1. 操作摘要

使用Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀收集藥物提取物（丹桂香浸膏）的光譜數(shù)據(jù)。樣品的固體%含量已知，然后加水降低固體含量。利用固體%含量的參考數(shù)據(jù)和光譜數(shù)據(jù)創(chuàng)建校正模型。校正模型的結(jié)果極好，顯示使用Brimrose自由空間光譜儀測(cè)量這類藥物提取物的固體%含量是的確可行的。使用一些樣品創(chuàng)建驗(yàn)證集。利用校正模型和驗(yàn)證集進(jìn)行預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)的結(jié)果證實(shí)校正模型能獲取極好的結(jié)果。自由空間光譜儀被改進(jìn)為透射方式操作。推薦訂購(gòu)配有轉(zhuǎn)換為透射方式附件的Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀，允許進(jìn)一步校正和測(cè)試。

1. 介紹

聲光可調(diào)濾波器（AOTF）的原理基于光在各向異性介質(zhì)中的聲折射。裝置由粘在雙折射晶體上的壓電導(dǎo)層構(gòu)成。當(dāng)導(dǎo)層被應(yīng)用的射頻（RF）信號(hào)激發(fā)時(shí)，在晶體內(nèi)產(chǎn)生聲波。傳導(dǎo)中的聲波產(chǎn)生折射率的周期性調(diào)制。這提供了一個(gè)移動(dòng)的相柵，在特定條件下折射入射光束的部分。對(duì)于一個(gè)固定的聲頻，光頻的一個(gè)窄帶滿足相匹配條件，被累加折射。RF頻率改變，光的帶通中心相應(yīng)改變以維持相匹配條件。

光譜的近紅外范圍從800nm到2500 nm延伸。在這個(gè)區(qū)域最突出的吸收譜帶歸因于中紅外區(qū)域的基頻振動(dòng)的泛頻和合頻。是基態(tài)到第二激發(fā)態(tài)或第三激發(fā)態(tài)的能級(jí)躍遷。因?yàn)檩^高能級(jí)躍遷連續(xù)產(chǎn)生的概率較小，每個(gè)泛頻的強(qiáng)度連續(xù)減弱。由于躍遷的第二或第三激發(fā)態(tài)所需的能量近似于第一級(jí)躍遷所需能量的二倍或三倍，吸收譜帶產(chǎn)生在基頻波長(zhǎng)的一半和三分之一處。觸簡(jiǎn)單的泛頻以外，也產(chǎn)生合頻。這些通常包括延伸加上一個(gè)或多個(gè)振動(dòng)方式的伸縮。大量不同合頻是可能的，因而近紅外區(qū)域復(fù)雜，有許多譜帶彼此部分疊加。

現(xiàn)在，NIRS被用作定量工具，它依賴化學(xué)計(jì)量學(xué)來(lái)發(fā)展校正組成的參照分析和近紅外光譜的分析的關(guān)聯(lián)。近紅外數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)處理包括多元線性回歸法（MLR）、主成分分析法（PCA）、主成分回歸法（PCR）、偏最小二乘法（PLS）和識(shí)別分析。所有這些算法可以單獨(dú)或聯(lián)合使用來(lái)得到有價(jià)值組成的定性描述和定量預(yù)測(cè)。

III. 方法

Brimrose公司得到5瓶不同固體%含量的丹桂香浸膏樣品。其中3瓶樣品的含量為71%，一瓶為72%，另一瓶為70%。使用Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀收集光譜數(shù)據(jù)，單一光程透射方式操作。每一個(gè)樣品收集7張光譜。每個(gè)樣品的第一張光譜是取自瓶?jī)?nèi)的原始樣品。一部分樣品被置于1mm裂縫容器的頂部，一個(gè)石英載片被放在上面以生成具有1mm單一光程的均勻樣品。樣品被放于光束下面，儀器掃描光譜范圍。檢測(cè)器在樣品的底部收集透過樣品的光。得到光譜數(shù)據(jù)后，新鮮樣品的一部分被稱重，添加已知量的水。樣品再次置于光譜儀下獲取光譜數(shù)據(jù)。這樣的步驟每個(gè)樣品做7次，獲取總共35張譜圖。每一張光譜都是250次掃描的平均結(jié)果。波長(zhǎng)范圍從900nm到1690nm，2nm的分辨率。光譜數(shù)據(jù)以透射方式收集并處理為一階微分。使用化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件程序解譯器從光譜數(shù)據(jù)和參考數(shù)據(jù)創(chuàng)建校正模型。驗(yàn)證集從樣品中的某一些創(chuàng)建，這些驗(yàn)證集被用來(lái)生成來(lái)自校正模型的預(yù)測(cè)。

IV.結(jié)果

1. 光譜

圖2.? 丹桂香浸膏的35個(gè)不同固體%含量樣品的吸收光譜

樣品的吸收光譜顯示在1450nm區(qū)的變化。這是水的吸收區(qū)域，也是期望看到光譜數(shù)據(jù)的改變歸因于水含量和固體%含量改變的區(qū)域。

圖3. 丹桂香浸膏的35個(gè)不同固體%含量樣品的一階微分光譜

一階微分光譜顯示光譜數(shù)據(jù)的最大改變發(fā)生在910nm~950nm區(qū)，1100nm~1200nm區(qū)和1300nm~1550nm區(qū)。隨后的圖顯示了在這些波長(zhǎng)區(qū)的放大的一階微分光譜。

圖4.? 在910~950nm波長(zhǎng)區(qū)的放大的一階微分光譜

圖5. 在1100~1200nm波長(zhǎng)區(qū)的放大的一階微分光譜

圖6. 在1300~1500nm波長(zhǎng)區(qū)的放大的一階微分光譜

2.回歸和模型化

偏最小二乘回歸法被用于吸收光譜和一階微分光譜。結(jié)果是近似的，因而決定使用從吸收光譜計(jì)算得到的模型。

圖 7.? PLS 1 回歸模型用于丹桂香浸膏的固體%含量.

PLS 1回歸模型關(guān)聯(lián)丹桂香浸膏的固體%含量和使用Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀收集的光譜數(shù)據(jù)。模型使用6個(gè)主成分，顯示固體%含量和光譜數(shù)據(jù)間的極好相關(guān)性。光譜數(shù)據(jù)和參照數(shù)據(jù)間的關(guān)聯(lián)的相關(guān)系數(shù)等于0.992。對(duì)于如此有限的研究，這個(gè)結(jié)果是非常好的。根據(jù)過去的大量應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，能夠肯定的說(shuō)，使用具有更多樣品的樣品集可以創(chuàng)建和參考方法具有同樣精度的模型。

圖 8.? ?PLS 1 回歸模型用于固體 %含量的相關(guān)系數(shù)

回歸系數(shù)指明哪個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域包含用于模型的光譜信息。清楚的看到在1300nm~1550nm范圍有大系數(shù)，也是一階微分光譜顯示的最大變化的波長(zhǎng)區(qū)。在1450nm水的吸收和這些改變的某一些肯定歸因于水含量的改變。然而，一階微分光譜中的變化和回歸系數(shù)的變化都發(fā)生在一個(gè)把這些變化僅僅解釋為水含量改變的很寬的波長(zhǎng)區(qū)。由于加水，固體濃度發(fā)生改變， 來(lái)自920nm~1100nm區(qū)的對(duì)回歸的貢獻(xiàn)或許反應(yīng)這些變化。

3. 預(yù)測(cè)

通過數(shù)據(jù)集以外的一點(diǎn)和不包括這個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)的校正模型來(lái)預(yù)測(cè)，然后使用校正模型進(jìn)行預(yù)測(cè)固體%含量，預(yù)測(cè)值和參照值比較。這種程序做了5次，得到5個(gè)預(yù)測(cè)的結(jié)果，并顯示在下表中。

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表1.丹桂香浸膏的固體%含量的參考值和預(yù)測(cè)值比較。

預(yù)測(cè)的結(jié)果極好，證實(shí)PLS 1回歸模型關(guān)聯(lián)固體%含量和使用Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀收集的光譜數(shù)據(jù)的有效性。一個(gè)校正模型在取出一個(gè)點(diǎn)用于驗(yàn)證后只包含34個(gè)點(diǎn)，可以預(yù)期使用較大的數(shù)據(jù)集可以獲取更好的結(jié)果。

V.結(jié)論和推薦

Bimrose AOTF-NIR光譜儀使用光譜數(shù)據(jù)和校正模型確實(shí)能夠預(yù)測(cè)丹桂香浸膏的固體%含量。這次實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常好，特別考慮小數(shù)據(jù)集用于校正模型。使用更大的數(shù)據(jù)集進(jìn)一步校正和測(cè)試將產(chǎn)生更精確的結(jié)果。這項(xiàng)研究的數(shù)據(jù)是以透射方式收集的。因?yàn)榈す鹣憬喔邼舛葧r(shí)的非常大的粘度，在線透射測(cè)量或許是難以實(shí)現(xiàn)。從處理樣品的實(shí)際考慮，最有效的方法是提供配有透射測(cè)量附件的Luminar 3030自由空間光譜儀。用于收集丹桂香浸膏光譜數(shù)據(jù)的理想儀器是配有轉(zhuǎn)換為透射測(cè)量方式的附件的Luminar 3030自由空間光譜儀。因此，推薦購(gòu)買Brimrose Luminar 3030自由空間光譜儀，允許進(jìn)一步校正和試驗(yàn)。