- 华东理工大学杜一平课题组
杜一平,华东理工大学化学与分子工程学院教授,华东理工大学分析测试中心副主任,上海市“功能性材料化学”重点实验室副主任。杜一平教授一直致力于分子光谱方面的科研工作,主要包括近红外、红外、拉曼、荧光、紫外可见等光谱技术,同时还开展化学计量学算法方面的研究工作,并应用于分子光谱分析中,在光谱分析领域发表论文140余篇。近红外光谱分析是杜一平团队的主要研究方向之一,主要从事微量组分近红外光谱分析方法的探索、近红外光谱分析中化学计量学算法的研究,以及实际样品近红外光谱快速分析方法的研发,杜一平教授2006年获得BUCHI公司发起的近红外光谱将BUCHI NIR Award。
2010年10月13日-18日,杜一平团队成功组织承办了第三届全国近红外光谱学术会议和第二届亚洲近红外光谱学术会议。会议代表达300多人,来自中国、日本、韩国、泰国、印度、新加坡,以及美国、加拿大、欧洲和南非等国家。会议邀请在任的国际近红外光谱学会主席Pierre Dardenne博士,国际近红外光谱学会秘书长Marena Manley教授,国际近红外光谱学会下任主席Ana Garrido-Varo教授和亚洲近红外光谱协会主席Yukihiro Ozaki教授参加大会并作学术报告。
- 微量近红外光谱分析技术
本课题组针对近红外光谱分析技术检测灵敏度低的技术难点,构建了整体柱富集-近红外漫反射检测一体化分析系统,对水溶液中微量杀虫剂西维因进行检测。对10-50 mg/L浓度范围内的西维因,NIR光谱与西维因浓度的相关系数较好,单波长最高相关系数达到了0.9409,经波长选择和光谱预处理后,利用PLS建模,模型的平均相对预测误差为5.323%。在此基础上结合样品预富集技术,针对品种繁多、性能优良的颗粒、粉末状吸附材料,开发了一种流化床富集-近红外漫反射光谱检测一体化分析系统,并用于微量多环芳烃萘及金属离子 Cu2+的检测分析。所搭建的流化床富集装置结构简单,使用方便,能实现快速(富集 1 L 溶液仅需 20 min 左右)、均匀、稳定的富集,而且可实现无需洗脱的在线光谱检测。该方法大大提高了近红外光谱分析技术的灵敏度,拓展了应用范围,为食品安全和环境保护领域的快速筛查、现场检测提供了新的分析手段和方法。
进一步对静态和动态富集-近红外漫反射光谱法对微量组分检测能力进行评价,为样品预富集技术用于提高近红外光谱检测灵敏度的研究和应用领域,提供了重要的理论参考价值和实际指导意义,展示了更广阔的的前景。
仪器信息: Antaris II 近红外光谱仪(美国 Thermo Fisher 公司)
参考文献
[Zhang X, Ren Y L, Du Y P*, Li X Y. Chemom. Intell. Lab. Syst., 2013, 124:1-8. ]
[Zhang X, Du Y P*, Tong P J, Li W, Iqbal J, Wu T, Hu H L, Zhang W B. Chemom. Intell. Lab. Syst., 2014, 134:58-66.]
[Huang Z X, Tao W, Fang J J, Wei X M, Du Y P,Chemom. Intell. Lab. Syst., 2009, 98:195-200.]
- 化学计量学方法:SCARS
以变量的稳定性作为选择依据对竞争性自适应加权抽样方法(CARS)进行改进,发展了基于变量稳定性的竞争性自适应加权抽样法(SCARS)方法。该方法相较于常用的波长选择方法例如MWPLS,MCUVE等,能以较少的变量数与潜变量数获得更小的RMSECV与RMSEP值。同时由于该方法以变量的稳定性作为变量重要性指标可以很好地表征变量的重要性,避免无信息变量的干扰,选出具有化学意义的波段,并且能通过逐步删除的方法精选出较好的变量集,具有更强的建模能力。
目前该方法已成功地应用于近红外光谱对烟草尼古丁含量、玉米的湿度、小麦蛋白质含量、咖啡因含量等检测分析以及人类胚胎发育潜能的评价。
[Zheng K Y, Li Q Q, Wang J J, Geng J P, Cao P, Sui T, Wang X, Du Y P*. Chemom. Intell. Lab. Syst., 2012, 112(0):48-54.]
[Zhang X, Li W, Yin B, Chen W Z, Kelly D P, Wang X X, Zheng K Y, Du Y P*. Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy, 2013, 114(0):350-356.]
[Li W, Zhang X, Zheng K Y, Du Y P*. J. AOAC Int., 2015, in press]
[马雯婷, 郑开逸, 邵娟, 刘素英, 孙晓溪, 杜一平*. 化学通报. 2013, 76(1): 60-64]
- 化学计量学方法:分数阶导数的计算及其应用
本课题组将分数阶微积分与化学计量学相结合,发展了基于Riemann-Liouville定义的分数阶Savitzky-Golay求导方法。该方法是整数阶Savitzky-Golay求导的推广,且整数求导是其在阶次为整数情况下的特例。随着求导阶数的变化,分数阶导数光谱形状逐渐变化,将分数阶Savitzky-Golay求导应用于近红外光谱的预处理能够提升PLS的建模和预测能力,尤其对于非浓度指标如粘度、密度、硬度等,该方法的预测效果较整数阶求导法更好。基于分数阶导数的Savitzky-Golay计算过程简单且使用方便,具有很强的应用潜力。
[Zheng K Y, Zhang X, Tong P J, Yao Y, Du Y P*. Chin. Chem. Lett. 2015, In press]
- 近红外光谱鉴别南丰蜜桔的地理标志特征
南丰蜜桔被引种到很多不同地区,本工作采用近红外光谱为手段,对不同地区种植的南丰蜜桔进行判别分析,获得正宗南丰蜜桔的地理标志特征。
在成熟季节样品采摘于福建、广西、湖南,以及江西南城县、广昌县、南丰县的四个乡镇(白舍、包坊、洽湾、三溪)不同的果园。采用光纤探头沿赤道方向等间距在三个位置采集近红外光谱计算平均光谱。对每类南丰蜜桔样本按9:1 的比例,随机抽样组成校正集和预测集。系统研究和优化了光谱预处理方法,同时构造了尺寸可变移动窗口主成分分析(CSMWPCA)算法进行波长选择。该算法的基本思路是,宽带可变的窗口在整个光谱范围移动,在每个移动的窗口进行主成分分析(PCA),根据PCA结果计算总校正/预测正判率 。通过比较所以窗口计算的TR,选择最优的波长范围。该方法的优势在于,搜索窗口的尺寸是可变的,并且一定尺寸的窗口在全波段范围内是以固定的步长移动的,另外,除了定量的判别指标外,可视化的主成分得分图也可以形象地说明模型的优劣。
实验结果显示,所有的南丰蜜桔几乎可以完全分类,总的正判率达到校正集97.5%,预测集96.6%。
仪器信息:SupNIR-1000便携式近红外光谱仪 (聚光科技有限公司,杭州,中国),配有光纤探头漫反射附件,InGaAs检测器
参考文献
魏远隆, 尹昌海, 陈贵平, 黄洁, 张维冰, 杜一平,光谱学与光谱分析, 2013, 33(11): 3024-3027.
Xuan Zhang, Yiping Du, Peijin Tong, Yuanlong Wei, Man Wang. Journal of Innovative Optical Health Sciences, doi:10.1142/S179354581450028X.