,通常检测的样品是高浓度的样品【】,且 在很多食品中,这种激发光很容易导致荧光干扰。荧光的光谱强度大大超过拉曼 光谱的谱峰强度,可能完全覆盖整个拉曼光谱,得不到物质任何有用的信息。使 用激发光源的波长为 的激发光源可以避免产生荧光干扰,但是 的激发结果只能产生很微弱的拉曼光谱,要得到足够信噪比的光谱信息,就必须 对样品进行长时间的扫描一般情况下选择分钟,对于需要高效率分析的 样品,这种方法是不切实际的,而且不能达到用于在线监测的目 的。同时对样品 进行长时间的扫描,还可能产生热效应,使样品物质的分子结构产生变化,达不 到无损检测的目的。,,和等五在年曾经提出,对食 品的组分进行快速、无损检测分析的激发激光的波长应该选择在 到 的范围,也就是近红外的光谱范围,激发光源在这个波段的激发能够使荧光 干扰减少到可以接受的范围,而且使用高灵敏度的光谱采集器可以在短时 间几秒内内获得高信噪比的光谱。在使用拉曼光谱仪器对样品进行扫描时, 检测参数扫描时间、扫描次数的选择非常重要,为了得到良好的样品拉曼光 谱信息,必须对拉曼光谱仪器实验参数进行分析,选择最佳的仪器参数,以便得江苏大学硕士学位论文 到最好的拉曼光谱。 ..拉曼光谱分析的应用 拉曼光谱技术已在不同的工业和学术领域中得到了越来越重要的应用,并在 一些新的学科中得到了迅速的推广,具体分析应用可以包括以下几个方面: 定性分析不同物质具有不同的特征光谱,因此可以通过光谱进行定性分 析; 结构分析对光谱谱带的分析,又是进行物质结构分析的基础; 定量分析根据物质对光的散射产生不同的散射特点,可以对物质含量有很 好的分析、预测能力。 主要应用领域例如: .化学物质的认定、分析和特性测量有机物、无机物,包括溶剂、石化工 产品、碳物质、薄膜。在化学过程中跟踪高分子配方和聚合过程,实时测量混合 物各组成成分的含量,检测有机物污染,跟踪化学反应的中间和末端产物,预测 聚合物的型态特征。 .在药物分析中认定和分析药物成分、关键添加剂、填充剂、毒品;对药 物的纯度和质量进行控制。 .在刑侦学中检测易燃易爆物,毒品药品,生物武器试剂,墨水及文件。 .在生物和医学中在分子水平上对癌症和心血管疾病进行诊断。 .在食品行业,检测食用油中脂肪酸的不饱和度,检测食品中的污 染物如 细菌,认定营养品和果品饮料中的添加药物;另外在珠宝和材料,半导体,地 质,考古,环境等学科和技术上都有广泛的应用。 .拉曼光谱分析中的主要化学计量学方法 化学计量学和机器学习算法现在已开始使用于拉曼光谱的分析中。化学计量 学 是综合了数学、统计学和计算机学的工具与手段进行设计 或是选择最优化学测量方法的一门科学。它通过解析化学测量数据,最大限度的 获取化学及其他相关信息。世纪年代化学计量学有了很大的发展,各种新 的化学计量学算法及应用研究取得了长足的进步。编制了许多化学计量学软件。 有些软件现在已成为分析仪器的组成部分。随着计算机技术的飞速发展,化学计 量学分为分析仪器的智能化发展做出了巨大贡献。 化学计量学研究的内容很广,已用于计量化学的各个领域。在实际测试中广 江苏大学硕士学位论文 泛的应用于色谱、电化学、质谱、紫外、红外和拉曼光谱的分析领域。在拉曼光 谱分子中涉及到化学计量学的内容主要有定性分析和定量分析。拉曼光谱特征峰 明显,但是由于有很大的荧光干扰,而且光谱重叠比较严重,用普通的数学算法 很难将其峰分开,化学计量学方法可以对拉曼光谱进行有效的分析。现在也有大 量的文献报道了主成分分析、偏最..乘、遗传算法等化学计量学方法用于拉曼 光谱的数据分析,化学计量学也成为光谱分析的重要组成部分。 人工神经网络【? ,是近年来发展起来的 一门十分活跃的交叉学科,它涉及生物、数学、物理、电子及计算机技术,并显 示出极其广泛的应用前景。是由大量的彼此广泛连接的处理单元组成,每个 处理单元结构和功能都十分简单,通常通过某种基本的变换来完成各种复杂、困 难的任务。由于的结构上仿造了人脑的生物神经系统,因而其功能上也具有 某些智能特点,主要具有联想记忆、非线性映射、分类与识别、优化计算和知识 处理等功能。大部分的都涉及到对数据的预处理学习。目的是从已知数据中 估计相关性以能够较好地预测将来。近来,随着在光谱学中的发展,也有部 分研究人员开始把应用于拉曼光谱的数据分析。的非线性特征,也使得 大量的应用于对有系统产生的非线性数学建模中,而此建立的模型可以逼近 任何连续的非线性曲线。 .本课题研究的任务、内容和意义 白酒酒精度的快速测量一直以来都是很多研究人员研究的重要课题,从国家 标准的分析方法,到仪器分析法,例如近红外光谱分析法,可以说白酒酒精度的 分析已经比较完善,但是无论是国家标准的分析方法还是近红外等仪器分析方 法,都有很多缺点。使用近红外光谱等仪器分析方法,得到的白酒的光谱数据非 常复杂,分析人员必须具备很强的专业知识才能够完成对酒精度的测定。传统的 拉曼光谱分析方法只要考虑物质中的化合物拉曼峰强度和浓度之间的关系,而且 拉曼仪器操作比较简单,所以采用拉曼光谱分析白酒酒精度是对拉曼光谱在混合 物中的定量分析中应用的一个尝试。 对拉曼光谱进行分析时,传统的方法是采用峰强和浓度之间直接寻找相关的 关系或是化合物的光谱峰的面积与浓度之间的关系。本文以白酒为研究对象,采 用传统的浓度和谱峰强度关系定量分析白酒的酒精浓度,同时采用了,遗传 算法等化学计量学方法,以及方法对白酒的拉曼光谱数据进行有效分析,江苏大学硕士学位论文 研究的结果与传统方法的研究分析结果相互比较,总结出化学计量学方法在拉曼 光谱数据分析中的可行性。 初次使用拉曼光谱定量分析混合物中的成分,是对混合物定量分析的一种新 的尝试,论文试图从化学计量学出发,处理、分析拉曼光谱信号。在以往的研究 中,尚未见使用拉曼光谱对混合物质成分进行定量分析的报道。 论文主要对混合物质中成分的定量分析,为拉曼光谱在物质定量分析中的光 谱使用进一步提供了理论依据和实践意义。同时也为拉曼光谱在白酒或其他混合 物的分析提供借鉴。 江苏大学硕士学位论文 第二章拉曼光谱分析的基本原理 . 拉曼光谱的散射原理 一?江苏大学硕士学位论文 时中间虚态;,月:回到终态胛:,竹:。若始、终态一样,即 ,,,,,,该过程就是弹性散射如瑞利散射、廷德尔和米氏散射。反 之,若始末态不一样,即?。,。?。,则该过程就是非弹性散射如拉曼散 射、布里渊散射。非弹性散射过程中,很小的动量变化就可以得到很大的能量 变化,能揭示更多、深层次的物质结构信息【”。 ..拉曼光谱散射经典理论“”“” 按照经典电磁理论,单色光与分子相互作用所产生的散射现象,可以用光波 的电场与分子的相互作用来解释:单色光辐射照到样品,使分子产生振荡的感生 电偶极矩,可以将这个感生的电偶极矩看作辐射源,发射出瑞利散射光和拉曼散 射光。 根据电磁辐射的理论,一个以圆频率为珂振荡的电偶极矩,不论是物质固有 的还是场外感生的,都将辐射频率为万的电磁 波,其简谐变化可以表示为: / ? 其中:是振荡偶极矩的振幅。对于如图 所表示的处于坐标原点的电偶极矩,在离原 点为,的地方,远大于光波波长,当电偶极 矩产生的电场为: :互掣。。?一打%其中:为真空中的光速,为波矢量,且 /,代表,和平面上垂直于,方向的 图电偶极辐射示意图 单位矢量,为,和的夹角。电偶辐射的能? 流密度为: 筹砑圳巳 ,表示,方向上的单位矢量。在一个周期内的平均能流是: 。 &, 跏等”丁 式中:矿/是辐射光波的波数。 单色光照射到样品上时,由于分子是有负电子云及其中带正点的 原子核组江苏大学硕士学位论文 按一级近似当入射光 成,因此它可以被入射电场极化而产生感生电偶极矩, 不是很强时有: . 以 是原子坐标的 式中:口为分子的极化率,一般情况下分子极化率是各向异性的 函数,因此是一个矢量口。矗,。 如果频率为盯。的光波只产生频率为吼的感生电偶极矩,那根据上面的偶极 辐射理论,只产生与入射频率相同的散射光。但分子总是在振动的,即各原子核 在其平衡位置附近振动,因而分子的极化率也会随之发生变化,这样当频率为矾 的光波入射到样品上时也会感生出频率为河。的感生电偶极矩。下面将详细讨论分 子内部运动对感应电偶极辐射的影响。 首先将极化率的各分量按分子的简正坐标进行泰勒展开: :一 %%。?。铲。圭否毪? 式中:口。,。是分子在平衡位置的口。值,通常是不变的,,,?是分子振动 频率矾,研,?相联系的简正坐标,求和遍及全部简正坐标。一般情况下二次项及 以后的高次项远小于一次项,因此忽略一次以上各项,则: 沼 旷叫。莩卺勉 为了简单起见,只考虑某一简正坐标么,因而有: 口口口女 其中: ‰ 蠢 假定分子的振动是简谐振动,即:驮 日仇 切是简正坐标的振幅,吼简正振动的频率,吼相位因子,假设其 为。 按着经典电磁理论,频率盯.为单色波的电场可以写成: 曰 , ?带入式?可得: 将式.,江苏大学硕士学位论文 嘞岛刃:%女毛 % %岛%去毛女磊 慨一研去呓女岛 最%一最吼吼 式中符号:叮。,最矾一%,最矾巩分别对应其上面公式的各个项。 由式可以看出:频率为口。入射光在样品中产生个感生电偶极距 盯,最牙。一万,兄盯订,它们将产生频率为盯,刃。一万?,玎万 々的辐 射,分别对应于瑞利散射、斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射,显然斯托 克斯和反斯托克斯对称的分布在瑞利线两侧。由射强度的表达式,?,可 得到拉曼敖射的强度公式为: 弦,, 亟笋四小岛 对于多粒子系统,拉曼散射的强度依赖于散射离子在其初态上的粒子数分 布?最、入射辐射强度以及描述极化率和核位移的函数关系,而他们与入射光的 频率差??拉曼频移却只和物质的振动、转动能级有关在少数情况下也和样品 的电子能级有关。 以上利用经典电磁理论解释了拉曼散射,下面利用光量子学说对拉曼散射做 简单的解释。 .,拉曼散射的量子理论”””“ 单色光与分子相互作用所产生的散射现象可以用光量子粒子与分子的碰 撞来解释。按照量子理论频率为。的单色光可以看作能量为。的 光量子,为普 朗克常数。当光子。作用于分子时,可能发生弹性和非弹性两种碰撞。 光与分子的散射能级图如图所示,处于振动和转动能级基态的分子受 到入射光子。的激发跃迁到受激虚态,由于虚态是不稳定能级,所以分子立即 跃迁回到基态,此过程对应于弹性碰撞,跃迁辐射频率为。,为瑞利散射类似 的过程,如果分子从受激虚态跃迁到激发态勘跃迁辐射频率为。一?,这 个过程对应于斯托克斯拉曼散射。另一类过程是处于激发态的分子受到入射光子 的激发而跃迁到受激虚态,如果跃迁回到激发态则为瑞利散射;如果跃迁到基 态,则其跃迁辐射频率为。?,对应于反斯托克斯散射。同时从能级图可以 看出激发态与基态之间的能级差为,对应于红外吸收光谱的能级差,即红外光江苏大学硕士学位论文 组成的系统波函数所满足的薛定鄂方程 广. 写为: 丫 胁詈刈圳坩龇卜 为光与分子不存在相互作用时的哈密 ????‘ 。 誓一三斓弱 江苏大学硕士学位论文 “归瓦去‖喊也 ’ 其中: 。:一。 考患散射时恻’,但远大于光波的振动周期,即去鲁,因 此可得单位时间系统由本征态跃迁到本征态的跃迁几率%。为: 。, 等邮。圳 设入射和出射光子的能量分别为。,,分子散射前后的本征能级分 别为 。,%,根据能量守恒定律: 。一。一。一】 所以: 。一占。? 当。一。时,为反斯托克斯线,当占。一。为斯托克斯 从以上的解释可以看出拉曼散射的强度和处于振动能级的基态、 激发态的分 子的布局数有关。根据波尔茨曼定律,处于基态的分子数要比处于激发态的分子 数多,遵从波尔茨曼分布。所以处于基态与激发态的分子数之比为/, 为波尔茨曼常数。也就是参加斯托克斯和拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射的分 子数之比为/,再根据经典电磁学计算的偶极辐射的公式?,辐射 强度与频率的次方成正比,由此可得到拉曼散射同一振动频率的斯托克斯与反 斯托克斯线的强度之比为: 协 。 、 罴杀筹洲小 ? 七斯托克斯 上述的两种非弹性散射中,斯托克斯受激态的强度相对分布要大大超过反斯 托克斯受激态。在散射光谱中,反斯托克斯线给出和斯托克斯线一样的结构信 息,但由于其强度要弱的多,很少用于分析。因此,光谱中仅斯托克斯部分被实 际应用。另外,光谱中的坐标通常不用频率位移?,而是用波数。表 示。拉曼光谱提供的是关于分子振动一转动结构的信息,但是和红外光谱的机理 不同,振动光谱也有很多的差异,两者在给出分子的结构信息时可以得到互补的江苏大学硕士学位论文 作用。 在样品分析中,由于瑞利散射不负载样品的任何信息,因此必须将瑞利散射 光除掉,否则会影响拉曼散射光的检测。通常采用光学滤光器 将 瑞利散射光滤除掉,使检测器监测到的只是拉曼散射光。 在拉曼光谱中,横坐标的单位用波数。表示,表示拉曼位移。拉曼检 测器检测到的是拉曼散射光,当不同波长的激光激发样品时,拉曼检测器监测到 的拉曼散射光的波长是不相同的。拉曼位移可以表示为: 拉曼位移激发激光波数一拉曼散射光波数 .拉曼光谱的定量分析原理 尽管拉曼光谱峰强与很多复杂的因素有关,比如分子的极化率等,很少有严格 的方法来描述这个模型。定律广泛地适用于可见光、红外光、紫外光 等吸收光谱中,但是不适合于散射光谱。这不等于说,拉曼光谱不能用于定量分 析,相反为了使该技术成为可性的定量分析方法,有关学者在实验中进行了大量的 研究探讨,悉心总结和掌握了许多技术操作方法。应用拉曼光谱法进行定量分析, 依据的是拉曼效应原理。拉曼光谱在不是很严格的要求下可以使用类似 : 定律确定拉曼强度,拉曼波峰的散射强度‰。可以用下式表示‘ ? 』。 其中:而是激发光源的强度,矿是光源或是分光计照射的样品的体积,是样品 的浓度,是每个波段的比例系数,样品的拉曼强度不仅与样品有关,还与仪器 的因素有关,用绝对的强度解释这些因素是非常困难的。 由于散射强度和散射物质的浓度成正比例关系,获得混合物的定量信息是很 有可能的,如果要确定混合物中的单个成分的拉曼光谱,需要知道这种成份的标 准光谱。任何一个光谱数据集都是有限个离散的或等距离的谱峰 强度值组成,每 一个光谱数据点包含混合物中所有成分的贡献率,解决单个成分的贡献率需要采 用多元线性回归或主分成分析等方法。 传统的理论分析认为拉曼光谱定量分析依据可以用下式解释: . 一‘‖“。出 ? 式中:为光学系统所收集到的样品表面拉曼信号强度,足为一分子的拉曼散射截 面积,垂为样品表面的激光入射功率,、’为分别是入射光和散射光的吸收系江苏大学硕士学位论文 数,为入射光和散射光通过的距离,为光学系统的传输函数,为样品 池的厚度。 由式?可以看出,在一定条件下,拉曼信号强度与产生拉曼散射的待测 物浓度成正比。即:? 式和式?是传统拉曼光谱分析的主要依据。在对物质拉曼光谱分 析中,由于光源的频率和温度的参数的设定、散射光的分散性和样品组分的不同 散射性,以及分析中其他任何变化引起的被测体系的变化,这些引起误差的可能 性常导致曲线的非线性问题,因此在传统的定量分析时,直接应用光谱的强度和 浓度的分析曲线对样品进行测定。 .拉曼光谱分析的一般步骤 拉曼光谱无法直接反映出多组分物质的含量问题,应该把拉曼光谱和经典的 化学测定技术结合起来使用,从而解决分析、定量的问题。分析测量的流程的完 善可以检测的操作过程和系统的解决拉曼光谱测定时产生的一些误差,有效 的提高了检测精度,通过建立校正方程完成对待测组分的定性、定量分析。和一 般的光谱分析技术一样,拉曼光谱分析技术的流程也可以分为两个大部分:一是 建立数学模型分析方法、预测方法并检验、优化模型的稳定性;二是应用数 学模型,由未知样品拉曼光谱,预测有关未知样品中有关组分含量和性质。 在拉曼光谱分析中,数学模型的建立一般需要以下几个步骤: .选择定标样品集选择有代表性的样品组成定标样品集,其应包含除了待 测成分以外的所有的背景信息以及其他信息,使建立的数学模型 能将这些样品的 背景信息加以扣除,以解决拉曼光谱分析多信息的难点。 .确定光谱仪器参数选择的参数能够最好的有助于检测时减少仪器带来的 误差。 .采集样品集的拉曼光谱采集样品集的光谱,获得最优的信息,以最优的 样品经过预处理后才能建立非常稳定且有很高预测效果的数学模型。 .按国家标准或是行业标准的法定方法测量全部样本的待测成分的含量,测 得的成分含量作为建立数学模型的标准化学值。 .建立与检测数学模型运用化学计量学方法或是其他方法从复杂的背景与 图谱中提取特定的信息,建立光谱特征与组分含量之间关系的数学模型,再通过江苏大学硕士学位论文 样品集的内部校正证实和外部校正检验数学模型。 .检验模型的准确性和稳定性将预测样品的光谱数据代入定标方程计算出 待测成分的理论计算值,并分析预测值与标准化学值之间的误差和不同方法对建 立模型稳定性的影响。 .优化数学模型以及数学模型的修正与维护为了提高数学模型在时间和空 间上的稳定性,要不断的重复以上步骤,对数学模型不断修正和维护,稳定的数 学模型需要不断的完善,这个过程是没有止境的。江苏大学硕士学位论文 第三章拉曼光谱在自酒测定中的实验 . 仪器工作参数的确定 .实验仪器 本实验采用美国美瑞泰克 有限公司生产的 一便携式近红外光拉曼光谱仪。该仪器的工作原理如图.所示,实物图如 图?: 样品室 图. 拉曼光谱仪工作原理示意图 ? 图 .便携式近红外光拉曼光谱仪?江苏大学硕士学位论文 拉曼光谱仪的具体技术参数如下: .激发光源 窄幅稳频二极管激光器,或,线宽:.~;激光器功 率:~ 或 ; 双光线激发器输出,.。 .光纤光学探头 高性能的探测器,瑞利抑制..: ~~ / 光谱覆盖: 激发; 。 的激发光纤,的采集光纤.。 .探测器 检测阵列元尺寸: ?元。 ’。。 分辨率: 滤光器:滤光器的作用是过滤掉瑞利散射,采用的是全息限波滤 光片。 实验用电脑台,电脑配置:赛扬.。 . 仪器在下通过 处理软件进行操 作。开机后,为保证仪器采集到的光谱的准确性,扫描样品前,对 暗电流进行扫 描,直到暗电流光谱不再波动。样品正式扫描前。应该对样品反 复扫描,直到样 品光谱稳定。环境温度控制在。。 .仪器工作参数的确定 仪器的参数包括:分辨率、扫描次数,工作电压、扫描时间,平滑参数的选 择,以及仪器的波数校正等等。选用适当的仪器工作参数,并在整个样品光谱采 集的过程中保持不变,是建立稳健方程的前提。 .光谱采集中分辨率、采集积分时间的确定 采样分辨率是指采集光谱数据时采样点之间相隔的波数波长,采样分辨 率直接影响光谱图的结构,在分辨率比较高的情况下采集样品,需要较长的采样 时间,数据量多,数学模型处理样品所需要的时间也会很长;分辨率太低,采样 时间比较短,数据量变少,但是光谱的结构比较粗糙,所含的样品的信息不丰 富,在处理这些信息时,可能有很多可以表示样品成分或含量的信息,并没有被 表现出来,得不到预测效果比较良好的数学模型。 .便携式近红外光拉曼光谱仪最小的分辨率可以达到 ~,为了保证 ’。。 光谱采集时信息的完整性,本研究采用的分辨率为江苏大学硕士学位论文 样品采样积分时间是型光谱仪器的重要的检测参数之一。实验表明, 如果激光的照射时间过长,绝大部分物质都会出现热现象。使用拉曼光谱仪激光 源扫描样品时,如果长时间的照射样品,虽然有时会因为积分时间的增长得到比 较好的拉曼光谱。但通常情况下并不能得到物质的真实的拉曼光谱,到目前为 止,出现热效应的激励还不是十分清楚?。对浅颜色样品特别是固态样品, 激发激光照射后,只要出现热效应,就可以看到在激光照射的样品的部位会变 黑,也就是说样品的这个部位被“烧焦”了,但是在对白色样品进行扫描时,没 有发现样品被“烧”黑的情况。为了避免热效应,可以降低激发激光的功率,或 是改变拉曼光谱附件如旋转装置、冷却附件等,同时也可以减少样品的扫描 积分时间。积分时间的增加,同时伴着仪器温度的升高,使仪器分 析产生了一定 的误差,最直观的反映就是鬼峰的产生,实验表明增加样品的积分时间,也增加 了鬼峰出现的机率。如图.为积分时间为、分辨率为~、平滑系数为 .的白酒的拉曼光谱,由图可见,选择的积分时间的过长,在 .处出 现了一条明显的鬼峰。选择积分时间为秒,平滑参数为.和,采集的拉曼 光谱具有很强烈的噪声,而选择分辨率为,积分时间为秒,平滑参数为 .,采集到的白酒拉曼光谱较好,如图?,?,。 世 囔 产生的鬼峰 酬 , 趔 扫 一??匣 。..眦~八? 一.,、八,.。, 拉曼位移一 。 图?产生鬼峰的白酒拉曼光谱谱图 ’ 订 江苏大学硕士学位论文 捌 颓 型 一./\叶。一 叭~?一?。。 拉黜 图.分辨率为~、积分时间秒、平滑参数为.的白酒拉曼光谱 .、 ? ~、 . 划 跫 酬 迥 一....一 .挑。人一一。。~. 拉曼盥眵 图分辨率为一、积分时间秒、 平滑参数为的白酒拉曼光谱 .、 、 餐 犁 ,刖? 产八.脚一.。 拉曼位移旷 图分辨率为~、积分时间秒、平滑参数为.的白酒拉曼光谱、.、.江苏大学硕士学位论文 综合考虑,实验选择采用本仪器最大的分辨率,即。的分辨率。在进行扫 描积分的选择时,在防止样品产生热效应的前提下,尽可能详细的纪录样品的所有 信息,选择样品的积分时间为积分时间范围为,平滑参数为.。 .光谱范围的选择 为了尽量全面获得待测物质的光谱信息,拉曼光谱总是希望包含所有的物质 的信息,物质的全光谱时包含物质信息最充分的。但是从白酒的拉曼光谱图可以 看到,在自酒拉曼光谱的开始部分和最后部分,光谱基本呈现直线状态,只有在 光谱的中间部分,才有较多的峰产生,包含白酒的大量的信息。 从图可以看到,白酒的拉曼光谱峰主要集中在位移在.~~ 的光谱范围内,其他的部分由于信息量少,暂不使用。因此,此位移范 围内光谱也作为最后的数据的分析光谱。 在进行拉曼光谱测定前,为了标出准确的拉曼光谱峰位,需要对拉曼光谱进 行位移校正,实际的拉曼光谱仪器使用的是近红外激光光源,激发波长为 ,波数的校正在样品光谱测定中有详细的叙述。 .实验内容 .. 白酒的样品收集及酒精度化学值的测量 本研究所用的白酒样品全部从市场直接收集。样品生产时间为年月 年月,样品包括“金六福”、“泸州老窖”、“道光廿五”、“洋河大曲”、“今世 缘”、“绵竹大曲”以及“红星二锅头”等多种品牌的清、浓、酱、米等各种香型的白 酒。产地分布比较广泛,生产企业有国家大型、特大型企业,也有规模比较小的地 方小型企业,样品基本反映了我国中低档的白酒生产企业的状况。样品的酒精含量 范围为.~.%/。共收集白酒样品个。详细数据见附录。 白酒酒精度的化学值是按照..规定的气相色谱法进行测定的, 图?是以正丙醇为内标物的白酒气相色谱图。 气相色谱仪的测定条件如下: 仪器型号 检测器 / 进样器 不分流氢气 温度? 柱类型 酒柱 空气 / 柱规格 % 进样量 载气流量【/ ,江苏大学硕士学位论文 测量的主要步骤: .样品的测定 准确量取样品/于 的容量瓶中,准确加入/.的正丙醇内标 溶液,混合均匀,在同样的色谱条件下进样?。 .测量值计算 用样品中乙醇峰与正丙醇内标峰面积的比值,查标准曲线,计算 出样品中酒 精的质量分数,所得结果保留位小数。在测定过程中,进行次平行 检测,平 行测定值之差应郢.%。 。 ?。。 。 。 喜。 。。 。 。。 。 时间‰ 图?以正丙醇为内标物的白酒气相色谱图 ..样品拉曼光谱的采集 .拉曼位移标准化 标准化是使光谱的像素和波数相关 的一个过程。对一台精确的光谱摄制 仪,每个像素代表一个特定的波数。用 二次曲线拟合的多项式表示每个像素和 波数对应关系,用前个多项式系数 或校准系数表示像素数和波数之间 的函数关系。图是本仪器进行一轴 标准化时的软件界面。 一轴标准化菜单提供了一个计算标 准化系数的平台。在标准化菜单左侧是 图 .轴校正软件界面? 一个匹配矩阵输入参数,用来使一 个样品的特定波谱峰的像素数和相应的波数相关。基于像素数和 波数之间的关系 计算标准化系数。本仪器有预载乙丙基乙醇像素数和波数关系得到缺损的匹配系江苏大学硕士学位论文 数函数,分别选择的个峰的像数分别为,,,,,, ,,对应的波数为.,.,.,.,.,,., 。每次调整仪器的使用状态后需要进行一轴标准化过程,使用仪器附带的 准标溶液乙丙基乙醇校正仪器的轴,得到的校正系数分别为 .,.,一.。保存标准化后的标准化系数,为以 后的实验分析使用。 .试验步骤 . 首先在电脑上打开拉曼光谱分析软件 ,在 确定激光光源关闭的情况下,打开拉曼光谱仪器,然后打开激光光源,激光光源 .拉曼光谱仪 打开秒后稳定才可以用于测量。把装样容器 器自带的检测装样瓶放入密封的检测室内,调整好扫描参数,选择拉曼位移差 ~,平滑参数设置位 的最大间隔为.,起始波长~,终止波长 .,积分时间设置为。扫描暗电流,如图。 燃暇酬颦 ??蚰?即 ?????? 拉曼位移一 图拉曼光谱暗电流 待扫描好暗电流后,保存暗电流到软件安装文档中代替原有的暗电流的值。 首先选择一组纯的乙醇溶液装入检测瓶内进行扫描,对扫描后的光谱进行像数和 位移修正。在.。左右范围内进行单次测量,可以发现一最高峰,将其 坐标值与.。比较,如果有偏差,就将波长修正为.~。然后开始 调节光路,在.处进行定点测量,调节光路使波峰达到最大值。然后将 白酒样品倒入测试瓶中,放入密闭的分析室内,在放入样品时应该注意不可以直 视激光光源,以免对眼睛产生伤害。使用调整好的仪器开始对样品正式测量,对 所有的样品测量次,取平均值,作为最后的分析光谱。江苏大学硕士学位论文 第四章 白酒酒精度拉曼光谱数学模型建立 传统的拉曼光谱分析方法是直接分析拉曼光谱峰强度和样品的 浓度的之间的 关系,这是以前很多学者分析拉曼光谱常用的方法。例如中国药科大学和江苏省 药品检验所的王玉、李忠红、张正行【等人于年在研究抗结核病药物中的吡 嗪酰胺和异烟肼等药物浓度和拉曼光谱时,给出了几种化合物 浓度与其拉曼峰谱线强度的线性关系曲线,证明这种方法是研究拉曼光谱强度和 物质的浓度关系的有效数学方法之一。偏最小二乘法是近年来发展起来的一种多 元分析方法,现已成功的应用于分析化学,如紫外光谱、液相谱、近红外光谱以 及电分析化学等方面。任何回归的目的都是为了对未知样品的预测取得最小的误 差。一个定标方程的好坏常用预测标准差和相关系数等指标。本课题采用拉 曼光谱的传统分析方法和化学计量学的方法如:、遗传算法与相 结合方法、方法等多种方法,建立白酒拉曼光谱的数学模型定标方程, 以相关系数、预测标准误差作为评价方程准确度的标准。 . 定标模型的评价指标 使用偏最乘法对白酒的酒精度拉曼光谱进行定量分析。对白酒的原始光 谱建立校正模型,基于最小预测残差平方和晒,和回归相关系数月选择最 优校正因子的数目。校正模型预测能力的好坏通过计算校正集的校正标准偏差 和预测集的预测标准偏差进行测试。十字交叉验证可以估计模 型性能。 检验一个定标方程的好坏,关键是用预测效果进行检验。将样品集分成校正 集和预测集,其中校正集用于建立校正即定标数学模型,并用这个校正模型对剩 余的样品即预测集进行预测,来检验校正模型的好坏,在光谱分析中常用以下的 】: 指标作为评价标准【 .相关系数五其中:样本数:江苏大学硕士学位论文 。一第个样品的预测值; ’,一第个样品的实测化学值; ‰一所有样品实测化学值的平均值。 以嬲。,?;一,表示总的平方和,。?只一:为预测残差平方 和,则回归平方和嬲一。,一。。则复相关系数还可以表示为: : 。 尺给出了回归平方和占总平方和的百分比,接近表示预测值接近化学 值,若,表示预测值和化学值完全相同,一般是不存在,或是方程拟合时候 出现过拟合现象。 .标准差 对于一组数据,有时只了解它的平均数还不够,还需要知道它的波动大小, 描述一组数据波动大小的统计量不止一个,最常用的是方差和标准差。在拉曼光 谱数据分析