آزمایشگاه فناوری اندازه گیری بیوم ، دانشکده فارغ التحصیل علوم کشاورزی ، دانشگاه کوبه ، کوبه ، ژاپن ، انستیتوی صلاحیت محصولات غذایی و کشاورزی ، دانشکده علوم کشاورزی و محیط زیست ، دانشگاه کاپوسوار ، کاپوسوار ، مجارستان

آزمایشگاه فناوری اندازه گیری بیوم ، دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم کشاورزی ، دانشگاه کوبه ، کوبه ، ژاپن ، گروه فیزیک و کنترل ، دانشکده علوم غذایی ، دانشگاه کورونوس بوداپست ، بوداپست ، مجارستان

آزمایشگاه فناوری اندازه گیری بیوم ، دانشکده تحصیلات تکمیلی علوم کشاورزی ، دانشگاه کوبه ، کوبه ، ژاپن

ارزیابی سیگنال های طیفی برای شناسایی خطای طیفی

• جورج بازار ،
• Zoltan Kovacs ،
• رومایانا تسنکووا

• منتشر شده: 5 ژانویه 2016
• https://doi. org/10. 1371/journal. pone. 0146249

• نظرات خواننده

ارقام

چکیده

از آنجا که میزان دقت و دقت یک مدل شیمیایی بسیار تحت تأثیر کیفیت داده های طیفی خام است ، ارزیابی طیف های ضبط شده و توصیف مناطق نادرست قبل از تجزیه و تحلیل کیفی و کمی یا تکلیف باند بسیار مهم است. در این مقاله مجموعه ای از روشهای اساسی تحلیلی طیفی ارائه شده و کاربرد آنها در تشخیص خطاهای داده های مادون قرمز نزدیک را نشان می دهد. روشهای ارزیابی بر اساس انحراف استاندارد ، ضریب تغییر ، میانگین مرکز و تکنیک های هموار سازی ارائه شده است. برنامه های مشتقات با اندازه های مختلف شکاف ، حتی در زیر باند طیف سنج ، نشان داده شده است که سطح خطاهای طیفی را ارزیابی کرده و منشأ آنها را پیدا می کند. امکان اندازه گیری محتاطانه منطقه سومین بیش از حد آب نیز با ارزیابی داده های پیچیده ثبت شده با طیف سنج های مختلف برجسته می شود.

استناد: Bazar G ، Kovacs Z ، Tsenkova R (2016) ارزیابی سیگنال های طیفی برای شناسایی خطای طیفی. PLOS ONE 11 (1): E0146249. https://doi. org/10. 1371/journal. pone. 0146249

سردبیر: جورج-جان نیچاس ، دانشگاه کشاورزی آتن ، یونان

دریافت: 10 ژوئیه 2015 ؛پذیرفته شده: 15 دسامبر 2015 ؛منتشر شده: 5 ژانویه 2016

کپی رایت: © 2016 Bazar et al. این یک مقاله دسترسی آزاد است که تحت شرایط مجوز انتساب Creative Commons توزیع شده است ، که اجازه استفاده ، توزیع و تولید مثل بدون محدودیت را در هر رسانه ای می دهد ، مشروط بر اینکه نویسنده و منبع اصلی اعتبار داشته باشند

در دسترس بودن داده ها: نویسندگان تأیید می کنند که تمام داده های اساسی یافته ها بدون محدودیت کاملاً در دسترس هستند. تمام داده های خام این مطالعه و داده های خام اضافی برای پشتیبانی از بیانیه ها در پرونده S1 موجود است.

بودجه: این کار توسط انجمن ژاپن برای ارتقاء علوم (http://www. jsps. go. jp/english/) پشتیبانی شد ، شماره کمک مالی P12409 (GB). سرمایه گذار هیچ نقشی در طراحی مطالعه ، جمع آوری داده ها و تجزیه و تحلیل ، تصمیم به انتشار یا تهیه نسخه خطی نداشت.

منافع رقابتی: نویسندگان اعلام کرده اند که هیچ منافع رقابتی وجود ندارد.

معرفی

روشهای شیمیایی پیچیده تر و پیچیده تری برای یافتن مدل مناسب برای پیش بینی پارامترهای فیزیکی یا شیمیایی نمونه های مورد بررسی بر اساس طیف مادون قرمز نزدیک (NIR) آنها استفاده می شود. با این حال ، کاربرانی که پردازش داده ها را انجام می دهند و شیمی سنجی اغلب طیف ها را عاری از خطا می دانند ، بنابراین اهمیت بررسی داده های خام را دست کم می گیرند و آن را با آزمایش هایی که می توانند مناطق طیفی را که ممکن است سطح بالایی از سر و صدا داشته باشند ، ارزیابی کنند. رتبه بندی سطح سر و صدا و مشخص کردن فواصل پر سر و صدا ممکن است حتی وقتی هدف تجزیه و تحلیل داده های بسیار مفصلی با انتساب باند باشد ، یا هنگامی که تفاوت های کوچک بین طیف ها مورد بررسی قرار می گیرند ، مهمتر می شوند ، بنابراین ، طیف های دقیق و دقیق مورد نیاز است. داده های نادرست از یک منطقه خاص ممکن است به شدت بر نتیجه یک تحولات طیفی (به عنوان مثال استاندارد عادی ، SNV) در کل طیف تأثیر بگذارد و می تواند تأثیر زیادی بر دقت و صحت نهایی یک مدل پیش بینی یا طبقه بندی اجرا کند [1].

به طور کلی ، نویز به معنای خطای تصادفی در داده های اندازه گیری شده است. خطای کلی شامل سیگنال های تصادفی و/یا مغرضانه است که هیچ اطلاعات مفیدی ندارند و ممکن است بر دقت و صحت نتایج تأثیر بگذارد. خطاهای مغرضانه اغلب خطرناک تر از سر و صدای تصادفی هستند ، زیرا دقت ممکن است عالی باشد ، اما هنوز هم منعکس کننده تغییر مداوم در سیستم است [2]. به گفته ویلیامز و نوریس [2] ، خطاها تفاوت بین مقادیر NIR محاسبه شده یا اندازه گیری شده و مقادیر واقعی هستند و می توانند در هر دو طول موج و مقادیر جذب رخ دهند. نویسندگان پیش بینی اعلام می کنند که خطاها اجتناب ناپذیر هستند ، بنابراین بهترین کار این است که اطمینان حاصل شود که آنها به طور دقیق کنترل و به حداقل می رسند و کاربران باید محدودیت های هر ساز را بپذیرند. در کتاب ارزشمند آنها ، یک فصل کامل به خطاهای مرتبط با ابزار ، نمونه ، عوامل عملیاتی یا خارج از کشور اختصاص یافته است [2]. تکنسین های NIR باید از روشهای ارائه شده توسط تولید کنندگان برای آزمایش این خطاها آگاه باشند و آنها را در حد مجاز نگه دارند تا نسبت سیگنال به نویز را ارائه دهند.

از این گذشته ، بسیار خوب است که وجود مداوم خطاهای کوچکتر یا بزرگتر را در نظر داشته باشید. گاهی اوقات حتی اصطلاح "سر و صدا اطلاعات مفیدی ندارد" با شکست مواجه می شود. دقیقاً دانستن ماهیت سر و صدا یا خطاهای مغرضانه می تواند در یافتن دلایل واقعی خطا به خود کمک کند و در صورت امکان این منابع را درمان کنید. در واقع این یک روش بسیار جالب و مهم برای یافتن و توصیف خطاها در یک جمعیت معین از طیف نمونه است. بسته های نرم افزاری راه حل های آماده استفاده را برای این کارها ارائه نمی دهند ، بنابراین کاربران باید ابزارهای ممکن را ارزیابی و ترکیب کنند. نوریس و دیگران در چندین مقاله به مسئله خطاهای طیفی پرداختند [2-10]. این مقاله خلاصه ای از این مواد را ارائه می دهد و نتایج حاصل از طیف تست روشهای سریع توصیف شده را نشان می دهد. رویکرد عملی این است که به دنبال منشأ یک سیگنال مداوم اما به خوبی درک نشده در داده های طیفی برخی از نمونه ها باشد.

هدف از این کار جمع آوری و توصیف استفاده آسان روشهای اندازه گیری و ارزیابی داده ها برای تشخیص نویز است و تصمیم می گیرد که آیا یک سیگنال مشخص در طیف های کاربردی ضبط شده توسط یک طیف سنج خاص اشتباه یا صحیح است.

مواد و روش ها

دانش پیش زمینه

به عنوان یک انگیزه برای تحقیق حاضر ، نویسندگان طیف هایی از محلول های آبی نمونه های بیولوژیکی را به دست آوردند و در یافتن معنای برخی از دامنه های طول موج خاص (نتایج منتشر نشده) کار کردند. منطقه بین 700-800 نانومتر که به عنوان 3 صعود از آب ( O-H) در نظر گرفته شده است ، جالب ترین از همه جالب است ، بنابراین یافتن الگوی مشخص برای گروه های مختلف نمونه ها با استفاده از این بازه طیفی انجام شد. منطقه مورد بررسی در مرز طیف سنجی قابل مشاهده (VIS) و NIR قرار دارد و سیگنال هایی از ارتعاشات مولکولی و انتقال الکترونی را ارائه می دهد. به نظر می رسید داده ها در طول طیف دقیق هستند و هیچ کس تصور نمی کرد که در هر بخشی از سری داده ها مشکلی پیش آمده است. بعداً ، متوجه شد که جذب اطراف منطقه طول موج ذکر شده ویژگی های بسیار جالبی را نشان می دهد که به جای سیگنال های مفید خطایی را نشان می دهد. بنابراین ، روش هایی برای بررسی اینکه آیا سیگنال های مفید اندازه گیری شده اند ، یا برخی از خطاهای طیفی مشاهده شده است که به طور تصادفی در منطقه آب ظاهر می شود ، مورد نیاز بود. بر این اساس ، طیف های آب خالص و هوای خالی با طیف سنج مورد استفاده در آزمایش فوق (6500-A ، در زیر مشاهده می شود) و با سایر طیف سنج ها برای مقایسه اندازه گیری شد.

ابزار دقیق و نرم افزار

سه طیف سنج در آزمایشات شرح داده شده در زیر وجود دارد. دو مدل Nirsystems 6500 (Foss Nirsystems ، Inc. ، Laurel ، MD ، USA) مجهز به ماژول حمل و نقل نمونه (STM) (6500-A و 6500-B) استفاده شد ، و هر طیف انتقال را در کل منطقه طیفی ضبط می کند (400-2500NM) ، در مراحل طیفی 2NM ، با باند اسمی 10 نانومتر ، به عنوان میانگین 32 اسکن پی در پی. علاوه بر این ، طیف سنج FOSS-XDS (Foss Nirsystems ، Inc. ، Höganäs ، سوئد ، اخیراً Metrohm Nirsystems AG ، Herisau ، سوئیس) با ماژول آنالایزر سریع مایع (RLA) مورد استفاده قرار گرفت و طیف های انتقال در محدوده 400-2500 نانومتر ثبت شد، در مراحل طیفی 0. 5 نانومتر ، با باند اسمی 8 نانومتر ، به عنوان میانگین 32 اسکن پی در پی. طبق روال روزمره آزمایشگاه واقعی ، طیف سنج ها خاموش نشده اند ، فقط لامپ در روزهایی خاموش شد که هیچ اندازه گیری ای انجام نشد.

NSA (نرم افزار تجزیه و تحلیل طیفی Nirsystems ، نسخه 3. 53 ، Foss Nirsystems ، Inc. ، Laurel ، MD ، USA) برای کار با مدل 650 0-A و ضبط طیف انتقال (Log t-1) استفاده شد. پس از یک ساعت گرم شدن یک ساعت ، آزمایش نویز NSA در هر روز اندازه گیری قبل از کسب طیف ، در مناطق VI (400-1100 نانومتر) و NIR (1100-2500 نانومتر) به طور جداگانه انجام شد. اپراتورهای با استفاده از این طیف سنج فقط در ابتدای سری اندازه گیری طیف مرجع را گرفتند ، بنابراین ، هیچ اسکن مرجع بین اسکن نمونه ها ذخیره نشد. در حین ضبط طیف مرجع اولیه ، از کل منطقه طیفی استفاده شد و استانداردهای مرجع داخلی طیف سنج اندازه گیری شد که با خطی سازی پیوست ، همانطور که در تنظیمات NSAS تنظیم شده است.

در مورد مدل‌های 6500-B و XDS، کسب طیف‌های عبوری (logT-1) با نرم‌افزار VISION 3. 5 (FOSS NIRSystems, Inc., Höganäs، سوئد) انجام شد و طیف‌های مرجع در هر نمونه ثبت شد. تست‌های عملکرد موفقیت‌آمیز VISION پس از یک ساعت گرم کردن قبل از اندازه‌گیری به دست آمد. با توجه به XDS، مرحله طیفی ثبت شده 0. 5 نانومتر به گام 2 نانومتری تبدیل شد تا داده‌های قابل مقایسه با مدل‌های 6500 در طول مشتقات با اندازه‌های شکاف یکسان بدست آید. در طول فرآیند تبدیل، مقادیر جذب در طول موج‌های زوج با میانگین هر چهار متغیر طیفی در طول طیف محاسبه شد.

مایکروسافت اکسل 2010 (شرکت مایکروسافت، ردموند، WA، ایالات متحده آمریکا) برای تفریق و برای محاسبه انحراف استاندارد و ضریب تغییرات استفاده شد. Unscrambler 9. 7 (CAMO Software AS، اسلو، نروژ) برای پردازش بیشتر داده ها با استفاده از مشتقات شکاف نوریس [11] با اندازه های شکاف مختلف در تبدیل های مشتق استفاده شد. لازم به ذکر است که نتایج ممکن است با نتایج ارائه شده در زیر زمانی که با روش های دیگر مشتقات (مشتقات بخش شکاف، یا مشتقات ساویتسکی-گولای) به دست می آیند متفاوت باشد. به نظر نویسندگان، روش مشتقات شکاف نوریس ساده‌ترین ابزاری است که برای ارزیابی‌های توصیف‌شده استفاده می‌شود، بنابراین، در تمرکز این مقاله قرار دارد. متناوبا، پس از تنظیم تنظیمات سایر روش‌های تبدیل، می‌توان به نتایج ثابتی دست یافت و همان نتیجه‌گیری را انجام داد.

طراحی تجربی

طیف‌های آب میلی‌پور (رسانایی 18 MΩ·cm، Direct-Q، Millipore، Molsheim، فرانسه) در طول آزمایش‌های تکرارپذیری و تکرارپذیری، با استفاده از مدل 6500-A ثبت شد. برای ثبت طیف عبوری هر نمونه آب از یک کووت مایع 1 میلی‌متری باز استفاده شد. همان کووت آب در آزمون تکرارپذیری به طور مداوم در فواصل 40 ثانیه اسکن شد، در حالی که در آزمایش تکرارپذیری آب از کووت ریخته شد و در هر اسکن دوباره پر می شد و فاصله اسکن 2 دقیقه بود. هر کووت تازه پر شده از آب (1±25 درجه سانتیگراد) در نگهدارنده کووت (30 درجه سانتیگراد) STM برای 1 دقیقه انکوباسیون قبل از اولین اسکن قرار داده شد تا تغییرات دما به حداقل برسد. ده طیف در هر دو آزمون ثبت شد.

هوای خالی با مدل 6500-A با همان تنظیماتی که در تست های تکرارپذیری انجام شد، اما بدون هیچ کووتی در نگهدارنده نمونه ثبت شد.

آزمایش‌های اضافی برای اندازه‌گیری طیف‌های آب میلی‌پور در دماهای مختلف بین 30 تا 60 درجه سانتی‌گراد، با استفاده از مدل‌های 6500-A، 6500-B و XDS، با تنظیمات فردی توصیف‌شده انجام شد. در هر طیف‌سنج، آب پر شده در کووت مایع 1 میلی‌متری با پوشش بالایی در طول آزمایش با استفاده از نگهدارنده کووت تنظیم‌شده حرارتی STM (در 6500 مدل) یا ماژول RLA (در مدل XDS) گرم شد و دمای واقعی نمونه ثبت شد. در اکتساب هر طیف

نتایج و بحث

ارزیابی انحراف معیار و ضریب تغییرات

در مقاله اخیر فیل ویلیامز [10] سودمندی انحراف استاندارد (SD) و ضریب تغییرات (CV) را ذکر می کند، که در آن CV نسبت SD را به میانگین داده های طیفی بیان می کند. او همچنین پیشنهاد می‌کند که SD را برای اسکن‌های مکرر یک نمونه زمانی که هر بار دوباره پر می‌شود، و برای اسکن‌های متوالی یک نمونه جداگانه محاسبه کنید. این مقادیر SD به ترتیب تکرارپذیری اندازه‌گیری و تکرارپذیری ابزار را توصیف می‌کنند.

طیف های خام و میانگین تست های تکرارپذیری و تکرارپذیری انجام شده با طیف سنج 6500-A با استفاده از آب در شکل 1 نشان داده شده است. اختلاف قطعی در حدود 750 نانومتر و همچنین در اوج آب 970 نانومتر وجود دارد. آب در طول آزمایش تکرارپذیری دوباره پر شد ، بنابراین بر خلاف آزمایش تکرارپذیری که در آن اسکن مکرر از همان آب می تواند باعث تغییر دما شود ، زمان گرم شدن را ندارد.

الف) طرح 10 طیف برای تست های تکرارپذیری و تکرارپذیری ، به ترتیب (جبران برای تجسم) و ب) میانگین طیف دو آزمایش.

نمودارهای SD دو آزمایش در شکل 2A نشان داده شده است. مشاهده می شود که SD از تست تکرارپذیری در طول طیف بیشتر است ، زیرا نمونه های آب در هر اسکن تغییر یافته است ، قرار دادن کوارت نیز ممکن است باعث ایجاد برخی تغییرات اضافی در هندسه شود و فاصله اسکن به جای 40 ثانیه 120 ثانیه بود، ایجاد تفاوت آشکار در پایه طیفی (بعداً در طیف هوا مشاهده کنید). تأثیر تعامل با نور آب و گرم شدن مداوم آب در طول اسکن های متوالی اندازه گیری های تکرارپذیری باعث انحراف کمتر حتی در اوج آب 1450 نانومتر ، از نوسانات در طول آزمایش تکرارپذیری.

الف) توطئه های SD و ب) توطئه های CV از تست های تکرارپذیری و تکرارپذیری به ترتیب با 10 اسکن انجام می شود.

قله های SD بسیار قوی آزمون تکرارپذیری در 740 و 770 نانومتر در صورت تست قابلیت تکرارپذیری ظاهر نمی شوند (شکل 2A). از آنجا که نوارهای جذب با پهنای باند باریک در منطقه طول موج کوتاه ظاهر می شوند و تعامل نور ممکن است باعث ایجاد تغییرات قابل توجهی در الگوی طیفی آب شود ، می توان انتظار داشت که برخی از تغییرات ناشی از نور در طول اسکن متوالی آزمایش تکرارپذیری مشاهده شود ، که بدیهی است که در آن وجود نداردمورد آزمایش تکرارپذیری. از طرف دیگر ، اگر از آینده نگر خطای طیفی به پرونده نزدیک شویم ، عدم تغییر طیفی و قله های SD گمشده از آزمون تکرارپذیری لزوماً به معنای این نیست که یک خطا فقط در هنگام کسب طیف های متوالی ظاهر می شود. ممکن است خطا نیز در مورد نمونه های پر شده ظاهر شود ، اما سیگنال اشتباه حاصل می تواند تنها با یک جهت روبرو شود ، به عنوان مثال. به سمت پایین در طیف ، به جای تست تکرارپذیری ، جایی که منجر به قله های مثبت و منفی به طور تصادفی شد. چنین خطای مغرضانه آزمایش تکرارپذیری ممکن است دقت عالی (دقیقاً داده های اشتباه) را نشان دهد ، با این حال ، این نشان دهنده یک تغییر مداوم و نادرست در سیستم است [2].

شکل 2B توطئه های CV را برای تست ها نشان می دهد ، و نمودار تکرارپذیری مشکل منطقه 700-800 نانومتر را برجسته می کند. از آنجا که CV SD نسبی را توصیف می کند ، می بینیم که مشکل این منطقه ، جایی که جذب هنوز هم بسیار کم است ، تأثیر بسیار بیشتری نسبت به سایر نوسانات طیف در طول موج های طولانی تر دارد که در آن میزان جذب به طور قابل توجهی بیشتر است.

تغییرات ساختاری آب ناشی از مقاربت آب سبک منجر به "تغییر آبی" طیف ها در قله های آب در طول اسکن متوالی شد [12،13]. یک شکل معمولی در شکل 2 ، در 1442 نانومتر وجود دارد. قطره شدید SD و CV که توسط قله های بزرگ احاطه شده است ، نشان دهنده موقعیت نقطه ایزوسبستیک طیف ها در نزدیکی قله آب 1450 نانومتری است که در افزایش درجه حرارت به طول موج پایین منتقل می شود. بدیهی است که SD و CV در این منطقه زیاد هستند ، اما در نقطه عبور تقریباً صفر هستند. تغییر دما به دلیل تغییر در مراحل ارتعاش حساس به دما از O-H-H- پیوند دهنده آب آزاد یا هیدروژن است ، یعنی با افزایش دما ، ارتعاشات O-H آزاد افزایش می یابد و ارتعاشات O-H پیوند می یابد-سیگنال های همپوشانیاین پیوندها در زیر قله 1450 نانومتر قرار دارند [14،15].

کم کردن طیف متوسط (میانگین مرکزیت)

با توجه به طیف تست تکرارپذیری (شکل 1A) ، هیچ چیز عجیبی و خرابی های آشکار مشاهده نمی شود. اما نگاهی دقیق تر به تست تکرارپذیری چیز دیگری را نشان می دهد (شکل 3A). این ده طیف آب به طور متوالی ثبت شد ، بدون اینکه آب را در Cuvette تغییر داد. در مورد نگاه اول ، ممکن است به راحتی چیزی عجیب و غریب مشاهده کند. همانطور که قبلاً توسط تست های SD و CV برجسته شده است ، منطقه 700-800 نانومتر نوسانات بسیار خوبی را نشان می دهد. تفاوت جزئی در اوج 970 نانومتر ممکن است مربوط به تغییر دما در هنگام اسکن مکرر باشد. منطقه 750 نانومتر همچنین می تواند با این اثر ارتباط داشته باشد ، اما سطح اختلافات شدید است.

الف) طیف 10 اسکن متوالی آب (تست تکرارپذیری) و ب) میانگین طیف محور اسکن ها.

حتی اگر به نظر می رسد منطقه طیفی 700-800 نانومتر در این ابزار نادرست است ، برخی از سؤالات بوجود می آیند: چه عواملی باعث این نقص می شود؟چرا ما این نقص را در آزمایش تکرارپذیری نمی بینیم؟آیا سیگنال ها یا خطای خوبی می بینیم؟برای کمک به پاسخ به این سؤال اخیر ، می توان میانگین جمعیت طیفی را از همه افراد محاسبه و تفریق کرد. در این مورد ، داده های خام نشان می دهد که نتیجه میانگین مرکزیت قله های بسیار قوی در فاصله 700-800 نانومتر ، درست همانطور که شکل 3B نشان می دهد. همچنین می توانیم توجه داشته باشیم که اوج داده شده در 770 نانومتر بسیار تیز است ، تقریباً با باند طیف سنج (10 نانومتر) یکسان است. اگر این یک سیگنال واقعی بود ، از آنجا که جاذب باید در این موقعیت اوج قوی و تیز داشته باشد ، در غیر این صورت پهنای باند نشان داده شده سیگنال فقط به دلیل باند نسبتاً گسترده طیف سنج بسیار گسترده تر خواهد بود. نوریس [4] این مسئله را عمیقاً بررسی کرد و تعامل بین باند ساز ، نویز ، پهنای باند جاذب و خطای کالیبراسیون را توصیف کرد. طیف اختلاف همچنین انحراف را در حدود اوج آب 970 نانومتر نشان می دهد (بیش از حد O-H -H) که ممکن است تأثیر تغییر دما باشد ، زیرا طیف اختلاف فقط نشان دهنده نویز نیست. علاوه بر این ، با نگاهی به توطئه های تفاوت ، به نظر می رسد که بین منطقه 970 نانومتر و 700-800 نانومتر شباهت هایی وجود دارد. آیا این بدان معنی است که منطقه 700-800 نانومتر بی عیب و نقص است و اطلاعات مفیدی در مورد آب ارائه می دهد؟آزمایش های بیشتر برای پاسخ به این سوال لازم است.

کم کردن طیف صاف

تست های فوق در مورد خطاهای دارای تصادفی حساس هستند و به عنوان سر و صدا در نظر گرفته می شوند. اما آنها به سختی می توانند خطای سیستماتیک را که تصادفی کمتری دارد نشان دهد و با همان شکل در همه طیف ها ظاهر می شود ، با این حال ، مقادیر جعلی را در مواد مورد بررسی فراهم می کند.

نوریس [3] هنگام استفاده از صافی Savitzky-Golay (SG) [16] برای تشخیص سر و صدا ، نگاهی دقیق تر به سر و صدا انداخت. با توجه به این رویکرد ، طیف صاف از حالت اصلی کم می شود. یکی از بهترین مزایای این روش این است که سر و صدا نه تنها برای یک جمعیت بلکه برای یک طیف واحد قابل محاسبه است. شکل 4A با استفاده از 9 نقطه هموار سازی و چند جمله ای مرتبه دوم ، طیف های کم نظیر و SG صاف شده را نشان می دهد. قله های بسیار تیز نشان دهنده خطای سیستماتیک در منطقه طول موج کوتاه هر اسکن ، کاهش به طول موج بالاتر ، و حدود 750 نانومتر نمودار شروع به ضخیم شدن می کند ، که به طور تصادفی با یک دامنه نسبتاً زیاد ظاهر می شود. لازم به ذکر است که با استفاده از هموار سازی متوسط حرکت ، به جای صاف کردن SG با چند جمله ای ، نتیجه بسیار متفاوتی را در نقاط خاص ارائه می دهد ، دقیقاً همانطور که در نمودار کوچک در شکل 4a نشان داده شده است. اگر اوج وسیع تری داشته باشیم ، مانند سیگنال های آب در نوارهای بیش از حد و 1 ST Overtone و ترکیبی ، و آن را با میانگین حرکت صاف می کنیم ، سپس مقادیر جذب پایین تر ظاهر می شود و اوج حتی گسترده تر می شود. بنابراین ، از لحاظ تئوریکی ما باید قله هایی را در طیف نویز مبتنی بر صاف در اطراف سیگنال های واقعی دریافت کنیم-هرچند که این قله ها شکل کاملاً متفاوتی با سر و صدای منظم دارند. ما همچنین می توانیم همان "سر و صدای جعلی" را در نمودار نویز حاصل از هموار سازی SG ، اما با دامنه بسیار کمتری مشاهده کنیم.

الف) طیف نویز مبتنی بر صاف از 10 اسکن متوالی آب (تست تکرارپذیری) و ب) طرح سر و صدای تجمعی.

سر و صدایی احتمالی مناطق مختلف طول موج را می توان با شمارش نویز تجمعی در طول طیف ، یعنی جمع بندی مقادیر مطلق (یا مربع) صداهای برخی از اسکن ها در هر طول موج ارزیابی کرد. شکل 4B نشانگر تجمعی شمارش شده با مقادیر مطلق از نسخه Savitzky-Golay از شکل 4A را نشان می دهد ، و منطقه 770 نانومتر اوج بسیار شدید را فراهم می کند.

سر و صدای تجمعی نه تنها برای طول موج ، بلکه برعکس ، برای هر اسکن قابل شمارش است. بر این اساس ، صداهای مطلق (یا مربع) کل دامنه طول موج کامل می شود. این اندازه گیری می تواند به انتخاب اسکن های پر سر و صدا کمک کند ، که یک مرحله مهم به عنوان مثال است. در صورت وجود دستگاه های دستی یا مانیتورینگ تولید طیف هایی که با سر و صدای قابل توجهی در شرایط خاص بارگذاری می شوند.

استفاده از مشتق چهارم با اندازه های مختلف شکاف

مزایای مشتقات محاسبه شده با اندازه شکاف های مختلف توسط نوریس [5] و نوریس و دیویس [9] با استفاده از داده های مصنوعی و طیف های واقعی NIR نشان داده شد. این نتایج نشان داد که یک شکاف کوچک باعث افزایش سیگنال جاذب های باند باریک بر روی جاذب های باند پهن می شود و شکاف های بزرگتر باعث افزایش سیگنال های جاذب باند پهن می شوند ، در حالی که می توانند آن را از جاذب های باند باریک تحریف کنند. کارل نوریس [17] با استفاده از مشتقات مجموعه داده حاضر نیز توصیه می شود. وی گفت: تغییر در شکاف یک مشتق به شناسایی پهنای باند یک باند در طیف کمک می کند ، بنابراین به تعیین آنچه باعث ایجاد گروه مورد نظر می شود کمک می کند: ابزار ، محیط ، نمونه؟این برای مشتق اول ، دوم ، سوم و چهارم صادق است ، اما به نظر می رسد که مشتق چهارم کارآمدترین است.

شکل 5 نتایج به دست آمده با مشتقات چهارم را با استفاده از اندازه های مختلف شکاف خلاصه می کند. می توان دید که چگونه مشتق چهارم شکل قله ها را اصلاح می کند. طیف ها در باند آب به خوبی تعریف شده در منطقه 960 نانومتر ، در همه موارد خوب و سالم هستند. و ما می توانیم نمودارهای درهم و برهم از فاصله 700-800 نانومتر را مشاهده کنیم ، جایی که طیف ها با بیشترین تنوع بی ثباتی را نشان می دهند. مناطق طیفی که دارای توطئه به عنوان خطوط همپوشانی هستند ، ثبات را نشان می دهند ، اما این منطقه برای منطقه 700-800 نانومتر نیست. این نشان می دهد که ابزار در این طول موج داده های صحیح ارائه نمی دهد.

طیف چهارم مشتق از 10 اسکن متوالی آب (تست تکرارپذیری) تهیه شده با اندازه شکاف های مختلف (سطوح مختلف جبران برای تجسم استفاده شد).

طبق توضیحات کارل نوریس [17] ، اگر نگاهی به نمودارهای مشتق چهارم تهیه شده با شکافهای بزرگتر بیندازیم ، می توانیم ببینیم که طیف ها در منطقه 700-800 نانومتر هیچ شباهتی با باند آب در 960 نانومتر نشان نمی دهندوادهمچنین ، اوج در 960 نانومتر هیچ تغییر دما را نشان نمی دهد ، فقط تغییر ناشی از نویز ابزار است. اگر به نمودارهای انجام شده با شکاف های 2 یا بیشتر نگاه کنیم ، می توانیم تأثیر ذکر شده در بالا را مشاهده کنیم - یعنی. با فاصله 2 امتیاز سیگنال های باند باریک در منطقه 770 نانومتر بر روی سیگنال باند وسیع در 960 نانومتر افزایش می یابد و با فاصله 6 یا بیشتر امتیاز برعکس اتفاق می افتد. مشتقات با شکاف های بزرگتر سیگنال های تصادفی کل منطقه 700-800 نانومتر را به وضوح نشان می دهند. لطفاً توجه داشته باشید که پهنای باند یک سر و صدای ساز تحت تأثیر باند 10 نانومتر تک رنگ قرار نمی گیرد ، زیرا این یک سیگنال از پرتوی نور نیست. در این حالت به نظر می رسد سیگنال های نویز دارای پهنای باند در حدود 6 نانومتر هستند. با این حال ، باید توجه داشته باشیم که با فاصله 2 امتیاز و فاصله داده 2 نانومتر مشتق 4 ما از 4 نانومتر گسترده تر است. اگر مشتق چهارم با شکاف = 1 محاسبه شود ، پهنای باند این سیگنال های خطا به 4 نانومتر کاهش می یابد. این قطعاً نشان می دهد که این گروهها در 770 نانومتر از نمونه نیستند بلکه از ساز هستند. اگر سیگنال را باریک تر از باند طیف سنج اندازه گیری کنیم ، پس از دلایل فنی - باید نتیجه خطای ابزار باشد.

و در اینجا پاسخ یک سوال قبلی است: چرا ما نقص آشکار تست تکرارپذیری را در مورد طیف های خام تست تکرارپذیری نمی بینیم؟زیرا چشمان ما همیشه به اندازه کافی برای ارزیابی برخی از طیف ها خوب نیستند. اگر آزمایش تکرارپذیری را با استفاده از مشتقات چهارم با اندازه‌های شکاف مختلف بررسی کنیم (شکل 6)، می‌توانیم تشخیص دهیم که طیف‌های ما آن‌قدر که به نظر می‌رسید بی‌عیب نیستند. در واقع، هنگامی که از شکاف کوچک استفاده می شود، نویز دقیقاً به همان شکلی ظاهر می شود که در آزمایش تکرارپذیری (شکل 5) - شکاف کوچک خطای داشتن پهنای باند کوچک را نسبت به جاذب های واقعی با پهنای باند وسیع تر (حتی اگر جاذب پهنای باند بسیار باریکی داشته باشد) افزایش می دهد.، از آنجایی که پهنای باند قابل ضبط توسط گذر باند طیف سنج محدود می شود) [5]. طیف بالایی شکل 6 با شکاف 5 نقطه محاسبه شد که در واقع نشان دهنده گذر باند طیف سنج است. در این مورد، منطقه 770 نانومتر افزایش نمی یابد، اما نویز دارد. اگر به زیر باند قابل ضبط برویم و نتایج شکاف = 2 را بررسی کنیم (شکل 6، زیر)، سیگنال افزایش یافته ای را در 770 نانومتر مشاهده می کنیم، در حالی که سیگنال واقعی باند آب سرکوب می شود. این طیف‌ها مانند بقیه به‌طور تصادفی ظاهر نمی‌شوند، اما پهنای باند در ناحیه 770 نانومتری هنوز خیلی باریک است تا سیگنالی از نمونه باشد. در مورد نویز و خطای سیستماتیک، تست تکرارپذیری افزایش نویز تصادفی را در منطقه مورد بحث نشان می‌دهد، در حالی که در تست تکرارپذیری این نقص به عنوان یک خطای طیفی سیستماتیک‌تر و بایاس‌شده ظاهر می‌شود، اما می‌توان آن را با روش‌های توصیف شده بالا ردیابی کرد.

طیف مشتق چهارم از 10 اسکن از آب پر شده (آزمون تکرارپذیری) تهیه شده با اندازه‌های شکاف مختلف (آفست برای تجسم اعمال شد).

با توجه به حساسیت اندازه های مختلف شکاف بر روی پهنای باند جاذب ها و اینکه پهنای باند همان جاذب در طول طیف متفاوت است (یعنی پهنای باند تون های بالاتر با کاهش طول موج کوتاه می شود)، این سوال پیش می آید که آیا خوب است. روال اعمال همان اندازه شکاف برای کل طیف نانومتر در طول محاسبه مشتقات؟ترکیبی از اندازه‌های شکاف مختلف یک ارزش نظری مهم MULR [5] بود. مایه تاسف است که هیچ امکانی برای استفاده از آن در بسته های نرم افزاری اخیر وجود ندارد، زیرا امروزه هیچ نرم افزار تجاری (که نویسندگان از آن آگاه هستند) اندازه های مختلف شکاف را در یک مدل اعمال نمی کند.

نه تنها طیف های آب ، بلکه از هوای خالی نیز ممکن است به ارزیابی عملکرد ساز کمک کند. طیف عمدتاً خطی شکل 7 به طور مستقیم پس از صرفه جویی در یک اسکن مرجع ثبت شد ، در حالی که طیف هوا دیگر حدود اندازه گیری شد. 2 ساعت پس از مرجع استفاده شد. ما می توانیم چندین ویژگی جالب را در این طیف ها کشف کنیم ، به خصوص در مورد دوم. خطای طیفی در منطقه طول موج کوتاه هر دو طیف به نظر می رسد سیستماتیک است ، و این مشاهده همچنین برای منطقه 2000-2500 نانومتر از طیف فوقانی است. ترسیم اسکن های بیشتر دقیقاً همان الگوی را نشان داد و خطای سیستماتیک یا مغرضانه را تأیید کرد. این ممکن است خطایی از الکترونیک تک رنگ باشد که با صرفه جویی در اسکن های مرجع مکرر می تواند به حداقل برسد. این راه حل مخفف تغییر عظیم پایه کلی است. در 1500 نانومتر در هر دو مورد موجی را مشاهده می کنیم ، که در بیشتر طیف های نویز مدل های 6500 الگوی معمول است ، اما با اسکن های مرجع مکرر می توان آن را زیر حد پذیرش نگه داشت (50 میکروگاو). علت این سر و صدای کوچک در این مکان خاص ، چرخش توری نوری و ناهنجاری چوب است [3]. با بازرسی از طیف فوقانی ، قله های بخار آب معمولی - که از تغییر رطوبت هوای آزمایشگاهی در تک رنگ شده است - می توان در 1362 ، 1382 ، 1840 ، 1870 و 1902 نانومتر ثبت کرد [8]. در یک مورد بهینه ، این سیگنال ها - که توسط پرتوی نور قرار گرفته اند - می توانند با اسکن های مرجع مکرر نیز به حداقل برسند. سطح تغییر پایه (400 میکرووو) ، سیگنال بخار آب (150 میکروو) و خطای سیستماتیک (50 میکروو در NIR ، 100 میکروو در VIS) بسیار بالاتر از سطح پذیرش (50 میکروو) چند ساعت پس از اسکن مرجع استیا در حال حاضر بعد از چند دقیقه ، بسته به شرایط ابزاری و محیطی ، بنابراین ، برای اندازه گیری های دقیق ، ضبط مرجع تا حد ممکن ضروری است. و آخرین ، اما مهم نیست ، می توانیم دوباره صدای شدید در فاصله 700-800 نانومتر را دوباره ببینیم. مشتقات چهارم نیز برای این داده ها محاسبه شد.

طیفهای هوای خالی اندکی پس از یک اسکن مرجع یا دو ساعت بعد ثبت شده است.

شکل 8 مشتقات چهارم طیف هوا را نشان می دهد ، که با اندازه شکاف 20 یا 2 نقطه تهیه شده است. ما باید سیگنال بزرگ را در 1100 نانومتر که مربوط به سوئیچ ردیاب است (سیلیس برای VIS ، سولفید سرب برای منطقه NIR) نادیده بگیریم. نکته مهم این است که مشتق چهارم با فاصله کوچک سیگنال های "باند پهن" (مانند بخار آب) را صاف می کند اما سیگنال های "باند باریک" (نویز) را تقویت می کند. با فاصله بزرگتر ، گروههای گسترده نیز ظاهر می شوند.

طیفهای مشتق چهارم هوای خالی ثبت شده اندکی پس از یک اسکن مرجع یا دو ساعت بعد ، تهیه شده با اندازه شکاف های مختلف (سطوح مختلف جبران برای تجسم استفاده شد).

ما می توانیم به نتیجه مشابهی مانند شکل 5 برسیم: از آنجا که اندازه شکاف 2 نقطه قله بخار را از بین می برد ، اما سیگنال 770 نانومتر را افزایش می دهد ، می توانیم اعتراف کنیم که دومی حتی باید از بخار آب باریک تر باشد. در ابتدا ، Vapor همچنین دارای یک باند بسیار باریک است ، اما سیگنال جاذب باریک تر از باند ساز ابزار با پهنای باند واقعی آن قابل ضبط نیست ، بنابراین ، باند بخار بسیار گسترده تر از آنچه که باید باشد ، فقط به دلیل محدودیت ناشی از باند تک رنگ به نظر می رسد(10 نانومتر). خطای طیفی می تواند باریک تر از باند تک رنگ باشد فقط در صورتی که سیگنال از پرتوی نوری معمولی نباشد ، بلکه به عنوان مثال. از الکترونیک طیف سنج. اگر منطقه 750 نانومتر سر و صدای محیط را نشان دهد (مانند بخار) که توسط طیف سنج اندازه گیری می شود ، به عنوان یک سیگنال کمی گسترده تر ظاهر می شود.

همانطور که قبلاً ذکر شد ، تغییر پایه ، سیگنال بخار و سر و صدای سیستماتیک با استفاده از اسکن مرجع تا حد امکان می تواند به حداقل برسد. در میان شرایط ناپایدار محیطی ، بخار ممکن است برخی از مشکلات را ایجاد کند و پس از چند اسکن نمونه ، ضبط یک اسکن مرجع جدید ضروری است. با استفاده از 6500 مدل یا تک رنگ های مشابه در شرایط مرطوب شدید ، هنوز هم ممکن است در ظاهر سیگنال رطوبت مشکل ایجاد شود ، حتی اگر در هر اسکن نمونه اسکن مرجع انجام دهیم. این مشکل ممکن است ناشی از رطوبت ناپایدار اتاق باشد. 6500 تک رنگ هوا و نور آزمایشگاهی را از طریق این هوا گردش می کند و تمام اطلاعات آن را در طیف های ضبط شده جمع می کند. هوای تک رنگ می تواند آنقدر ناپایدار باشد ، که رطوبت در طول اسکن مرجع کمی متفاوت است و برخی از ثانیه بعد ، در طول اسکن نمونه ، بنابراین ، سیگنال بخار در طیف ها به طور تصادفی ، بالا یا پایین ظاهر می شود. در برخی از ماژول های نمونه برداری ، کشو نگهدارنده Cuvette کشویی ممکن است حاوی هوا با رطوبت متفاوت نسبت به هوای داخل ماژول نمونه گیری باشد که در آن استاندارد مرجع اندازه گیری می شود ، و این ممکن است باعث سیگنال های بخار ناخواسته شود. البته ، ما در مورد مشکلات بسیار کوچک ، اما قابل تشخیص (اغلب بالاتر از 50-100 میکروو) صحبت می کنیم ، و باید اعتراف کنیم که این طیف سنج ها برای چنین شرایطی طراحی نشده اند. به هر حال ، راه حل این نوع مشکل در چنین شرایطی ممکن است استفاده از تک رنگ بسته بسته یا اسکن مرجع و نمونه در همان زمان با تقسیم نور در دو مسیر با استفاده از طیف سنج "پرتو دوتایی" یا تغییر به انواع دیگر باشد. طیف سنج (بدون تک رنگ) که مشکلی در رطوبت هوا ندارند.

انصراف

هنگامی که بررسی نقص فوق توضیح داده شد ، اولین ایده یک شکست در فیلتر Sorter Order بود: "مدل 6500 یک فیلتر نوری را شامل می شود تا با مسدود کردن تابش طول موج طولانی هنگام اسکن منطقه 400-790 نانومتر ، نور ولگرد را به حداقل برساند. و یک فیلتر متفاوت برای مسدود کردن اشعه موج کوتاه برای طول موج بالاتر از 790 نانومتر. این تعویض فیلترها در طول اسکن باعث ایجاد نویز کمی در طیف ضبط شده در این منطقه می شود و این سر و صدا به دمای ابزار و وضعیت ابزار حساس است. "[7]

پس از مشورت با کارل نوریس [17] و سازنده، آخرین ایده نیز به مادربرد می پردازد. مدل 6500 ذکر شده که داده های طیفی نادرست را در این منطقه خاص ارائه می کرد، مادربردی داشت که به دلیل قدیمی بودن ممکن بود مشکل داشته باشد. مادربرد قدیمی در این ابزار قادر به کنترل دقیق مناطق VIS و NIR به طور همزمان نیست. ما طیف‌سنج را با ضبط اسکن مرجع و اسکن نمونه فقط در مناطق VIS یا NIR به طور جداگانه آزمایش کردیم و پیک بسیار بالای ناحیه 750 نانومتری به طور قابل‌توجهی کاهش یافت. با این حال، انحراف کوچک هنوز در این ناحیه از طیف نویز باقی مانده است، اما با سطح کمتری نسبت به نویز زیر 600 نانومتر ظاهر می‌شود. چنین سطحی از خطا نباید به طور منظم مشکل ایجاد کند، اما البته، همچنان تفاوت قابل تشخیص بین نمونه ها را محدود می کند. ناحیه NIR نیز نویز سیستماتیک خود را پس از اسکن مرجع تنها در آن بازه از دست داد، بنابراین، کاهش نویز الکترونیک با اسکن انتخابی مناطق VIS و NIR در مورد این مادربرد قدیمی‌تر امکان‌پذیر بود. البته، مشکلات رانش خط پایه و سیگنال‌های بخار آب تنها با اسکن VIS یا NIR جداگانه یا با یک مادربرد جدید حل نمی‌شوند و اغلب برای مهار این اثرات همچنان به اسکن مرجع نیاز است.

مطمئناً، تولیدکنندگان تجهیزاتی را تولید می‌کنند که طبق توصیه‌ها عمل کنند - این باید در نظر گرفته شود. با این حال، اگر گروه‌های نمونه با تفاوت‌های عمده مورد بحث باشند، چنین سطح نویز ذکر شده در بالا ممکن است به طور کلی به معنای هیچ مشکلی نباشد. اما در هنگام یافتن تفاوت‌های کوچک بین نمونه‌ها یا در حین تخصیص دقیق باند می‌تواند مشکلات بزرگی ایجاد کند.

در مورد استفاده از فاصله مورد بحث

نویسندگان بیان می کنند که فاصله طیفی 700-800 نانومتر اطلاعات مفیدی در مورد آب دارد و نقص توصیف شده فقط برای یک طیف سنج معین (6500-A) از این مطالعه اعمال می شود. سه طیف سنج با تک رنگ گریتینگ پراکنده همان سازنده در یک مطالعه دما مورد آزمایش قرار گرفتند، از جمله مدل NIRSystems 6500 اشتباه معرفی شده در بالا (6500-A)، مدل 6500 دیگر (6500-B) و یک مدل XDS. شکل 9 طیف مشتق دوم آب را نشان می دهد که در دماهای مختلف، بین 30 تا 60 درجه سانتی گراد، با استفاده از سه طیف سنج اندازه گیری شده است. از آنجایی که مرحله طیفی ابزارها هماهنگ بود (همانطور که در بخش مواد و روش ها توضیح داده شد)، همان اندازه شکاف 5 نقطه برای محاسبه مشتقات اعمال شد. دمایی که قبلاً مورد بحث قرار گرفت باعث تغییرات ساختاری آب در طیف همه ابزارها در اولین نواحی (1300-1600 نانومتر) و دوم (900-1050 نانومتر) نواحی نوری آب می شود [12-15،18].