小波变换下红外光谱法定量分析水溶液成分的算法研究

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随着生活水平的提高和社会需求的增加,人们对检测技术提出了更高的要求,希望检测技术能够方便、快捷、准确,且达到绿色环保、低碳等众多要求。傅里叶变换红外光谱技术是目前应用较为广泛的化学检测技术手段之一。它凭借快速、能够对物质中多组分含量进行同时分析、无污染、且不会对被测物质造成损伤等众多优点,在食品、医疗、石油化工等生产领域有着较为广泛的应用,并且不少基于红外光谱技术的检测标准已经发展成为该行业的行业标准。但是,上述的分析对象多是固态物质,而对于液态物质,特别是混合液态物质,一直是傅里叶变换红外光谱技术的检测难点,也是众多学者们研究的热点。本文作为对混合溶液定性定量分析课题的一个子课题,以乙醇水溶液为例,对红外光谱技术中定量分析混合水溶液问题进行了深入的探讨。文章首先介绍了红外光谱法定量分析的理论基础:朗伯—比尔定律,即在理想状态下,混合物的吸光度等于各组分吸光度的叠加之和。但是,对于混合溶液而言,有许多客观存在的因素会对朗伯—比尔定律的结果产生影响,本文分析了干扰朗伯—比尔定律的四个因素,并针对其中的化学误差和噪声影响两个因素展开了讨论。同时,纯水的吸光度光谱图有着自己独有的特性,其在3400 cm-1附近有着既强又宽的吸收峰,会掩盖溶质的吸收峰,导致定量分析结果出现误差。并且,混合水溶液中水与组分之间会发生水合作用,使得混合物中各组分的吸光度谱图与纯组分谱图相比,会发生一定程度的形变。这些因素使得红外光谱技术中常见的定量分析方法对混合水溶液的定量分析效果不是十分理想小波变换是近些年来快速发展起来的一个新的数学分支,小波变换通过小波函数的运用,可以对信号在时域和频域上同时进行分析,并且小波变换的多尺度刻画(多分辨率)特性可以有效地提高信号的分辨率。本文中,在现有红外光谱技术定量分析方法的基础上,作者从问题的两个角度讨论和分析了提高定量分析乙醇水溶液中乙醇含量的精确度和鲁棒性的算法。一是利用连续小波变换的线性和多分辨率特性,对现有定量分析算法进行了改进,线性保证了朗伯—比尔定律经过连续小波变换后依然成立,并且经过连续小波小波后的水溶液的强宽峰会远小于其他的吸收峰,降低了强宽峰对定量分析结果的干扰,另外多分辨率特性在多个尺度上的刻画,可以在一定程度上降低形变对定量分析结果的干扰。经过试验验证,发现改进后的算法确实提高了定量分析结果的精度和鲁棒性。二是利用小波去噪方面的特性,对红外光谱吸光度谱图进行前期去噪处理,再使用目前应用较广泛的偏最小二乘方法定量分析水溶液成分。经过试验验证,发现小波去噪确实可以在一定程度上提高定量分析结果的精确度和鲁棒性。
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