基于吸收率择优的近红外波长筛选方法及其应用

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现代红外光谱分析技术(近红外、中红外)以其简便快速、非破坏性和易于实时分析等特点已在农业、食品、环境、生物医学很多领域得到广泛应用。高信噪比分光波长筛选方法是关键技术之一,它对于建立高精度分析模型、降低模型复杂性和设计小型专用光谱仪器的分光系统等方面具有重要意义。本文针对光谱吸收率过高时噪音大,吸收率过小时信息少的特点,提出基于吸收率择优的分光波长筛选方法—吸收率择优偏最小二乘(AO-PLS)方法。该方法将全谱段的吸收率从小到大按照等步长细分为若干值;选择任意两个节点上的值作为最小、最大吸收率,它们的差为吸收率宽度,从而得到一个吸收率范围,利用光谱波长与吸收率对应关系,反过来确定上述吸收率对应的波长组合;采用移动窗口模式,在每个吸收率范围对应的波长组合上建立PLS定标预测模型;根据预测效果优选吸收率,从而得到最优波长组合,达到光谱降维和信息波段提取的目的。血清胆固醇是高脂血症的临床诊断指标,现有测定方法需要生化试剂和较高的专业操作技能。利用近红外(NIR)光谱研究无试剂、快速简便的血清胆固醇分析方法对于大人群日常血脂检测具有重要应用价值。本文以血清胆固醇的NIR光谱分析为例对提出的AO-PLS方法进行检验,并与直接PLS方法、移动窗口PLS(MWPLS)法进行比较。直接PLS方法:经过对全谱区、近红外短波区和近红外长波区的比较,长波区效果优于全谱与短波区,波段为1100-2498nm,模型检验效果预测均方根偏差(V-SEP)、预测相关系数(V-RP)和相对预测均方根偏差(V-RSEP)分别为0.835mmol L-1,0.677和16.01%。MWPLS方法:最优分析波段为1556-1852nm,最优PLS因子数为14,模型检验效果V-SEP、V-RP和V-RSEP分别为0.189mmol L-1,0.987和3.81%。AO-PLS方法:最优分析波段组合为1374-1392∪1544-1852,模型检验效果V-SEP、V-RP和V-RSEP分别为0.181mmol L-1、0.988和3.61%。实验结果证实:基于AO-PLS筛选出的波长组合分析效果明显优于近红外全谱、短波区和长波区效果,且波长数得到了大大的减少;AO-PLS方法接近并优于MWPLS效果,但AO-PLS方法可根据吸收率选取多个高信噪比波段,具有更好的使用范围,对于建立高精度分析模型、降低模型复杂性和设计小型专用光谱仪器的分光系统等方面具有重要意义。
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