温度干扰下的葡萄糖水溶液近红外光谱修正方法与比较

发布时间：2020-02-19 02:27

【摘要】：水的近红外吸收光谱受温度影响较大,采用近红外光谱法对水溶液样本进行成分测量时,温度的影响不能忽视。特别对于葡萄糖这种弱吸收成分,温度的微小变化会对其测量精度造成较大影响。实验发现葡萄糖水溶液在30℃附近时,温度每变化1摄氏度,在1 160nm处溶液的吸光度变异系数约0.344 7%,这个变化约相当于500~600mg·dL~(-1)葡萄糖浓度引起的溶液吸光度变化量。将近年来发展的几种化学计量学方法用于温度扰动下葡萄糖水溶液的光谱修正,以提高葡萄糖测量精度,具体包括广义最小二乘加权法(GLSW)和外部参数正交化方法(EPO)。对不同温度的葡萄糖水溶液样品在900~1 350nm的光谱进行采集,测试了两种方法对温度变化后光谱的修正效果,考察了修正后光谱的葡萄糖预测误差,并与传统的考虑温度变量的多变量回归方法—偏最小二乘(PLS)回归法进行了比较。结果表明,GLSW和EPO方法对不同温度下的溶液光谱有好的校正效果,不同温度下溶液光谱的变异系数得到显著改善,同时两种方法在模型复杂性、温度修正效果等方面都优于传统方法。研究可推广到其他水份含量较大的样品测试场合,也对人体组织中的葡萄糖测量有借鉴价值。
【图文】：

由图３可以看出，在室温，１１６０ｎｍ附近４ｇ·Ｌ－１的葡萄糖浓度改变引起的吸光度变化值最大约０．０１３～０．０１５，，这个变化量相当于此处纯水吸光度的３．５％左右。因此可以估图１不同温度下纯水的吸光度（Ａｗ）Ｆｉｇ．１Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅｏｆｐｕｒｅｗａｔｅｒａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（Ａｗ）图２不同温度下４ｇ·Ｌ－１的葡萄糖水溶液的吸光度（Ａｓ）Ｆｉｇ．２Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅｏｆ４ｇ·Ｌ－１ｇｌｕｃｏｓｅａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（Ａｓ）算出，溶液的１摄氏度温度变化引起的吸光度变化量约相当于５００～６００ｍｇ·ｄＬ－１葡萄糖浓度引起的吸光度，且该变化量受溶液中葡萄糖浓度大小的影响不大，而主要来源于溶液中水光谱的变化。对于葡萄糖浓度范围较低的测试场合，如人体血糖测量，温度变化１度引起这样的测量误差是不能容忍的，必须消除。图３不同温度下４ｇ·Ｌ－１葡萄糖浓度变化引起的吸光度光谱（ΔＡｃｇ）Ｆｉｇ．３Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅｓｐｅｃｔｒａｄｕｅｔｏｃｈａｎｇｅｓｉｎｇｌｕｃｏｓｅｃｏｎｃｅｎｔｒａ－ｔｉｏｎａｔ４ｇ·Ｌ－１ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（ΔＡｃｇ）２．２ＧＬＳＷ对光谱的修正结果利用式（６）—式（１０），对表１中的葡萄糖水溶液样品的吸光度数据进行处理，得到温度滤波矩阵Ｐ，代入式（５）后对光谱进行修正。校正集和验证集的光谱均需要经过滤波模型的前处理。ＧＬＳＷ算法需要调节权重

由图３可以看出，在室温，１１６０ｎｍ附近４ｇ·Ｌ－１的葡萄糖浓度改变引起的吸光度变化值最大约０．０１３～０．０１５，这个变化量相当于此处纯水吸光度的３．５％左右。因此可以估图１不同温度下纯水的吸光度（Ａｗ）Ｆｉｇ．１Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅｏｆｐｕｒｅｗａｔｅｒａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（Ａｗ）图２不同温度下４ｇ·Ｌ－１的葡萄糖水溶液的吸光度（Ａｓ）Ｆｉｇ．２Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅｏｆ４ｇ·Ｌ－１ｇｌｕｃｏｓｅａｑｕｅｏｕｓｓｏｌｕｔｉｏｎａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（Ａｓ）算出，溶液的１摄氏度温度变化引起的吸光度变化量约相当于５００～６００ｍｇ·ｄＬ－１葡萄糖浓度引起的吸光度，且该变化量受溶液中葡萄糖浓度大小的影响不大，而主要来源于溶液中水光谱的变化。对于葡萄糖浓度范围较低的测试场合，如人体血糖测量，温度变化１度引起这样的测量误差是不能容忍的，必须消除。图３不同温度下４ｇ·Ｌ－１葡萄糖浓度变化引起的吸光度光谱（ΔＡｃｇ）Ｆｉｇ．３Ａｂｓｏｒｂａｎｃｅｓｐｅｃｔｒａｄｕｅｔｏｃｈａｎｇｅｓｉｎｇｌｕｃｏｓｅｃｏｎｃｅｎｔｒａ－ｔｉｏｎａｔ４ｇ·Ｌ－１ａｔｄｉｆｆｅｒｅｎｔｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓ（ΔＡｃｇ）２．２ＧＬＳＷ对光谱的修正结果利用式（６）—式（１０），对表１中的葡萄糖水溶液样品的吸光度数据进行处理，得到温度滤波矩阵Ｐ，代入式（５）后对光谱进行修正。校正集和验证集的光谱均需要经过滤波模型的前处理。ＧＬＳＷ算法需要调节权重


本文编号：2580887