近红外光谱分析与大数据碰撞,可以检测出任意物体

   歌笙逝        

近红外光谱分析的应用在中国的发展较为缓慢,所以大部分人都应该不是很了解这项早在19世纪就被德国科学家威廉·赫歇尔发现的一种使用电磁光谱(从780 nm到2526 nm)的近红外区域的光谱。


近红外光谱分析与大数据碰撞,可以检测出任意物体


液体乙醇的近红外光谱图


首先给大家看一下我们生活中常见的液体乙醇的近红外光谱图,它的横轴代表的是光波的波数,而纵轴代表的是透射率(Transmittance)。这是红外光谱的其中一种表示方法,另外一种使用的是吸光度(Absorbance)作为图像的纵轴。


我们从初高中的化学课程的学习中,就了解到了物体是由分子构成的,而分子都会不同程度的吸收红外光,而当某一波长的光被分子吸收得越多,透射率也会随之降低,同时图像的”峰“也会增强。当物体的分子吸收了很多不同波长的光时,在最后测得的红外光谱就会出现不同的”峰“,我们一般将这种”峰“称为吸收峰。


而近红外光谱实际上是分子的振-转光谱,是由于分子在吸收了近红外光之后发生的振动能级跃迁与转动能级跃迁之后测得的光谱。


能级跃迁:是由于分子运动遵循量子力学规律,当分子在吸收光子之后,分子就有足够的能量向较高的能级进行跃迁,同样分子在释放光子之后也能从较高的能级跃迁到较低的能级。值得指出的是,分子的电子运动、振动和转动都是量子化的。(利用能级间的选律也能分辨红外光谱与拉曼光谱的区别,本文暂不做过多论述)


近红外光谱分析与大数据碰撞,可以检测出任意物体


能级跃迁示意图


而每个分子或分子团的红外光谱都是不尽相同的,所以通过检测红外光谱,就能达到不用任何化学试剂,不用接触被测物体,就能够实现精确检测被测物的各种分子性质,就像本文给出的乙醇的红外光谱图一样,简单的说,只要红外光谱图长得像这样的,被测物就一定是乙醇溶液。所以红外光谱的发展前景和市场是十分可观的。


近红外光谱检测仪的作用简述


说了这么多近红外光谱,我们来讲一讲人类用来观察近红外光谱的“眼睛”,近红外光谱检测仪,现在最常用的检测仪是基于傅里叶变换所研制的傅里叶变换红外(Fourier transform infrared,FTIR)光谱仪,本文也只介绍这一种光谱仪。


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市面上的一种傅里叶红外光谱仪


首先光谱仪中会使用红外光源(干涉仪)来发生连续波长的红外光,在连续波长的光源照射到被测样品后,样品中的分子会吸收某些波长的光(吸收方式如上小节所述)。而没有被分子吸收的光则会到达检测器,检测器会将检测到的光信号进行模数转换,在通过傅里叶变换后就可以得到被测物的单光束光谱,而实际上这个光谱还包括了空气与仪器中零部件的信息,需要扣除掉这些噪音光谱,才能最后得到被测物的红外光谱。


而仪器中的各种干涉仪与零部件也导致了这种仪器十分的笨重且难以移动,只能进行固定的分子检测


而为什么作者我会说近红外光谱分析是大数据时代冉冉升起的一颗新星呢?这种只会在实验室出现的笨重的检测仪器完全与大数据搭不上边呀!


近红外光谱分析与大数据分析的碰撞!


与全球近红外的发展相比,中国近红外光谱学科的发展处在急剧上升的阶段,相关的新技术、新应用基本上每年都会有新花样,不仅如此,中国的光谱学学者在近红外的前沿研究方面也取得了突出的成果。而现在近红外光谱分析也遇上了大数据与物联网的黄金时代!


近红外光谱分析与大数据碰撞,可以检测出任意物体


大数据时代的到来


随着光谱仪中所使用的检测器的物联网和大数据技术的应用和拓展,近红外光谱的个性化建模也可望成为现实。它必将大幅提高终端的分析能力,同时,又可以提高基于大数据的近红外光谱的数据的质量以及精确度。


而与物联网的结合,也使红外光谱分析能够与工业环境下的各种其他机器进行交互,比如:一条生产线,使用傅里叶变换红外光谱仪进行产品的质量检测(或是别方面的检测),当质量出现问题时,由于得到的信息更多更精确,甚至连生产线自动修复产品质量的功能都能够报以希望!实现真正的工业4.0现代化无人生产线!


利用大数据与深度学习的力量,我们可以设想一下,将全世界所有的分子的光谱图都储存到一个服务器中,然后通过类似人工神经网络、偏最小二乘、主成分分析的算法对检测结果进行精确检测及识别,从而从复杂的光谱图中一一分离出它所蕴涵的分子,从而不用接触的迅速得到它的所有信息。


近红外光谱分析与大数据碰撞,可以检测出任意物体


主成分分析(PCA)算法


因此,新的基于大数据的光谱建模及分析技术的发展将会成为中国近红外光谱学的下一个重要突破方向,或将促进近红外光谱技术在工业/农业/食品甚至是生物医学领域发挥其独特的作用。


毕竟,这可是一个可以不用接触物体就能把它全部的化学性质看光光的神奇玩意啊!


文章小结


中国的近红外光谱的发展虽然前面相比世界的近红外光谱发展是落后的,但作者相信,中国近红外光谱技术一定会迅速发展,形成中国特色的近红外光谱领域!其实第19届国际近红外光谱会议(NIR2019)于2019年9月15-20日在澳大利亚黄金海岸(Gold Coast)国际会议中心召开。来自36个国家的347位代表参加了此次会议,其中中国代表团有30余位代表,同时还有9位中国海外留学生及华人代表。


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中国近红外光谱代表团


这也证明了中国在国际近红外光谱的领域的影响力也越来越大,向中国的近红外光谱研究学者们致以感谢!希望中国的高新技术发展能够越来越往世界科技前沿迈进!


关于近红外光谱


红外光 近红外光谱仪(Near Infrared Spectrum Instrument,NIRS)是介于可见光(Vis)和中红外(MIR)之间的电磁辐射波,美国材料检测协会(ASTM)将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域,是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。

文章来源: 天均地鞭

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