_陈瑶_近红外光谱无创检测血糖浓度的初步研究

河北工业大学

毕业设计说明书

作者：陈瑶学号： 080888 学院：电气工程学院

系(专业)：生物医学工程

题目：近红外光谱无创检测血糖浓度的初步研究

指导者：陈韵讲师

评阅者：

(姓名) (专业技术职务)

2012年5月25日

目次

1绪论 (1)

1.1 无创检测人体血糖浓度的研究背景和意义 (1)

1.2 血糖检测方法的发展现状 (2)

1.3 近红外光谱法无创测量人体血糖浓度的特点 (6)

1.4 本论文主要研究内容和结构安排 (7)

2近红外光谱检测技术的原理 (8)

2.1 朗伯-比尔定律 (9)

2.2 近红外光谱数据预处理方法 (10)

2.3 近红外光谱分析方法 (12)

3 近红外光谱血糖检测的初步实验研究 (17)

3.1 光谱分析波段的选择 (17)

3.2 多元散射校正(MSC)对光谱数据的预处理 (18)

3.3 葡萄糖浓度预测结果及其分析 (21)

结论 (25)

参考文献 (27)

致谢 (29)

1 绪论

1．1 无创检测人体血糖浓度的研究背景和意义

糖尿病是一种常见的内分泌疾病。它是由于遗传因素、免疫功能失调、精神因素和微生物感染等其它致病因子作用于患者机体，导致患者体内胰岛素含量绝对或者相对不足，进而引起体内糖、水、脂肪、蛋白质和电解质等多种物质产生代谢紊乱。在临床上糖尿病以高血糖为主要特征，大多数糖尿病人会表现出“三多一少”的症状，即多食、多饮、多尿、消瘦等。如果糖尿病病情一旦控制不好，会使人体免疫力下降，容易患上感冒、肺炎及肺结核等各种感染性疾病，并且有选择性地侵害、吞噬人体细胞，减弱体内抗癌细胞的防御机能，至使癌细胞活跃、聚集。同时糖尿病也会引发一系列并发症，主要表现为患者全身微循环出现障碍，包括心脑血管疾病、微血管病变、视网膜病变、神经病变及慢性肾衰竭等，且都无法治愈。如果糖尿病患者的病情得到了很好的控制，就能够有效的降低罹患上述并发症的危险。

目前,糖尿病患者的数量逐年递增，据世界卫生组织2011年的报告统计，全球糖尿病患者已超过3.66亿，估计仅2004一年就有340万人死于高血糖引起的疾病，而在低收入和中等收入的国家中，糖尿病患者的死亡率超过80%。中国的糖尿病发病率高达9.7 %，患者数量已超过五千万，居世界第二。从以上调查数据中可以看出,中国的糖尿病现状已十分严峻。由于大多数糖尿病患者的血糖浓度未达到理想的控制目标，容易引起相应的并发症，使糖尿病相关的医疗费用支出庞大。仅2008年全球的血糖检测市场就高达68亿美元，可见糖尿病目前已成为一个严重的公共卫生问题[1]。

鉴于糖尿病患者在临床表现中无明显症状，如果不对其进行血糖测量将很难分辨并确诊为糖尿病患者，等到患者出现相应症状时也已经引起了各种糖尿病并发症。因此在对糖尿病的诊断、控制和治疗中，患者血糖水平的高低起着十分重要的作用。医学界普遍认同通过对病人血糖值的控制，将其维持在一个安全的水平范围内，可以防止患者糖尿病病情的恶化，减少相应的并发症。世界卫生组织(World Health Organization)也推荐对患有糖尿病的患者，采取血糖浓度的自我监测，随时的、连续

的掌握体内血糖变化情况，实现精确管理血糖浓度值，调整现行用药方案，这样才能较好的控制血糖浓度，对糖尿病的治疗及并发症的预防具有重要意义。

目前，对糖尿病患者血糖浓度的监测一般是采取有创或微创法进行检测。这两种方法都需要采集患者血样，不仅容易对患者造成各种体液传染性疾病的传播，给患者带来痛苦和不便，而且较高的检测费用也限制了血糖检测的频率。由于无法随时、连续的掌握患者体内血糖浓度的变化情况，医生难以对患者实现理想的治疗和管理。因此，研究一种无创伤血糖浓度检测的方法，具有十分重要的社会和经济意义：

（1）无痛、无感染，减少患者采血时的痛苦和不便；

（2）可以提高患者检测血糖的频率，从而精确控制血糖浓度值；

（3）可以取代有创检测技术，不仅减少对材料的耗费，降低患者测量血糖的费用，而且能降低对环境的污染；

（4）有助于对糖尿病患者的治疗及并发症的预防，加强患者的日常健康管理，提高生活质量；

（5）它由多学科交叉发展，结果将带动光谱技术、化学计量学分析技术、数据处理技术的发展，其各种研究成果也可推广运用于人体内其他化学成分的无创检测。1．2 血糖检测方法的发展现状

现行血糖浓度测量仪器分很多种，按照检测时患者受创伤的程度可以分为有创伤的检测仪，微创伤的检测仪和无创伤的检测仪[2]。

其中，有创检测方式是血糖浓度检测的传统方法。该方法是从被测者体内抽取血液，然后应用一次性试药通过生化的方法来实现。有创检测虽然测量结果非常精准，但是它采血量多，通常需要3000~5000微升；化验时间慢，一般第二天才能得到结果；程序操作复杂，只有受过专业培训的人才能进行操作；机器价格昂贵，测试费用高。这些缺点使得有创检测不仅容易造成各种体液传染性疾病的传播，给病人带来痛苦和不便，而且也限制了检测血糖的频率，无法满足对患者血糖浓度的实时、长期、连续性监测。

采用微创检测方式如图1.1所示，是先用装有采血针的采血笔对病人手指进行采血，将血液滴于血糖试纸上，然后将试纸插入血糖检测仪，血糖仪会在几秒至几分钟的时间内显示出患者的血糖值。与有创检测方法相比，微创检测方法可以实现微量的、快速的采血过程。目前，已取得各国政府管理机构认证的商品化的血糖监测仪绝大多

数都是微创伤的检测方式。其中，强生、罗氏、拜耳、雅培利舒坦等医疗器械企业生产的血糖仪销量较好。2007年，仅拜耳一家企业在大中华地区的血糖仪销售额就为18亿欧元。尽管微创检测方法具有稳定可靠、采血量少、经济方便等优点，尤其对那些需要连续多次血糖监测的病人，可减轻多次采集静脉血造成的痛苦，能够比较准确的测得血糖值，但是采血造成的微痛感和创伤点仍然不利于患者进行频繁的自我监测，难以对患者实现理想的治疗和管理。

图1.1 微创血糖检测仪

由此可见，实现人体血糖的无创伤快速检测具有非常重要的意义。无创检测血糖的方式如图1.2所示，该方法不需要对患者进行采血，只需将具有一定波长的光照射在患者手掌或其他身体部位的表面，再根据返回光束的细微变化进行相应计算，来得出患者的即时血糖值、血氧量、脂肪比等信息。相对于有创和微创检测技术，无创检测不仅具有无痛、无感染，测量快速、测量简单等优点，还可以降低血糖测试费用、改善现行用药方法、精确监控血糖[3-4]，也为闭环式胰岛素泵人工胰腺提供重要保证，是血糖检测技术发展的方向[5]。然而到目前为止，还没有出现与有创检测方法精度相当的无创检测方法的报道及专利[6]。

图1.2无创血糖仪系统示意图

由于无创血糖浓度测量的重要科研价值和广泛的社会意义以及潜在的经济效益，近几十年来一直是国际学术界的热点研究之一。多家科研机构及公司，针对无创血糖浓度检测技术进行了持续而深入的研究，并不断取得阶段性成果。上世纪70年代，美国的Jobsis[7]和德国的Kaiser[8]开始尝试用光学方法对人体成分进行测量。这个时期对无创血糖浓度检测技术的研究主要聚集在尝试各种检测方法及申请专利上，如光的折射及偏振、眼底吸收等等，其中眼底吸收测量由于实现难度较大，研究人员较少，实验设施有限等原因，研究进展的报道很少。而最有希望的方法是由D?hne于1987年首次提出的运用近红外分光原理进行人体血糖无创伤检测的方法，并申请了专利。随着化学计量方法和计算机技术的飞速发展，无创血糖研究在1990~1998年迎来了高峰期，主要以近红外散射和透射检测为主。而近十年来无创血糖检测的研究主要以近红外漫反射为主，并不断产生了一些新的方法，如OCT技术等。无创检测血糖浓度的发展动态大致可以分为如下三个阶段：

第一阶段主要在1984~1995年，为较封闭的独立研究阶段。由于血糖无创检测的巨大市场前景和潜在经济效益，出现了多家热衷于仪器开发和专利申请的高科技公司。如Futrex公司在1992年的Oak-Ridge会议上，首次展出了第一台利用光吸收原理制成的血糖无创测量产品样机。Biocontrol公司的样机Diasensor 1000型无创血糖仪在1996年获得了CE认证（欧洲市场安全认证标志）[9]。但由于开发的仪器对被测对象复杂、测量环境不稳定等所带来的基本问题重视不足、研究不够，不能满足临床精度的要求，使得仪器均未通过美国食品及药物管理局(FDA)的认证，很多课题组基本上已停止了对本项目的研发。

第二阶段主要在1996~2005年，为合作研究阶段。九十年代中后期，发达国家逐渐认识到血糖无创检测课题的难度，开始以国家项目基金的形式支持相关科研研究。如2000年日本在经济产业省的支持下，成立了包含松下电工、东京工业大学、北海道大学等多家研究单位构成的项目组，投资六亿四千万日圆[10]。德国多特蒙德光谱化学研究所，在Heise教授的领导下，运用中红外光谱的原理，进行反射式测量，从人体口腔粘膜处获取血糖信息[11]。桑迪亚国立实验室与新墨西哥医科大学Haland研究组，采用透射式方法进行近红外光谱无创检测血糖浓度的研究。美国Iowa大学由M. A. Arnold领导的无创血糖研究组和Ohio大学Small研究组从1992年开始得到NIDDK（美国糖尿病、消化和肾脏疾病国家研究所）和NIH（美国国家卫生研究所）的连续资助，旨在研发一种基于近红外光谱原理的连续血糖浓度测量系统，来对糖尿病患者进行治疗和管理。在2007年，该研究组又获得96.7万美元的联邦基金资助，该小组已经在血糖无创检测领域坚持研究达30年之久[12-13]，具有雄厚的研究基础和经验。但由于没有攻克近红外血糖无创检测技术面临的一些关键难题，研究基本上在可预见的时间内难以实现突破，目前还不能达到可以临床应用的目标。随着研究的不断深入，人们也逐渐淘汰了一些光学方法，如穿透能力浅的中红外法、测量能量不易被接受的拉曼法、信号异常微弱的光声法等，并将血糖无创检测的希望重点寄托在能深入传播到组织内部的近红外反射光谱方法上。

第三阶段主要在2006~至今，为方法创新阶段。比如以色列的OrSense公司生产的仪器，是对被测对象施以外界压力以阻断血流，在动态过程中实现精确测量，该仪器已于2007年得到欧洲的CE认证。新加坡的Health stat公司，运用新型长波激光器，尝试对指尖进行透射的测量。在NIH的资助下，美国的InLight Solution公司，研究出能够从皮肤上识别出与血糖浓度变化密切相关的特定解剖区域。澳大利亚的AiMedics公司[14]、韩国的Samsung公司[15]等也已经在这方面进行了大量的基础性研究。

我国在这方面的研究虽然起步较晚，主要以大学的科研为主，资金来源于国家或省部级基金资助，但目前也已经有数个研究小组运用近红外光谱对人体内无创血糖检测技术进行了深入的展开。如中国医科大学的沙宪政、清华大学的丁海曙在近红外无创血糖浓度检测技术方面进行了大量基础性研究。西安交通大学的王炜设计出近红外多波长传感器阵列，可以在全血中进行血糖检测。北京大学的吴瑾光研究小组运用中红外检测方法对人体血糖的无创测量进行了研究。华中科技大学的骆清铭设计出近红

外三波长的血糖浓度检测系统。中科院长春光机所的张洪艳运用近红外光谱系统对手腕进行了血糖检测。天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室的徐可欣，把在国外八年的无创血糖测量研究经验带回国。该团队在多项国家自然科学基金和科技攻关等项目的资助下，利用近红外光谱技术在血糖无创检测方面进行了大量的、系统的研究。从2000年至今，已研制出四套无创伤血糖浓度测量系统和具有自主知识产权的样机，通过多例临床研究取得的经验，在AOTF分光系统设计、背景影响的消除、测量条件的把握等多个方面获得了诸多研究结果，并申请了国家发明专利及国际专利[16-18]。

目前，针对血糖无创检测的研究主要有两个趋势：一个是以微创伤的血糖检测逐渐替代有创伤的方法。随着微机电系统(MEMS)技术的不断发展，传感器有可能做得更为精小，但它仍需要消耗材料，对患者成一定程度的创伤。目前，已经有仪器通过了美国FDA的许可认证，但仍有很多限制。如美国Cygnus公司研发的微创血糖仪只针对年龄在18岁以上的成年人，并且血糖仪在使用者出汗、低血糖或手臂过于劳累时无法正常工作。因此，用微创检测方法代替有创检测只能作为一个过渡方案，是无创血糖检测技术成功之前的一个有益补充。而另一个趋势就是坚持无创伤血糖测量方法的研究，它需要在测量方法上进行创新。也正是因为无创血糖测量包含十分重要的科学意义、社会价值和经济利益，各国政府从未放弃对该项技术的支持，在不断积累测量经验的基础上研究人员正在对新的测量原理和方法进行研究。

1．3 近红外光谱法无创测量人体血糖浓度的特点

近红外光谱技术之所以能够在短短的十多年内有着如此迅速的发展，主要是因为它对有机化合物的分析测定方面有着以下独特的优越性。

（1）近红外谱区内光散射效应大，穿透深度强。因此可以用漫反射技术对样品进行直接测定。

（2）近红外区域的倍频及合频吸收系数很小，因此无需用溶剂稀释样品就可以直接测定，使分析过程简化，分析成本降低，便于实现生产过程的实时测定。

（3）可以得到精度很高的定量结果，也可以对样品进行定性分析。

（4）不破坏样品，不污染环境。近红外光谱分析只需取得样品的光谱信号，不会破坏或消耗样品本身。因此在对活体生物组织的测量中，利用近红外光谱技术可以实现真正意义上的无创伤测量。

（5）测定速度快，分析效率高。一般一个样品取得近红外光谱数据后，通过建立好的校正模型可快速对样品的化学成分作出定量或定性的分析，整个过程可以在1~2分钟内完成。

正是由于近红外光谱的这些优点，使得它在无创血糖检测技术中具有无创无痛、检测速度快、分析效率高、分析成本低、测试重现性好等特点，被认为是最有应用前景、能较好实现的无创血糖检测技术之一，已成为当前国内外研究的热点课题，也是目前各种无创光谱检测中投入研究最多的技术之一[19-20]。

目前，虽然采用近红外光谱法进行血糖无创测量是血糖浓度检测技术最好的发展方向，但就当前研究现状而言仍存在一定的技术难点，这其中包括如何提高检测器件的灵敏度、消除各种噪声造成的干扰、减小被测个体差异和测量条件的影响措施、从各种相互重叠的光谱中获取微弱的血糖浓度信息(包括多波长测量和数据分析方法)等。只有解决这些问题，近红外光谱无创血糖检测技术的研究才能取得突破性的进展,实现真正的临床应用。

1．4 本论文主要研究内容和结构安排

本论文的具体内容及结构安排如下：

1.第一章为绪论

介绍了无创血糖检测的一些相关基础知识，包括糖尿病基本常识及其现状、血糖基础知识；阐明了无创检测人体血糖浓度研究的背景和现实意义；综述了现行血糖浓度检测方法，包括有创、微创、无创三种方法；重点表述了运用近红外光谱法进行血糖浓度无创检测的研究现状和特点；概括了本论文的主要研究内容及结构安排。

2.第二章为近红外光谱检测技术的原理

介绍了近红外光谱的产生及光谱特点，本课题的研究思路；介绍了近红外光谱测定物质浓度的理论依据：朗伯-比耳吸收定律；综述了多种近红外光谱数据预处理方法，本课题将采用多元散射(MSC)方法对光谱数据进行预处理；阐明了近红外光谱分析中用到的化学计量学方法，重点介绍了本课题用到的偏最小二乘(PLS)法及建模评价方法和评价参数；概括了近红外光谱无创血糖检测的步骤。

3.第三章为近红外光谱血糖检测的初步实验研究

通过对比纯水及葡萄糖在1300~2500nm谱区的吸收带，明确各自吸收峰的位置，分析水的吸收对建模精度的影响。选取不同的光谱波段进行建模，比较各模型预测能

力，对近红外光谱波段进行合理选择；分别对校正集中样品进行异常值剔除和多元散射(MSC)预处理，然后进行建模，并比较RMSEP和Corr值的变化，分析讨论两种方法优劣；对验证集中样品葡萄糖浓度的预测结果进行分析讨论。

2 近红外光谱检测技术的原理

近红外(Near-infrared，NIR)谱区是指介于可见光区(VIS)和中红外区(MIR)之间的电磁波，是人们最早发现的非可见光区域。根据美国试验和材料协会(ASTM)规定，近红外光谱的波长范围为700nm至2500nm(波数即12800cm-1~4000cm-1)，其中近红外短波为780~1100nm，近红外长波为1100~2500nm。近红外光谱主要是由含有C-H、N-H、O-H等键基团的化合物在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频和差频吸收带相叠加而形成的。该光谱吸收频率特征性强、频带宽和吸收较弱、受分子内外环境的影响小。由于不同或同一基团，处在不同的化学环境中，对近红外光的吸收波长与强度会有明显差别。因此近红外光谱中含有丰富的结构和组成信息，可反映分子中所含氢的振动信息，其信息量远大于其它谱区[21]，已经成功应用于石油、化工、医药、烟草等行业的分析中[22-23]。

众多相关研究结果表明，由于葡萄糖的分子结构中包含有多个均能够在近红外光谱区产生吸收的主要含氢官能团，如C-H、N-H、O-H基团，这些含氢基团在近红外谱区的样品光谱特性稳定。并且体液和软组织在近红外区域相对透明，因此光对其穿透力强，而该波段的光对葡萄糖的穿透能力较弱，所以采用近红外光谱无创测量血糖浓度在原理上是可行的，并且多种模拟样品的实验结果都证明了该方法的有效性。但是，近红外光谱无创测量人体血糖要达到稳定可靠的临床运用仍需对某些关键的基础问题进行深入的研究。

在近红外光谱无创血糖浓度检测技术中,对血糖进行定量分析的关键是建立光谱数据和血糖浓度之间的精确对应关系。本课题将基于现代化学计量学理论，对光谱仪采集到的样品的近红外光谱和成分浓度进行关联建模。其中近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型缺一不可，只有将三者进行有机的结合，才能够满足快速分析的技术要求。选取一组具有代表性的、已知葡萄糖浓度的样品作为校准集，测量其近红外

光谱，建立近红外光谱与葡萄糖浓度之间定量的数学校正模型，并利用该校正模型对预测集样品的近红外光谱进行计算，从而得到该样品的葡萄糖浓度，从而为实现近红外光谱对葡萄糖浓度的无创检测进行前期的实验研究。在该方法中，正确建立校正模型是准确分析未知浓度的预测集样品的前提，对样品采集波段的选择直接影响校正模型建立的效果，对光谱数据进行相应的预处理和所采用的化学计量学方法是提高信噪比，获得好的分析结果的关键。

2．1 朗伯-比尔定律

近红外光谱技术是根据样品对某一谱区光的吸收强度与吸光粒子（低能态的分子或原子）之间的关系，并结合样品中的吸光粒子数与样品粒子总数的关系来定量的。测定样品物质浓度的理论依据是朗伯-比耳(Lambert-Beer)吸收定律[24]:

(2.1)

式(2.1)中A为被测样品对特定波长光的吸光度，I0与I分别为入射光强度和出射光强度，a i为第i种吸收物在对相应波长光处的吸光系数(波长的函数)，n为溶液中物质的成分数，为波长，C i为相应吸收物的浓度，L为光在相应吸收物中的光程长。

根据朗伯-比耳吸收定律可知，样品的吸光度与样品的成分浓度之间具有较好的线性相关性，所以样品成分浓度的变化会引起相应的光谱特征吸收的变化。

近红外光谱数据分析的过程如图2.1所示。图中对校正集的样品光谱A0和成分浓度C0进行关联，通过化学计量学的方法建立校正模型。所建模型的可靠程度用预测值和化学测定值的相关系数和相对标准偏差来衡量，然后用稳定可靠的校正模型和预测集样品（未知浓度的样品）的光谱信息A1即可预测得到预测集样品的成分浓度C1[25]。所以，对近红外光谱的数据分析通常由以下三部分组成：校正集样品(建模样品)的光谱波段选择及光谱数据的预处理、校正模型的建立、预测集样品浓度的预测。实际运用中，对近红外光谱的数据分析都是通过化学计量学软件实现的。

图2.1近红外光谱数据分析过程

2．2 近红外光谱数据预处理方法

由于近红外光谱的特征峰差别不明显，检测到的光谱信号除了包含样品的待测成分信息外，还包括各种仪器噪声，如基线漂移、杂散光、高频随机噪声、样品背景等，使得近红外光谱数据分析大致有一半的误差来自于建模数据。因此在运用关联算法建立校正模型前，还需要通过对光谱数据进行合理的预处理。将有用的分析信号与仪器噪声分离，改善分析信号的质量，恢复被扭曲的分析信号，滤除噪声，消除随机误差等各种干扰因素对光谱信号提取的影响，进而提高性噪比，优化建模数据。常用的近红外光谱数据预处理方式包括：光谱平滑(smoothing)、光谱求导(derivation)、光谱归一化、多元散射校正(MSC)、傅里叶变换(FT)和小波变换滤波(WT)[26]等。

光谱数据的平滑：平滑是一种常用的信号或数据预处理方法。它的基本思想是在平滑点的前后各取若干点来进行“拟合”或“平均”，以此求得平滑点的最佳估计值，然后连接成平滑的曲线，消除随机噪声。对光谱数据进行平滑处理可以消去数据中由随机误差引起的较小的偏离，保留能反映被测对象特征的较大偏离部分，消除仪器或者其他变量所引起的噪声。光谱平滑的本质是对光谱曲线进行低通滤波，平滑高频噪声，提高光谱信噪比。但对光谱数据进行平滑处理不会加入额外的有用信息，并且在某些时候，平滑还会引起某些信号失真。常用的信号平滑方法有Savitsky-Golay法、移动窗口平均法、厢车平均法。

光谱求导：导数法可以减弱背景干扰或者消除基线漂移的影响，分辨重叠谱峰，提供比原光谱更高的灵敏度和分辨率。光谱求导可分为一阶导数、二阶导数、高阶导

数等。由于随机噪声一般都是高频信号，光谱求导后噪声可能进一步被放大，使光谱信噪比降低。因此在对光谱进行求导前，要求原光谱有很高的信噪比或者应先对光谱进行平滑处理。

光谱归一化：设定所有的数据向量长度相同，且每个数据向量中各元素的平方和相似，令向量为单位面积或者单位长度。对光谱数据进行归一化可以很好地消除一组测量中的随机误差，提高建模精度。

多元散射校正(Multiplicative Scatter Correction，MSC)：是现阶段对多波长光谱数据建模常用的一种处理方法，由Martens[27]等人首先提出。由于样品的散射程度与所选的测量光谱的波长，样品的颗粒度和折射率等物理性质有关，因此对整个光谱而言，在不同的波长点处散射强度的不同，对光谱的影响也不相同。采用多元散射校正的方法对光谱数据进行预处理，能尽可能消除散射效应对光谱的影响，增强与样品成分含量相关的光谱吸收信息。

该方法首先要建立一个待测样品的光谱，该光谱的变化与样品中成分的含量满足直接的线性关系，然后以该光谱为标准，对其它所有样品的近红外光谱进行修正。算法如下：

①计算所有样品光谱的平均光谱：

(2.2)

②将每个样品的光谱与平均光谱进行线性回归，求得回归系数m i、b i：

(2.3)

③多元散射校正：

(2.4)

式(2.2)、(2.3)、(2.4)中为平均光谱，A i为第i个样品的光谱，i=1,2,...,n，，n为样品数目，m i和b i分别表示各样品的近红外光谱A i与平均光谱进行一元线性回归后得到的斜率和截距。

傅里叶变换(FT)：FT变换法可以实现光谱多通道测量的变换，从变换角度来看，傅里叶变换是基于三角函数。其变换的本质是把原光谱分解成为许多不同频率的正弦波的叠加和，实现时域函数与频域函数之间的转换，其中时域函数能给出重叠波谱振

幅的信息，频域函数能给出各个波频率方面的信息。然后通过压缩光谱数据使信息的提取更为方便有效，同时进行滤波处理，去掉干扰信号和噪声，提高性噪比。目前，傅里叶变换作为一种强有力的分析数据处理方法，在分析仪器和方法中得到了广泛的运用。

小波变换滤波(WT)：WT是近年来在国际上掀起热潮的一个前沿领域。小波变换的思想与傅里叶变换相似，只是小波变换中“窗口”的大小可以随着频率而变化。与傅里叶变换相比，小波变换的基函数为分析小波，具有时-频局部化特性，可以按照不同的分辨率将原光谱分解成一系列不同频率的块信号。

本课题将采用多元散射校正(MSC)的方法对葡萄糖水溶液的近红外光谱数据进行预处理。

2．3 近红外光谱分析方法

由于近红外光谱峰较宽，光谱信息中除了血糖以外还包含其他物质的吸收光谱，这使得近红外光谱各组分的谱带严重重叠。如果用单波长光谱数据建立校正曲线将难以提取出足够多的有用信息，所建模型必将产生较大的误差，因此必须利用多波长甚至全谱的光谱数据建立校正模型[25]。本课题将基于化学计量学中多元统计的方法从光谱数据中提取相关信息，对近红外光谱无创测量血糖浓度进行研究。

化学计量学(Chemometrics)的发展，经历了日趋成熟的过程。作为一门新兴的多交叉学科，化学计量学在实验设计、数据处理、信号解析、化学分类决策及预报等方面具有很大的优势，能够解决传统研究方法难以解决的复杂问题。它能综合应用数学、统计学、计算机科学等手段和方法，设计和选择出最优测量程序和实验方法，对化学测量数据中提取到的信息进行各种处理和分析，以最大限程度地获得有关物质的成分、结构和其他相关信息。化学计量学处理问题的一般步骤如图 2.2所示，问题提出后，制定采样计划同时设计实验内容及步骤，选择其中最优的实验方案进行问题的分析和处理；对实验数据进行处理，提取其中信息，通过不断的模拟进行最大程度的分析、优化信息；对信息进行合理解释，得出结论。

图2.2 化学计量学问题的一般步骤

化学计量学研究的内容包括：统计学和统计方法；采样理论；实验设计、选择与优化实验条件；信号处理（包括校正理论）和数据分析；人工智能和专家系统；人工神经元网络与自适应化学模式识别等。

其中化学计量学中的多元统计分析（即多元校正，多变量分析）是现代统计学应用中十分活跃的一个分支。它是通过对多个随机变量观测数据进行分析，运用数理统计的方法，来研究多个随机变量之间的相互依赖关系以及内在统计规律性的一门统计学科。在处理实际问题中，很多随机现象涉及到的变量不只是一个，而经常是多个，并且这些变量之间又存在一定的联系。多元统计分析就是讨论多元随机变量的理论及统计方法的总称，其内容既含括对一元统计学中某些方法的直接推广，也包含多元随机变量特有的一些问题，因此多元统计分析是一类包含范围很广的理论和方法。

运用多元统计分析可以解决如下问题：简化分析对象的测量数据结构，用简单的方法形象地表示所研究的复杂对象。降低复杂体系测量数据的维数，将相互依赖的变量转换成独立的变量。按测量性质把涉及到分析对象进行分类或对各种变量进行分组并分析变量之间的相互关系。另外，多元统计分析也包含提高性噪比、提高测量精密度、改善分析选择性、拓宽应用范围等内容。

常用的多元统计方法主要有：多元数据图表示法、主成分分析、聚类分析、判别分析、因子分析、对应分析、回归分析、路径分析、典型相关分析、偏最小二乘回归分析等[28]。

基于偏最小二乘法能够用较简单的数学模型找出和描述复杂的数据矩阵之间重要及有效的内在联系，且计算方法简单，不会出现其它方法在计算中的收敛发散问题。所以本课题将采用多元统计分析中的偏最小二乘回归法(PLS)，从近红外光谱数据中提取分析样品的浓度信息，建立稳定可靠的校正模型，实现对预测集样品的近红外光谱分析。

偏最小二乘法(Partial Least Square，PLS)是一种稳健的化学计量学方法。由于PLS 是对变量系统中的信息进行筛选，能有效地区分系统的信息和噪声，防止过度拟合，提高系统模型的准确性[29]。因此PLS特别适合于解释变量数目多且存在着多重共线性，样本观测数目少且干扰噪声大的情况，目前在近红外光谱分析领域中使用较多、效果较好。PLS将因子分析和回归分析相结合，通过因子分析将光谱（多维空间数据，维数相当于波长数目）压缩为较低维的空间数据，其方法是将光谱数据向协方差最大方向进行投影。将原光谱分解为多种主成分光谱，不同近红外光谱的主成分分别对应不同因素和组分对光谱的贡献，通过对主成分的合理选取，即对变量系统中的信息进行新的综合筛选，去掉代表干扰因素和干扰组分主成分，仅选取有用的主成分进行回归建模[30]，进一步提高了方法的可靠性。

具体来说，在使用PLS回归法进行建模分析时，其原理[25]可分为以下两步，第一步为矩阵分解，其模型为：

X n×p=T n×f P f×p+E X (2.5)

Y n×m=U n×f Q f×m+E Y (2.6)式(2.5)、(2.6)中X n×p为光谱矩阵，Y n×m为浓度矩阵，T n×f和U n×f分别为X n×p和Y n×m的得分矩阵，P f×p和Q f×m分别为X n×p和Y n×m的载荷（即主成分）矩阵，E X和E Y分别代表用PLS模型拟合X n×p和Y n×m时引进的残差矩阵。n为样品数目，m为组分数，p为波长数目，f为最佳主成分数目。

PLS的第二步，将矩阵T和U做线性回归：

U n×f=T n×f B f×f (2.7)式(2.7)中，B f×f为回归系数矩阵。

在预测时，通过未知样品的光谱矩阵A和校正后得到的矩阵P校正求出样品光

谱的T

未知

，然后得到：

C

未知=T

未知

B Q (2.8)

偏最小二乘法的具体算法由两部分组成，即校正部分和待测样品组分的确定，计算方法如下：

（1）校正部分

①将浓度矩阵Y和光谱矩阵X标准化，即中心化和方差归一化；

②令维数k=0，开始迭代交叉回归计算；

③令k=k+1，将Y中的某些列作为矩阵U的初始向量；

④求X的权向量W k：W k＇=U＇X，将W k标准化‖W k‖=1；

⑤计算t：t=X W k＇，计算Y的载荷向量q：q= U＇Y，确定Y的新特征向量U=Y q q；

⑥若‖t－t old‖>10-6‖U‖，转④；否则执行以下步骤；

⑦计算关联矩阵X和矩阵Y的特征向量t和u的系数B k（第k个元素）：B k=t＇U/‖t‖；

⑧计算X的载荷向量P：P= t＇X；

⑨计算X和Y中各自形成的残差，并将其作为下一维新的X和Y：

X=X－tp，Y=Y－B k tq

⑩由完全交互验证法确定k是否为最佳维数d，若达到最佳维数，迭代停止，否则转向③。

（2）待测样品中组分的确定

由校正模型和待测样品的吸光度向量x确定样品的各组分浓度c。

①将待测样品的吸光度向量x按校正过程中进行标准化处理；

②令k=0，c=0；

③k=k+1，t=x·W k＇，c=c+B k tq，x=x－tp；

④若k

由于是以标准化的形式给出测得的浓度值，故需要进行逆运算求得待测样品的浓度值。

由以上叙述可知，PLS法在构造校正模型时更充分地利用了光谱矩阵X和浓度矩阵Y中包含的信息，是比较完善的基于因子分析和回归分析原理的校正方法，使用这种方法可以降低噪声对校正模型的影响。

为了评价所得校正模型的实际预测能力，一般采用完全交互验证方法(Full Cross Validation)。它是一种以数据内部验证为基础的方法，意味着测量数据中每一个元素

将被其余元素所建立的数学模型预报，即使用校正集本身的数据(X矩阵和Y矩阵)来对未知样品集的数据进行模拟，从而达到评价模型实际预测能力的目的。其计算过程是：在每次建模过程中从校正集里剔除一个样品，用剩余的样品建立新的校正模型，对该被剔除的样品进行预测，并得到该样品的预测误差。将校正集中各个样品轮流剔除，作一次验证集样品，求取各次均方根预测误差RMSEP，从而得到整个模型的预测精度[31]。与其它方法相比，完全交互验证法的优点是：它能够比较客观地对该模型的实际预测能力进行估计，因为每次计算时被预测的样品并没有参加模型的建立，因此可以模拟对未知样品的预测情况。此外，完全交互验证有利于检测校正集中的奇异点，提高模型的预测能力。

模型质量的评价指标一般包括相关系数Corr、均方根校正误差RMSEC(Root Mean Square Error of Calibration)和均方根预测误差RMSEP(Root Mean Square Error of Prediction)，计算公式分别如下：

(2.9)

(2.10)

(2.11)

式(2.9)、(2.10)、(2.11)中，y为使用标准方法测定得到的结果，y i为通过光谱测量及校正集模型预测得到的结果，为y i的平均值，n为建立校正集模型所使用的样本数，m为校正模型所采用的主成分数。相关系数Corr越接近1，RMSEC值和RMSEP 值越小，说明所建模型的预测能力越好[25]。

本课题将采用Camo公司的光谱分析软件Unscramable7.8，对已有的近红外光谱数据进行分析，选择合适的建模波段，进行多元散射(MSC)预处理。然后采用偏最小二乘回归法(PLS)实现对近红外光谱的分析，建立校正模型。用完全交互验证法来评价模型的预测能力，评价指标为相关系数Corr和均方根预测误差RMSEP，如果Corr 值越接近1，RMSEP值越小，则模型的预测能力越好，最后针对预测集样品进行模型预测。

红外反射光谱原理实验技术及应用

高级物理化学实验讲义 实验项目名称：红外反射光谱原理、实验技术及应用 编写人：苏文悦编写日期：2011-7-7 一、实验目的（宋体四号字） 1、了解并掌握FTIR-ATR、FTIR-DRS和FTIR-RAS等红外光谱表面分析技术的原理、实验技术及应用 2、比较分析FTIR-ATR、FTIR-DRS和FTIR-RAS等红外光谱技术各自适用的样品、同一样品不同红外光谱的谱带位置及形状。 二、实验原理 衰减全反射（ATR）、漫反射（DRS）和反射吸收（RAS）都是傅里叶变换红外反射光谱，是FTIR常用的表面分析技术。 图1 入射角（θ）及折射率（n1,n2）对光在界面上行为的影响 θc为临界角，sinθc=n2/n1 1全反射光谱原理、实验技术及应用 全反射：光由光密（即光在此介质中的折射率大的）媒质射到光疏（即光在此介质中折射率小的）媒质的界面时，全部被反射回原媒质内的现象。很多材料如交联聚合物、纤维、纺织品和涂层等，用一般透射法测量其红外光谱往往很困难，但使用FTIR及ATR技术却可以很方便地测绘其红外光谱。 （1）入射角与临界角 在通常情况下，光透射样品时是从光疏介质的空气射向光密介质样品的，当垂直入射（入射角θ为0°）时，则全部透过界面；当θ≠0°时，如果两者的折射率相差不大，则光是以原方向透射的，但如折射率差别较大，则会产生折射现象。 当n2与n1有足够的差值(0.5以上)，且入射光从光密介质(n1)射向光疏介

质(n 2 )，入射角θ 大于一定数值时，光线会产生全反射现象。这个“一定数值”的角度称为临界角，也即当折射角φ 等于90°时的入射角θ称为临界角θc ，如图1，其中临界角θc 和折射率n 1和n 2有如下关系： sin θ=n 2/n 1 显然，临界角的数值取决于样品折射率与全反射晶体的折射率之比，对同一种全反射晶体，不同材质的样品会有不同的临界角值，表1所列数值可看出这一关系。 表1 在ATR 和MIR 方法中必须选用远大于临界角的入射角，即sin θ>n 2/n 1,以确保全反射的产生和所获光谱的质量，本实验运用单次衰减全反射ATR 附件，反射晶体是锗，入射角固定为45°，远大于临界角。 （2）衰减全反射 衰减全反射(Attenuated Total Reflectance)缩写为ATR 。当入射角大于临界角时，入射光在透入光疏介质(样品)一定深度后，会折回射入全反射晶体中。进入样品的光，在样品有吸收的频率范围内光线会被样品吸收而强度衰减，在样品无吸收的频率范围内光线被全部反射。因此对整个频率范围而言，由于样品的选择性吸收，使ATR 中的入射光能被部分衰减，除穿透深度dp 外，其衰减的程度与样品的吸收系数有关，还与多次内反射中的光接触样品的次数有关。这种衰减程度在全反射光谱上就是它的吸收强度。 全反射光谱的强度及分布 ATR 光谱的强度取决于穿透深度dp 、反射次数和样品与棱镜的紧密贴合情况以及样品本身吸收的大小。 内反射次数则是设计装置时的一个参数，入射角?越小，对同样尺寸的全反射晶体，全反射的次数就越多，谱峰越增强。 在全反射过程中光线穿透入样品的深度dp 的表示公式如下： 其中，dp ：是光透入样品的垂直深度，称穿透深度 λl ：是光在内反射晶体材料中的波长，与入射光波长λ成正比λ1=λ/n 1 ?：为入射角， n 21=n 2/n 1 ：是样品与全反射晶体的折射率之比 21221 21)(sin 2n dp -=θπλ

无创血糖仪市场现状

1.背景 目前的血糖测量方法主要为生化血糖测量法和微创血糖检测法。生化血糖检测法和微创血糖检测法的技术已较成熟，也是目前血糖测量的主要方法，但此两种测量方法都需要取血检测，由于抽血或手指扎针取血会造成疼痛，而且有感染的危险，这就限制了测定血糖的频率，使糖尿病患者无法获得满意的血糖监测，因此迫切需要采取无创式血糖测量技术来克服有创式采血的缺点。 2.主要的无创血糖检测技术 2.1.近红外光谱技术 当用红外线照射人体时，与血糖无关的人体组织，如皮肤、骨骼、肌肉、水等将吸收大部分红外线、余少量代表血糖特征的反射或吸收红外线，称为血糖特征频谱信号，可用来提取血糖值。最新由格罗夫仪器（Grove Instruments）开发的运用此技术的血糖仪可在20s之内对患者的血糖值进行实时检测。首款推出的试验性产品没有额外的附件且可由电池驱动，测量部位则是在指尖或者耳垂。 针对此仪器的一项拥有4000组数据的实验研究显示该设备的测量准确性符合ISO15197标准。同时在运用此技术开发无创血糖仪的公司有DIRAmed, C8 MediSensors 和InLight Solutions。 2.2.测试人体的射频阻抗，提取血糖值 波长较红外线更长的电磁波对人体辐射时，像血糖这种非离子可溶性物质，将吸收一定的电磁波，提取其吸收特征值，理论上可以得到血糖值。但是，体液中还有其他非离子可溶物质，它们也吸收电磁波。因此，如何将血糖的吸收特征值分离及提取，是这种方法的关键。 2.3.偏振式 其原理是光学活性物质致使偏振光的偏振面发生旋转，产生的角度与偏振光在其中传播的光程、波长、温度以及溶液的浓度有关。当一束线偏振光入射到含有葡萄糖的溶液时，其透射光也是线偏振光，而且偏振方向与原入射光的偏振方向有一个夹角，这就是葡萄糖的旋光特性。利用这个特性可以制成血糖检测仪器。这种方法一般是通过测量眼球房水中的葡萄糖浓度来反推出血糖浓度。 1991年美国得克萨斯农业与工程大学的Gerald L Cote、Martin D.Fox等人利用这样的测量方法设计了完整的实验系统，并详细地分析各种影响因素。但是，偏振式也有它的缺点，例如：其测量位置多为敏感的眼球，而且存在血糖浓度与眼球房水之间的时间滞后等问题。因此到目前尚未有商品化仪器的报道。 2.4.用皮下间质液中的糖分子，测试血糖值

红外光谱测试条件

红外光谱分析采用Nicolet Impact 410 型红外光谱仪，样品的结构及骨架振动采用KBr 支撑片，在400-4000 cm-1范围内记录样品的骨架振动红外吸收峰。 吡啶FT-IR 分析：首先将压成自支撑薄片的样品（～20 mg）装入原位红外样品池中，在200 ℃，10-4mmHg 高真空条件下处理0.5 h 以活化样品，降温至室温。将吡啶引入真空系统中。吸附0.5 h 后，抽真空至10-4mmHg 清除吸附后余气，再利用Nicolet-Impact 410 型红外光谱仪进行红外扫描，测定吡啶吸附态的红外光谱。 采用美国Nicolet公司的Nexus 670型傅立叶变换红外光谱仪测试，测试分辨率为4cm-1，扫描次数为32次，测试范围为400-4000cm-1。 红外光谱制样方法： 1、用玛瑙研钵将KBr固体研成极细的粉末，放入玻璃小盒内，放到100℃烘箱里保存，以防KBr粉末潮解； 2、称取0.2g KBr粉末和2-4mg样品（无机材料），放入研钵内研磨，将二者充分混合； 3、用药匙加适量样品至压片磨具中，用圆柱体铁棒旋转压实。套上空心圈及顶盖； 4、讲磨具放到压片机上，拧到上方转盘固定，拧紧下方螺旋钮； 5、摆动右侧长臂，至压力为8-9MPa，等待30s即可取出。 注意事项： 1、KBr粉末不用时，最好放入烘箱中，否则易潮解； 2、若样品为有机物，则加入样品量1mg即可； 3、样品量过多会造成出现宽峰的情况，此时数据无效； 4、KBr粉末潮解后，压片以后容易粘在磨具上，无法取下导致压片失败； 5、压力过大可能导致压片破裂，视破裂程度也可能进行红外测定（中间未破损即可测量）。红外光谱测试方法： 测试分辨率：4cm-1，扫描次数：64次，测试范围400-4000cm-1 点测量快捷键，改文件名和保存路径； 改变设置：OPTIC→Aperture Setting→1.5mm（狭缝设置） OPTIC→preamp Gain→Ref（放大倍数） Check signal：1万以上（若低于1万有可能液氮量不够，补充液氮即可） Basic→Background Signal Channel（采背景，大概60s，此时不放置样品） Background→Save Background 装样品，点Sample Signal Channel 选中点，可变换颜色，点---校准峰 保存：选中图（变换颜色按钮），File→Save as→名称→路径 Mode→Data point table（保存以后为DPH文件，大小为69k）

红外光谱(FTIR)实验报告

红外光谱仪调查及实验报告 第一部分红外光谱仪调查 1．1 简介 傅里叶红外光谱仪： 全名为傅里叶变换红外光谱仪（Fourier Transform Infrared Spectrometer，FTIR Spectrometer），是基于对干涉后的红外光进行傅里叶变换的原理而开发的红外光谱仪，主要由红外光源、光阑、干涉仪（分束器、动镜、定镜）、样品室、检测器以及各种红外反射镜、激光器、控制电路板和电源组成。傅里叶红外光谱仪不同于色散型红外分光的原理，可以对样品进行定性和定量分析，广泛应用于医药化工、地矿、石油、煤炭、环保、海关、宝石鉴定、刑侦鉴定等领域。 滤光片型近红外光谱仪器： 滤光片型近红外光谱仪器以滤光片作为分光系统，即采用滤光片作为单色光器件。滤光片型近红外光谱仪器可分为固定式滤光片和可调式滤光片两种形式，其中固定滤光片型的仪器时近红外光谱仪最早的设计形式。仪器工作时，由光源发出的光通过滤光片后得到一宽带的单色光，与样品作用后到达检测器。 色散型近红外光谱仪器： 色散型近红外光谱仪器的分光元件可以是棱镜或光栅。为获得较高分辨率，现代色散型仪器中多采用全息光栅作为分光元件，扫描型仪器通过光栅的转动，使单色光按照波长的高低依次通过样品，进入检测器检测。根据样品的物态特性，可以选择不同的测样器件进行投射或反射分析。 傅里叶变换型近红外光谱仪器： 傅里叶变换近红外分光光度计简称为傅里叶变换光谱仪，它利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究近红外光谱。其基本组成包括五部分：①分析光发生系统，由光源、分束器、样品等组成，用以产生负载了样品信息的分析光；②以传统的麦克尔逊干涉仪为代表的干涉仪，以及以后的各类改进型干涉仪，其作用是使光源发出的光分为两束后，造成一定的光程差，用以产生空间（时间）域中表达的分析光，即干涉光；③检测器，用以检测干涉光；④采

近红外光谱分析技术在煤质检测中的应用

近红外光谱分析技术在入炉煤煤质 在线检测中的应用 一．煤质分析的意义： 煤炭在我国占一次能源消费的68％，大部分用于发电或燃煤锅炉，在热电厂的成本核算中，燃料消耗占到成本的70％左右。 充分了解当前燃煤质量，可以有效的提高锅炉燃烧效率、提升企业经济效益，同时还可以减少炉受热面结焦、积灰等情况，极大的提高锅炉运行的安全性。 二．煤质分析现状： 国内企业目前多采用传统的煤质分析方法，主要测定灰分、水分、发热量等指标，分析精度高，但检测周期长，严重滞后于当前生产，只能进行抽检，不能实时指导生产。 国内还有少量企业使用γ射线来分析煤质，实时性较好，但由于采用辐射源，给工作人员和企业带来了很大的安全隐患，并且价格昂贵，增大了企业的成本负担。 国外相关企业普遍采用近红外光谱技术来分析煤质，实时性好、精确度高、无安全隐患、成本适中。 三．近红外光谱技术检测煤质： 1.近红外光谱的原理： 近红外波长范围为780～2526nm，当近红外光照射到对于含氢基团X—H(X=C、N、O)的物质上时，组成物质的化学键就会吸收一定波长的特征波，吸光度与成分的含量大小有关，而煤炭中燃烧成分主要是含氢基团，正适用于近红外技术。 2.建立近红外模型： 近红外技术是二次测量方法，通过取样，测量样品的近红外光谱、并用

传统分析方法得到该样品的灰分、发热量、水分等含量，通过算法建立光谱与成分和含量之间的联系（模型）。 3.在线实时测量： 近红外仪器安装在入炉煤传送皮带上方，采集皮带上当前煤炭的近红外光谱，通过近红外模型，使用化学计量学方法分析光谱，即可获得该煤炭的灰分、发热量、水分等含量信息。 4.技术特点： ●分析速度快，分析效率高：不到1分钟就可以采集一次光谱，并同时得到 多个组分的性质和含量数据。 ●安装方便：采用非接触的方式进行检测，可以根据生产线的工况采用俯 视、仰视、侧视等方式进行安装。比如安装在入炉煤传送皮带上方。 ●适应复杂环境：仪器具有防尘、防水、防暴等多种特点。 ●运行成本低：近红外仪器自动化程度非常高，日常运行中基本不需要维 护人员，没有消耗品，不产生运行费用。 ●样品不需要预处理，不需要使用化学试剂，不会产生化学、生物或电磁 污染。 ●安全性：近红外仪器使用的是近红外光，没有高温、高压、辐射、易燃 品等构件，保证人员、设备和生产环境的安全。

无创血糖仪市场报告(第2版)

无创血糖仪市场报告 1.背景 目前的血糖测量方法主要为生化血糖测量法和微创血糖检测法。生化血糖检测法和微创血糖检测法的技术已较成熟，也是目前血糖测量的主要方法，但此两种测量方法都需要取血检测，由于抽血或手指扎针取血会造成疼痛，而且有感染的危险，这就限制了测定血糖的频率，使糖尿病患者无法获得满意的血糖监测，因此迫切需要采取无创式血糖测量技术来克服有创式采血的缺点。 2.主要的无创血糖检测技术 2.1.近红外光谱技术当用红外线照射人体时，与血糖无关的人体组织，如皮肤、骨骼、 肌肉、水等将吸收大部分红外线、余少量代表血糖特征的反射或吸收红外线，称为血糖特征频谱信号，可用来提取血糖值。最新由格罗夫仪器（Grove Instruments）开发的运用此技术的血糖仪可在 20s之内对患者的血糖值进行实 时检测。首款推出的试验性产品 没有额外的附件且可由电池驱动， 测量部位则是在指尖或者耳垂。 针对此仪器的一项拥有4000组数 据的实验研究显示该设备的测量 准确性符合ISO15197标准。同时 在运用此技术开发无创血糖仪的公司有DIRAmed, C8 MediSensors 和 InLight Solutions。 2.2.测试人体的射频阻抗，提取血糖值波长较红外线更长的电磁波对人体辐射时，像血 糖这种非离子可溶性物质，将吸收一定的电磁波，提取其吸收特征值，理论上可以得到血糖值。但是，体液中还有其他非离子可溶物质，它们也吸收电磁波。因此，如何将血糖的吸收特征值分离及提取，是这种方法的关键。 2.3.偏振式：其原理是光学活性物质致使偏振光的偏振面发生旋转，产生的角度与偏振光 在其中传播的光程、波长、温度以及溶液的浓度有关。当一束线偏振光入射到含有葡

几种有机化合物的红外光谱测定

几种有机化合物的红外光测定 一、实验目的 1、学习红外光谱的理论知识，了解红外光谱仪的工作原理及使用操作； 2、初步掌握固体样品和液体样品的红外光谱测定方法； 3、初步学习根据红外光谱图进行结构分析的方法。 二、红外吸收的基本原理 红外光谱分析是研究分子振动和转动信息的分子光谱。当化合物受到红外光照射时，化合物中某个化学键的振动或转动频率与红外光频率相当等，就会吸收光能，并引起分子永久偶极矩的变化, 产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁, 使相应频率的透射光强度减弱；分子中不同的化学键振动频率不同，会吸收不同频率的红外光，检测并记录透过光强度与波数（1/cm）或波长的关系曲线，就可得到红外光谱，根据谱带的位置、峰形及强度，对待测样品进行分析。红外光谱反映了分子化学键的特征吸收频率，可用于化合物的结构分析和定量测定。 在化合物分子中，具有相同化学键的原子基团，其基本振动频率吸收峰(简称基频峰)基本上出现在同一频率区域内。但同一类型原子基团，在不同化合物分子中所处的化学环境有所不同，使基频峰频率发生一定移动。因此，掌握各种原子基团基频蜂的频率及其位移规律，就可应用红外吸收光谱来确定有机化合物分子中存在的原子基团及其在分子结构中的相对位置。红外光谱中吸收谱带的位置与分子中组成化学键的原子之间的振动频率有关。每个化合物有着彼此不相同的谱图，通过化合物的红外光谱可以测定化合物的结构。 衰减全反射(ATR)装置是将红外光照射在有较高折射率的晶体上，光穿过晶体折射到样品表面一定深度后，反射回表面；当样品的折射率小于晶体的折射率，入射光的入射角大于临界角时，即可产生全反射现象，收集此时的反射光，可获得样品的衰减全反射光谱。此方法特别适合于材料分析，如塑料、橡胶、纸张等，也可用于液体和固体粉末样品的检测。 三、仪器与试剂 1、仪器：TENSOR27 FT-IR红外光谱仪；透射（TR）装置，衰减全反射（ATR）装置等。 2、样品：聚乙烯（PE）薄膜, 聚苯乙烯薄膜，无水乙醇，苯甲酸。 四、实验步骤 （一）透射法（TR）测试 1．安装透射装置。 2. 打开OPUS软件，点击高级测量选项，检查测量参数，选择MIR_TR.XPM。 3.检查信号，保存峰位。 4.在高级测量中输入文件名（即样品名称）和文件存放路径。 5.再在基本测量里输入样品描述和形态。 6.用TR装置，盖上盖子，先测量背景单通道光谱（注意不同样品，应选择适宜的参照物为背景）。 7.再将样品（聚乙烯或聚苯乙烯）模具卡装在样品架上，盖上盖子，测定样品单通道光谱。 8.扫谱结束后，取出压片模具、试样架等，用无水乙醇擦拭干净，置于干燥器中保存。 （二）衰减全反射法（A TR）测试 1．安装衰减全反射装置。 2. 打开OPUS软件，点击高级测量选项，检查测量参数，选择MIR_ATR.XPM。 3.检查信号，保存峰位。 4.在高级测量中输入文件名（即样品名称）和文件存放路径。 5.再在基本测量里输入样品描述和形态。

仪器分析实验有机化合物的红外光谱分析解读

仪器分析实验有机化合物的红外光谱分析 2015年4月21日 有机化合物的红外光谱分析 开课实验室：环境资源楼312 【实验目的】 1、初步掌握两种基本样品制备技术及傅里叶变换光谱仪器的简单操作； 2、通过谱图解析及网上标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的一般过程； 3、掌握有机化合物红外光谱测定的制样方法，回顾基础有机化学光谱的相关知识。 【基本原理】 ? 原理概述：物质分子中的各种不同基团，在有选择地吸收不同频率的红外辐射后，发生振动能级之间的跃迁，形成各自独特的红外吸收光谱。据此，可对物质进行定性和定量分析。特别是对化合物结构的鉴定，应用更为广泛。 ? 红外吸收法： 类型：吸收光谱法； 原理：电子的跃迁：电子由于受到光、热、电等的激发，从一个能级转移到另一个能级的现象。这是因为分 子中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。当这些电子有选择地吸收了不同频率的红外辐射的能量，发生振动能级之间的跃迁，形成各自独特的红外吸收光谱。据此，可对化合物进行定性和定量分析； 条件：分子具有偶极矩。 【仪器与试剂】 1、仪器： 傅里叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司，TENSOR 27型; 美国Thermo Fisher 公司， Nicolet 6700型）；压片机； 玛瑙研钵； 红外灯。 2、试剂：NaCl窗片、KBr晶体，待分析试样液体及固体。 【实验步骤】 1、样品制备 （1）固体样品：KBr压片法 在玛瑙研钵将KBr晶体充分研磨后加入其量5%左右的待测固体样品，混合研磨直至均匀。在一个具有抛光面的金属模具上放一个圆形纸环，用刮勺将研磨好的

近红外光谱技术在药物分析中的应用

近红外光谱技术在药物分析中的应用 1·前言 近红外光谱分析技术是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。 近红外（NIR）谱区是人类认识最早的非可见光谱区，波长范围在0.75—2.5 m之间，用波数表示时则在13330—4000cm-1之间。由于近红外的吸收谱带复杂，谱峰重叠，信号弱，在分析上难以应用，长期以来没有受到人们的重视。近十多年来，随着近红外仪器的改良，新的光谱理论和光度分析方法的建立，特别是计算机技术和化学计量学的广泛应用和迅速发展，使近红外光谱技术成为目前发展最快、最引人注目的分析技术，并以其简单快速、实时在线、无损伤无污染分析等特点，在复杂物质的分析上得到广泛应用。在包括制糖和制药的许多与化学分析和品质管理有关的行业中的应用前景极其广阔。 关于近红外光谱技术在制药行业中应用的文献报道越来越多，显示了近红外光谱技术在制药领域中越来越受到人们的重视。近红外光谱分析具有的快速实时、操作简单、无损伤测定、不受样品状态影响的特点很符合药物分析的要求。因此，在制药业中原料药的分析、药物制剂中水分、有效成分的分析、药物生产品质的过程控制等方面近红外光谱技术得到了十分广泛的应用。 2·光谱介绍 近红外光是介于可见光和中红外光之间的电磁波，根据ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在780～2526nm范围内的电

磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。 近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，具有较强的穿透能力。近红外光主要是对含氢基团X－H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。由于不同的有机物含有不同的基团，不同的基团有不同的能级，不同的基团和同一基团在不同物理化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效的载体。近红外光照射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的红外光就不会被吸收。因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量。 3·近红外光谱技术在制药业中的应用 3·1 原料和活性组分的测定 药物加工过程中第一步就是原料的鉴定，其质量的好坏直接决定后续加工过程的成败于否，而同一类型的原料中多变因素主要是湿度和颗粒大小，近红外光谱在湿度测定中的灵敏度及其适于固体表面的表征的特性，使他能够很快地得到样品的湿度和颗粒大小的信息，然

无创血糖检测分析报告总结(图片)

无创血糖检测分析报告 1项目背景 “国家核心竞争力越来越表现为对知识产权的拥有、运用能力”,胡锦涛主席已经把知识产权战略提升到国家核心竞争力的高度。 在市场经济高速发展的今天，企业之间的竞争越来越集中于科学技术实力的竞争，其中最为突出的表现即为专利技术等知识产权资产的竞争。企业拥有专利技术的数量和质量，在很大程度上决定了企业间竞争力的高低。随着国际间竞争的不断加剧，各企业都把知识创新、技术改造作为自身发展的重中之重。作为技术和市场经济发展的双重产物，专利战略可以说是企业实施企业经营、技术创新和品牌策略的基本点。另外，专利战略与企业全球战略相结合，针对竞争对手，通过对对手专利申请情况进行深入分析，并对专利技术信息深度挖掘占据国际竞争的制高点；针对特定区域的企业，可以通过构建专利池去设置技术壁垒阻碍对手的发展，并通过收取高额专利许可费用获益。总之，专利申请战略正在成为当前企业竞争的重要组成部分。 而近几年来发生的DVD侵权、打火机索赔等事件也表明，单纯地进行高新技术的研制已不足以拥有市场竞争优势，只有将取得的专利信息等知识产权进行保护才能最终形成自身独特的市场竞争优势；另外通过对专利信息的研究，可以发现竞争对手的研究热点，构筑外部的专利网络，突破竞争对手的技术垄断，变被动借鉴为主动进攻，从而取得企业竞争的制高点。

2专利研究目的和技术范围 2.1 专利研究的目的 本报告通过对无痛（无伤）血糖检测行业的专利信息进行检索整理，分析出无痛（无伤）血糖检测行业专利申请总体趋势、主要技术领域分布、主要申请人的技术热点等信息，同时结合了大量的技术信息和市场信息，为我所制定企业发展战略提供知识产权方面的参考。 2.2 专利技术范围 无痛（无伤）血糖检测作为目前较为流行的检测方式，其主要技术包括以下几个方面： 1)通过身体的分泌物进行测试 2)通过身体对葡萄糖的消化产生的热量进行检测 3)采用光学方法检测血糖 方法及其设备 3主要分析方法和工具 3.1 SWOT战略分析法 SWOT战略分析法是一种综合考虑企业内部条件和外部环境的各种因素，进行系统评价，从而选择最佳经营战略的方法。这里，S 是指企业内部的优势（Strengths），W是指企业内部的劣势

近红外无创血糖测量的研究

项目基金:国家自然科学基金(30170261) 近红外无创血糖测量的研究3 陈民森　陈文亮　杜振辉　徐可欣　蒋诚志 (天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室　天津　300072) 摘　要　本文分析了光在手掌组织中的传播特性,以及经皮近红外无创血糖浓度测量原理。基于AOTF (声光可调谐滤波器)分光系统,构建了近红外经皮无创血糖检测系统, 并利用该系统对3名健康青年志愿者进行OG TT (口服葡萄糖耐量试验)实验,得到较好的测量结果。三次实验中P LS (偏最小二乘)校正集模型的RMSEP (预测均方根误差)分别为0169mm ol/L 、0149mm ol./L 、0154mm ol/L 。关键词　近红外　经皮的　无创血糖检测 糖尿病及其并发症已成为严重威胁人类健康的 世界性公共卫生问题。目前还没有根治糖尿病的有效手段,主要是采取控制血糖浓度以预防或减轻并发症的发生,特别是通过频繁地监测血糖浓度并及时调整口服降糖药物和胰岛素的用量。在各种血糖浓度测量方法中,近红外光谱无创血糖检测技术具有检测快速、无创伤、不易感染、无污染等优点,是血糖测量技术的发展趋势,也是能够真正实现糖尿病人实时自测血糖的最佳方案1。利用近红外光谱分析技术进行人体血糖浓度的无创测量,已成为当前国内外研究的热点课题。 血液中的糖类主要是葡萄糖,简称血糖。其分子式为C 6H 12O 6,包含有多个羟基(O —H )和甲基(C —H ),均是能够在近红外光谱区产生吸收的主要含氢官能团,从而为利用近红外光谱测定葡萄糖提供了理论基础。皮肤和大多数组织一样,以葡萄糖和脂肪作为能源物质。尤其在真皮乳头层中含有丰富的血管丛,通过分析经过真皮的近红外光谱特征来测量血糖浓度,被认为是一种可行的血糖浓度测量方法。近年来,近红外经皮漫反射光谱测量血糖浓度检测技术得到了较好的发展2。 本文构建了近红外光谱无创血糖检测系统,以手掌作为测量部位,对真皮内的血糖浓度进行测量研究。 1　经皮漫反射光谱无创血糖测量原理 111　手掌组织的光学特性 手掌组织具有明显的分层结构特性3 ,由表皮层、真皮层、皮下组织层和肌肉层组成。其中,皮 肤(包括表皮层和真皮层)的全层厚度约为4mm , 图1　近红外光在手掌组织中的传输示意图 表皮层的厚度约为013mm 左右,具体厚度随不同人的年龄、性别等有所差别。由于手掌组织的皮肤层较厚,而测量所用近红外光源能量相对较弱,因此,光子进入皮下脂肪组织和肌肉层的概率很低。近红外光在手掌组织内的传输特性(见图1)。I 0光射入手掌组织,忽略光在皮下组织层中的传递,则经手掌表面出射的光实际由3部分组成:入射光在手掌表面的镜面反射光I 1,直接由表皮层扩散反射出的光I 2,达到真皮层后扩散反射出的光I 3。 由于表皮层内不含有血管,皮肤组织中的血管都分布在真皮层中,因此,在经皮测量血糖浓度时,只需要分析经过真皮后扩散反射出来的光谱l 3下即可。设某一波长入射光在手掌组织内传输的光程长为l λ,则其扩散反射光的表达式为: I 3( λ)=I 0(λ)e -μeff (λ)l λ(1)μeff (λ)为该波长光的有效衰减系数(mm -1)μeff =μeff-epi +μeff-derm (2)μeff-epi =3μs -epi [μa-epi +U s -epi (1-g epi )](3)μeff-derm =3μs -derm [μa-derm +μs -derm (1-g derm )] (4) 8 3现代仪器 二○○四年?第四期

仪器分析红外光谱实验

仪器分析实验报告 实验名称：红外光谱分析（IR）实验学院：化学工程学院 专业：化学工程与工艺 班级：化工112 姓名：王文标学号11402010233 指导教师：张宗勇 日期：2014.4.29

一、 实验目的 1、掌握溴化钾压片法制备固体样品的方法； 2、学习并掌握美国尼高立IR-6700型红外光谱仪的使用方法； 3、初步学会对红外吸收光谱图的解析。 二、实验原理 红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。波长在0.75～1000μm 。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在0.75～2.5μm （波数在13300～4000cm -1），又称泛频区；中红外区：波长在 2.5～50μm （波数在4000～200cm -1），又称振动区；远红外区：波长在50～1000μm （波数在200～10cm -1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。 红外区的光谱除用波长λ表征外，更常用波数σ表征。波数是波长的倒数，表示单位厘米波长内所含波的数目。其关系式为： )(10)(4 1 cm cm λσ=- 作为红外光谱的特点，首先是应用面广，提供信息多且具有特征性，故把红外光谱通称为“分子指纹”。它最广泛的应用还在于对物质的化学组成进行分析。用红外光谱法可以根据光谱中吸收峰的位置和形状来推断未知物的结构，依照特征吸收峰的强度来测定混合物中各组分的含量。其次，它不受样品相态的限制，无论是固态、液态以及气态都能直接测定，甚至对一些表面涂层和不溶、不熔融的弹性体（如橡胶）也可直接获得其光谱。它也不受熔点、沸点和蒸气压的限制，样品用量少且可回收，是属于非破坏分析。而作为红外光谱的测定工具-红外光谱仪，与其他近代分析仪器（如核磁共振波谱仪、质谱仪等）比较，构造简单，操作方便，价格便宜，最常用于工业及实验研究领域，如医药鉴别，人造皮革中异氰酸酯基确定等等。因此，它已成为现代结构化学、分析化学最常用和不可缺少的工具。 根据红外光谱与分子结构的关系，谱图中每一个特征吸收谱带都对应于某化合物的质点或基团振动的形式。因此，特征吸收谱带的数目、位置、形状及强度取决于分子中各基团（化学键）的振动形式和所处的化学环境。只要掌握了各种基团的振动频率（基团频率）及其位移规律，即可利用基团振动频率与分子结构的关系，来确定吸收谱带的归属，确定分子中所含的基团或键，并进而由其特征振动频率的位移、谱带强度和形状的改变，来推定分子结构。 红外光谱仪可分为色散型和干涉型。色散型红外光谱仪又有棱镜分光型和光栅分光型，干涉型为傅立叶变换红外光谱仪（FTIR ），最主要的区别是FTIR 没

现代近红外光谱分析仪工作原理

现代近红外光谱分析仪工作原理 现代近红外光谱分析仪工作原理 2011年02月08日 20世纪90年代初,外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析仪器产品,但在很长时间内，进展不大，其原因主要是：首先，近红外光谱分析要求光谱仪器、光谱数据处理软件（主要是化学计量学软件）和应用样品模型结合为一体，缺一不可。但被分析样品会由于样品产地的不同而不同，国内外的样品通常有差异，因此，进口仪器的应用模型一般不适合分析国内样品。如果自己建立模型，就需要操作人员了解和熟悉化学计量学知识和软件，而外商在中国的代理机构缺乏这方面的专业人才，不能有效地根据用户的需要组织培训，因此，用户对这项技术缺乏全面了解，影响到了它的推广使用。其次，进口仪器价格昂贵，售后技术服务费用也往往超出大多数用户的承受能力。 现代近红外光谱分析技工作原理 近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团X-H（X-C、N、O）的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。 由于倍频和合频跃迁几率低，而有机物质在NIR光谱区为倍频与合频吸收，所以消光系数弱，谱带重叠严重。因此从近红外光谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息，需要充分利用现有的光机技术、电子技术和计算机技术进行处理。计算机技术主要包括光谱数据处理和数据关联技术。光谱数据处理是消除仪器因素（灯及测量方式等）环境因素（如温度等）和样品物态（如颜色、形态等）等对光谱的影响。常采用的方法有平滑、微分、基线漂移扣减、多元散射校正（MSC）和有限脉冲响应滤波（FIR）等也可以用小波变换来进行部分处理。数据关联技术主要是化学计量学方法。化学计量学的发展使多组分分析中多元信息处理理论和技术日益成熟，解决了近红外光谱区重叠的问题。通过关联技术可以实现近红外光谱的快速分析。在近红外光谱的应用中我们所关心的是被测样品的组成或各种物化性质，因此，如何提取这些有用信息是近红外光谱分析的技术核心。现在的许多研究与应用表明，

无创血糖检测分析报告图片

无创血糖检测分析报告1项目背景 “国家核心竞争力越来越表现为对知识产权的拥有、运用能力”,胡锦涛主席已经把知识产权战略提升到国家核心竞争力的高度。 在市场经济高速发展的今天，企业之间的竞争越来越集中于科学技术实力的竞争，其中最为突出的表现即为专利技术等知识产权资产的竞争。企业拥有专利技术的数量和质量，在很大程度上决定了企业间竞争力的高低。随着国际间竞争的不断加剧，各企业都把知识创新、技术改造作为自身发展的重中之重。作为技术和市场经济发展的双重产物，专利战略可以说是企业实施企业经营、技术创新和品牌策略的基本点。另外，专利战略与企业全球战略相结合，针对竞争对手，通过对对手专利申请情况进行深入分析，并对专利技术信息深度挖掘占据国际竞争的制高点；针对特定区域的企业，可以通过构建专利池去设置技术壁垒阻碍对手的发展，并通过收取高额专利许可费用获益。总之，专利申请战略正在成为当前企业竞争的重要组成部分。 而近几年来发生的DVD侵权、打火机索赔等事件也表明，单纯地进行高新技术的研制已不足以拥有市场竞争优势，只有将取得的专利信息等知识产权进行保护才能最终形成自身独特的市场竞争优势；另外通过对专利信息的研究，可以发现竞争对手的研究热点，构筑外部的专利网络，突破竞争对手的技术垄断，变被动借鉴为主动进攻，从而取得企业竞争的制高点。

2专利研究目的和技术范围 2.1 专利研究的目的 本报告通过对无痛（无伤）血糖检测行业的专利信息进行检索整理，分析出无痛（无伤）血糖检测行业专利申请总体趋势、主要技术领域分布、主要申请人的技术热点等信息，同时结合了大量的技术信息和市场信息，为我所制定企业发展战略提供知识产权方面的参考。 2.2 专利技术范围 无痛（无伤）血糖检测作为目前较为流行的检测方式，其主要技术包括以下几个方面： 1)通过身体的分泌物进行测试 2)通过身体对葡萄糖的消化产生的热量进行检测 3)采用光学方法检测血糖 方法及其设备 3主要分析方法和工具 3.1 SWOT战略分析法 SWOT战略分析法是一种综合考虑企业内部条件和外部环境的各种因素，进行系统评价，从而选择最佳经营战略的方法。这里，S 是指企业内部的优势（Strengths），W是指企业内部的劣势

红外光谱仪验证方案

第1 页共4 页1主题内容 本方案规定了FTIR—8300红外光谱仪的验证方案及实施。 2适用范围 本方案适用于FTIR—8300红外光谱仪的到货后的首次验证。 3职责 工程部计量管理员：负责安装确认。 QC仪器验证责任人：参与安装确认，并负责功能试验及适用性试验。 验证协调员：组织协调验证工作的开展，并根据验证情况，出具验证报告。 4内容 4.1简介 本仪器为日本岛津制作所生产，该公司生产科学仪器及材料试验的工厂均已取得ISO9001认证，产品在国内及国际上有一定知名度。该仪器型号为FTIR—8300，它以MS—Windows 为基础，操作简便，数据处理功能齐全，并可进行光谱图库检索，可用于定性及定量测试。 我公司现主要用于西药原料、中间体或成品的定性分析。因其性能直接关系到分析结果的可信度，故依据我公司验证管理程序（1205·001）及GMP要求，制定本方案对该仪器进行验证，以保证应其能满足使用要求。制定依据为《中国药典》1995年版二部附录P19页及中国药品生物制品检定所1999年1月编《药品检验仪器检定规程》P12页。 4.2安装确认 4.2.1建立完整的设备档案，专人妥善保管。并记录设备档案编号。 药品生产质量管理文件

4.2.3仪器应置于平稳的工作台上，安放处无强振动源，无强光直射。室内应清洁，无腐蚀性气 体，无强电磁场干扰。室温15~30℃；相对湿度≤65％；供电电源：电压为AC（220±22）V，频率为（50±1）Hz。安装及安装环境其他方面也应符合GMP要求及仪器供应商要求。 4.2.4 是否建立相应的仪器使用SOP、维护保养SOP等文件。 4.2.5是否对操作人员进行了必要的培训，并记录培训人员名单。 4.2.6维修服务单位 单位名称： 地址： 联系人：电话： 4.2.7仪器校验情况 4.2.8安装确认结论 检查人：复核人：日期： 4.3运行确认 4.3.1功能试验（应在开机预热稳定后进行） 4.3.1.1按仪器使用说明书，运行仪器各项功能，要求每种功能至少运行一次，各项功能均应能正常运行，无误操作或死机等异常现象。

红外光谱实验报告

红外光谱实验报告 一、实验原理： 1、红外光谱法特点： 由于许多化合物在红外区域产生特征光谱，因此红外光谱法广 泛应用于这些物质的定性和定量分析，特别是对聚合物的定性 分析，用其他化学和物理方法较为困难，而红外光谱法简便易 行，特别适用于聚合物分析。 2、红外光谱的产生和表示 红外光谱定义：分子吸收红外光引起的振动能级跃迁和转动能级跃 迁而产生的吸收信号。 分子发生振动能级跃迁需要的能量对应光波的红外区域分类为： i.近红外区：10000-4000cm-1 ⅱ.中红外区：4000-400cm-1——最为常用，大多数化合物的化键振 动能级的跃迁发生在这一区域。 ⅲ.远红外区：400-10cm-1 产生红外吸收光谱的必要条件： 1）分子振动：只有在振动过程中产生偶极矩变化时才能吸收红外辐射。 ⅰ.双原子分子的振动：（一种振动方式）理想状态模型——把两个 原子看做由弹簧连接的两个质点，用此来 描述即伸缩振动；

图1 双原子分子的振动模型 ⅱ.多原子分子的振动：（简正振动，依据键长和键角变化分两大类） 伸缩振动：对称伸缩振动 反对称伸缩振动 弯曲振动：面内弯曲：剪切式振动 （变形振动）平面摇摆振动 面外弯曲振动：扭曲振动 非平面摇摆振动 ※同一种键型，不对称伸缩振动频率大于对称伸缩振动频率，伸缩振动频率大于弯曲振动频率。 ※当振动频率和入射光的频率一致时，入射光就被吸收，因而同一基团基本上总是相对稳定地在某一特定范围内出现吸收峰。ⅲ.分子振动频率： 基频吸收（强吸收峰）：基态到第一激发态所产生分子振动 的振动频率。 倍频吸收（弱吸收峰）：基态到第二激发态，比基频高一倍 处弱吸收，振动频率约为基频两倍。 组频吸收（复合频吸收）：多分子振动间相互作用，2个或2

红外光谱法测定样品方法

一、红外光谱法测定样品方法 红外光谱的试样可以是液体、固体或气体，一般应要求： 1. 试样应该是单一组份的纯物质，纯度应>98%或符合商业规格，才便于与纯物质的标准光谱进行对照。多组份试样应在测定前尽量预先用分馏、萃取、重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱相互重叠，难于判断。 2. 试样中不应含有游离水。水本身有红外吸收，会严重干扰样品谱，而且会侵蚀吸收池的盐窗。 3. 试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使光谱图中的大多数吸收峰的透射比处于10%~80%范围内。 二、制样的方法 1. 气体样品 气态样品可在玻璃气槽内进行测定，它的两端粘有红外透光的NaCl或KBr窗片。先将气槽抽真空，再将试样注入。 2. 液体和溶液试样 (1)液体池法 沸点较低，挥发性较大的试样，可注入封闭液体池中，液层厚度一般为0.01~1mm。 (2)液膜法 沸点较高的试样，直接滴在两片盐片之间，形成液膜。对于一些吸收很强的液体，当用调整厚度的方法仍然得不到满意的谱图时，可用适当的溶剂配成稀溶液进行测定。一些固体也可以溶液的形式进行测定。常用的红外光谱溶剂应在所测光谱区内本身没有强烈的吸收，不侵蚀盐窗，对试样没有强烈的溶剂化效应等。 3. 固体试样 (1)压片法 将1~2mg试样与200mg纯KBr研细均匀，置于模具中，用(5~10)′107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。试样和KBr都应经干燥处理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。 (2)石蜡糊法 将干燥处理后的试样研细，与液体石蜡或全氟代烃混合，调成糊状，夹在盐片中测定。

(3)薄膜法 主要用于高分子化合物的测定。可将它们直接加热熔融后涂制或压制成膜。也可将试样溶解在低沸点的易挥发溶剂中，涂在盐片上，待溶剂挥发后成膜测定。当样品量特别少或样品面积特别小时，采用光束聚光器，并配有微量液体池、微量固体池和微量气体池，采用全反射系统或用带有卤化碱透镜的反射系统进行测量。 仪器操作 1. 样品准备(固体样品) 取样品约0.5mg在红外灯下充分研磨，再加入干燥KBr粉末约50mg，继续研磨至混合均匀。 2. 模具准备 将干燥器中保存的简易模具取出，确认模具洁净。若其表面不洁净，可用棉花沾少许无水乙醇轻轻擦拭(绝对不可用力，以免模具表面被划伤)，然后在红外灯下干燥。 3. 制片方法 将试样与纯KBr混合粉末置于模具中，用(5~10)′107Pa压力在油压机上压成透明薄片，即可用于测定。试样和KBr都应经干燥处理，研磨到粒度小于2微米，以免散射光影响。 样品测试过程中的注意事项 1. 测试样品一定要干燥，干燥不充分的样品可以在红外灯下烘烤1小时左右。样品研磨要充分，否则会损伤模具。 2. 所有用具应保持干燥、清洁;使用前可以用脱脂棉蘸酒精小心擦拭。 3. 压片过程应在红外灯照射下进行。 4. 操作过程中应保持模具表面干燥、清洁;防止药品腐蚀模具(KBr对模具表面腐蚀很严重) 5. 易吸水和潮解的样品不宜用压片法。 6. KBr在粉末状态下极易吸水、潮解，应放在干燥器中保存，定期在干燥箱中110℃或在真空烘箱中恒温干燥2小时。

红外光谱实验报告

一、实验目的 1、掌握溴化钾压片法制备固体样品的方法； 2、学习并掌握美国尼高立IR-6700型红外光谱仪的使用方法； 3、初步学会对红外吸收光谱图的解析。 二、实验原理 红外光是一种波长介于可见光区和微波区之间的电磁波谱。波长在～1000μm。通常又把这个波段分成三个区域，即近红外区：波长在～μm（波数在13300～4000cm-1），又称泛频区；中红外区：波长在～50μm（波数在4000～200cm-1），又称振动区；远红外区：波长在50～1000μm（波数在200～10cm-1），又称转动区。其中中红外区是研究、应用最多的区域。 红外区的光谱除用波长λ表征外，更常用波数σ表征。波数是波长的倒数，表示单位厘米波长内所含波的数目。其关系式为： 三、仪器和试剂 1、仪器：美国尼高立IR-6700 2、试剂：溴化钾，聚乙烯，苯甲酸 3、傅立叶红外光谱仪(FTIR)的构造及工作原理 四、实验步骤

1、波数检验：将聚苯乙烯薄膜插入红外光谱仪的样品池处，从4000-650cm-1进行波数扫描，得到吸收光谱。 2、测绘苯甲酸的红外吸收光谱——溴化钾压片法 取1-2mg苯甲酸，加入在红外灯下烘干的100-200mg溴化钾粉末，在玛瑙研钵中充分磨细（颗粒约2μm），使之混合均匀。取出约80mg混合物均匀铺洒在干净的压模内，于压片机上制成直径透明薄片。将此片装于固体样品架上，样品架插入红外光谱仪的样品池处，从4000-400cm-1进行波数扫描，得到吸收光谱。 五、注意事项 1、实验室环境应该保持干燥； 2、确保样品与药品的纯度与干燥度； 3、在制备样品的时候要迅速以防止其吸收过多的水分，影响实验结果； 4、试样放入仪器的时候动作要迅速，避免当中的空气流动，影响实验的准确性。 5、溴化钾压片的过程中，粉末要在研钵中充分磨细，且于压片机上制得的透明薄片厚度要适当。 六、数据处理 该图中在波数700~800、1500~1600、2800~2975左右有峰形，证明了该物质中可能有烯烃的C-H变形振动，C-C间的伸缩振动，同时也拥有烷烃的C-H伸缩振动，推测为聚乙烯的红外谱图。 谱带位置/cm-1吸收基团的振动形式 )n—C— n≥4） （—C—(CH 2