光谱分析技术及应用doc.doc

第一章 绪论 第一节 光学分析的历史及发展 1．吸收光谱：由于物质对辐射的选择性吸收而得到的光谱。 2．发射光谱：构成物质的各种粒子受到热能、电能或者化学能的激发，由低能态或基态跃迁到较高能态，当其返回基态时以光辐射释放能量所产生的光谱。 第二章 光谱分析技术基础 第一节 电磁辐射与波谱 1．电磁辐射的波动性 （1）散射 丁铎尔散射和分子散射两类。 丁铎尔散射：当被照射试样粒子的直径等于或大于入射光的波长时。 分子散射：当被照射试样粒子的直径小于入射光的波长时。分为瑞利散射（光子与分子相互作用时若没有能量交换）和拉曼散射（有能量交换）。 （2）折射和反射 全反射：当入射角增大到某一角度时，折射角等于90，再增大入射角，光线全部反射回光密介质中，没有折射。 （3）干涉 当频率相同，振动方向相同，周相相等或周相差保持恒定的波源所发射的电磁波互相叠加时，会产生波的干涉现象。 （4）衍射 光波绕过障碍物而弯曲地向它后面传播的现象。 2．电磁波的粒子性 光波长越长，光量子的能量越小。 光子：一个光子的能量是传递给金属中的单个电子的。电子吸收一个光子后，能量会增加，一部分用来挣脱束缚，一部分变成动能。 3．物质的能态 当物质改变其能态时，它吸引或发射的能量就完全等于两能级之间的能量差。 从低能态到高能态需要吸收能量，是为吸收光谱，即吸光度对波长或频率的函数。 从高能态到低能态需要释放能量，是为发射光谱。 第二节 原子吸收光谱分析 1．当原子吸引能量的时候，按能量数量使核外电子从一级跃迁到另一级，这与吸收的能量有关。吸收能量的多少与原子本身和核外电子的状态有关。 第三节 分子吸收与光谱分析 1．分子吸收与原子的不同在于，分子还需要转动跃迁、振动跃迁、电子跃迁等几个能级。 2．朗伯-比尔（Lambert-Beer）法则：设某物质被波长为?、能量为的单色光照射时，在另一端输出的光的能量将出输入光的能量低。考虑物质光程长度为L中一个薄层，其入射光为，则其出射光为。假设光强的减少量与薄层中吸收成分的浓度c和入射光强度成比例，并进一步假定在物质内只发生光的吸收，没有反射、散射、荧光等其他现象发生（事实上一定会有），因此有微分方程 其中为比例常数。 对于初始条件入射光强，及光程长度L，所得出射光强为 令，则有 称为吸光系数，称为吸光度。可知吸光度与吸收成分的浓度和光程长度成正比，且当待测物质中包含有多种吸收成分时，总的吸光度等于各个吸收成分的吸光度之和，称为吸光度的加和性。 缺点：（1）假设光强的减少量与薄层厚度及吸收成分浓度成比例（其实可能是别的关系）。 （2）假设在物质内只发生光的吸收，没有反射、散射、荧光等其他现象发生（事实上一定会有）。 3．紫外与可见光谱应用举例——植物叶绿素分析 叶绿体=叶绿素+类胡萝卜素 叶绿素=叶绿素A（蓝绿色）+叶绿素B（黄绿色）（A：B=3：1） 叶绿素吸收光谱的最强吸收区有两个：波长范围为640~660nm的红光部分和430~450的蓝紫光部分。 类胡萝卜素=胡萝卜素（橙黄色）+叶黄素（黄色） 类胡萝卜素的吸收光谱的最大吸收带在蓝紫光部分。 根据前述的朗伯-比尔（Lambert-Beer）法则和吸光度的加和性来进行测量。 4．近红外光谱的测定 透射光谱 反射光谱 漫反射光谱 近红外漫反射光谱实例（典型谷物）以及构成它们的主要成分水、蛋白质、脂肪和淀粉的。 第三章 光谱数据处理方法及多变量解析 第一节 光谱数据处理概述 1．光谱的复杂性：多重共线性、吸光度的非线性、基线变动和附加散射变动、其他变动 2．数据处理流程：前处理、标定（建模）、辅助解析法、精度评价 第二节 光谱数据的预处理 预处理：剔除异常样品、消除噪声、挑选波长变量与谱区范围 光谱数据的平滑：卷积平滑、FFT滤波、小波滤波、 光谱数据的微分：一次微分光谱和二次微分光谱 光谱数据的正规化处理 第三节 光谱数据的线性回归分析 一元、多元、主成分回归分析、偏最小二乘回归分析 第四节 模型精度的评价 相关系数法 回归参数检验法 残差标准差和残差平均值 异常点的判定 第五节 非数值特性的标定方法 贝叶斯判别方法的原理 聚类分析 第四章 光谱分析在作物栽培管理中的应用 第一节 作物的光谱特征 1．350~490 nm波段 380nm波长附近为大气的弱吸收带 400~450 nm波段为叶绿素的强吸收带 425~490 nm为类胡萝卜素的强吸收带 在这一波段，反射光谱曲线具有很平缓的开头和很低的数值。 2．490~600 nm波段 490~600 nm是类胡萝卜素的次强吸收带， 530~590 nm是藻胆素中藻红蛋白的主要吸收带。 3．600~700 nm波段 。。。。 第二节 基于光谱分析的作物营养成分含量预测 1．基于光谱分析的温室黄瓜含氮量的预测：计算了光谱反射率