红外光谱分析数据特征指纹的可视化表达方法-医学期刊.PDFVIP

( ) 第 30 卷 分析化学 FENXI HUAXUE 　研究报告 第 12 期 　　　　　 　 　　　　 　　　　　　 　 　　　 2002 年 12 月 Chinese Journal of Analytical Chemistry 1426～1430 红外光谱分析数据特征指纹的可视化表达方法 程翼宇 　余　杰　吴永江 (浙江大学制药工程研究所 ,杭州 310027) 摘 　要 　提出一类红外光谱分析数据特征指纹的可视化表达方法。该方法采用基于贝叶斯准则的多元统计 方法对原始数据进行投影变换 ,再以二维灰度图对变换后数据进行可视化表征 ,形成基于计算机图像的虚拟 化学指纹图谱。将其用于鉴别 3 种不同产地中药当归样品的结果表明 ,它能有效提取红外光谱分析数据的特 征指纹 ,实现以虚拟指纹图谱对药材产地的分类鉴别 ,从而为辨识复杂化学物质体系提供了新的技术手段。 关键词 　红外光谱分析 ,数据可视化 ,中药材鉴别 ,虚拟指纹图谱 1 　引　　言 随着以色谱、光谱及质谱等为核心的现代仪器分析技术发展 ,分析化学经历了巨大的变革1 。信息 技术的发展促进了计算机与分析仪器的结合 ,通过计算机数据采集系统可以获取大批量化学量测数据。 然而 ,与此同时也带来了一个严重的问题 :庞大的分析数据集过于抽象 ,缺乏直观而形象的整体表征 ,超 越了人们的感观辨识和规律发现能力。 当物质分子结构有细微差异时 ,在红外光谱指纹区内就会引起光谱吸收的明显变化。物质分子的 红外吸收峰在这一区域内特别多 ,就如同人的指纹一样稠密 ,并具有显著的特征性 ,这种特征指纹可用 于相似物的分类鉴别2 。但当分析体系较复杂时 ,若直接采用原始红外光谱图进行对象辨识将非常困 难 ;而由计算机采集的谱图数据不仅数量庞大 ,而且十分抽象 ,不利于人们直观理解 ,从而导致其难以实 现分析试样的视觉分类鉴别。 近年来 ,数据可视化技术迅速兴起 ,并成为多学科的研究热点。运用该技术可将科学实验的大规模 量测数据通过图形或图像处理技术转化为可视的、易于人们理解的直观信息 ,从而更好地进行隐含规律 的发现3 。本文研究红外光谱分析数据特征指纹的可视化表征方法 ,使用多元统计方法对巨量分析数 据进行数据空间降维和压缩 ,从中抽提出红外指纹特征信息 ,并表达为可用来对相似物进行直观分类鉴 别的计算机模式特征图像 ,从而实现由原始红外光谱图到基于模式特征图像的虚拟指纹图谱的变换。 以中药材当归的产地分类鉴别为研究实例,将该方法应用于复杂化学物质体系的辨识中 ,结果表明 ,它 可有效地提取复杂化学物质的特征指纹 ,实现基于虚拟指纹图谱的中药材质量的直观分类与鉴别。 2 　原理与方法 2. 1 　计算机模式特征图像构建原理 通过对原始红外光谱分析数据提取指纹特征 ,并可视化表达为包含物质内在化学信息的计算机模 式特征图像 ,可将原始红外光谱图变换为虚拟特征指纹图谱。本文采用二维灰度图对红外光谱分析数 ( ) 据进行计算机模式特征图像的构建 ,将数据矩阵中的各行向量 代表不同药材样品 分别表征为反映各 药材内在化学信息的平面灰度图。由于计算机中的灰度级是存储为0 ,1 间的浮点数 ,故可将数据矩阵 先作中心化和标准化处理 , 以转换到0 ,1 区间内。然后 ,将各数值映射为连续变化的灰度级 , 以灰度的 深浅来表征数值的大小 ,从而可用直观的视觉变化来替代抽象的数值变化。 本文在对红外光谱分析数据进行模式特征图像构建时 ,将所检测的各波数点按其序号对应为二维 灰度图 X 轴上的各整数坐标 ,那么各药材样品在这些波数点上的量测值映射为各整数坐标位置的灰度 深浅 ,而 Y 轴为参照性的辅助坐标轴 ,沿该方向采用等灰度投影 ,从而