近红外光谱技术在棉\氨纶面料分析中的应用

近红外光谱区介于可见光和红外之间，被ASTM定义为波长范围是780～2526 nm^[1]的电磁波。其中700～1100 nm通常称为短波近红外谱区，而1100～2600 nm称为长波近红外谱区。近红外谱区的信息量非常丰富，主要吸收来源于有机物含氢基团的倍频和组合频^[2-4]。上世纪八十年代后期，随着光学、电子技术、化学计量学以及计算机技术的快速发展，近红外光谱分析技术得到迅速的推广，成为一门独立的分析技术，在医药、食品、农产品、烟等方面尤为突出。

近红外作为一种简单、快速、非破坏性的定量分析方法，能同时测定多组分样品中各组分的含量，且无需大量的样品制备过程，非常适于纺织材料的表征和鉴定。随着近红外光谱技术的发展，近红外光谱技术应用在纺织工业中如质量监督、织物定量定性分析等将越来越广泛^[5-7]。

1近红外光谱定量分析法

1.1 近红外光谱定量分析分析过程

近红外光谱定量分析的过程一般为：第一，标样集的选择，同时采用其它化学或仪器方法获得组分的参考值；第二，选择合适的光谱参数，确定数学算法，建立好标准样品集；第三，对模型进行修改，然后再预测未知样品。

由以上过程可以看出，近红外定量分析基本上对大量的标样数据的计算机处理过程，可以说是一种软件技术，这与通常的定量分析的概念完全不同。

1.2 近红外光谱分析技术的化学计量学方法

1.2.1光谱预处理方法

近红外光谱往往包含一些与待测样品性质无关因素的干扰，如样品的状态、光的散射、杂散光及仪器响应等，这导致了近红外光谱的基线漂移和光谱的不重复性，因此对原始光谱进行预处理是非常必要的。光谱预处理方法包括导数、平滑、扣减、归一化、标准化等。本文采用的预处理方法是导数处理。

导数光谱可以增强原谱的信号，如在原谱中的宽峰经过二阶导数处理后，会变得很尖锐，这样有利于在复杂的峰形中更好地确定出峰的准确位置，从而达到鉴别光谱的目的。因此，在定量分析中，导数谱的作用是尽量降低重叠峰的影响。一阶导数可以消除基线的偏移，二阶导数可以消除基线的线性倾斜。

1.2.2定量校正

定量校正也称多元校正，即在物质浓度（或其他物化性质）与分析仪器响应值之间建立定量关联关系，是化学计量学的一个分支。在近红外光谱分析中常用的多元校正方法包括：多元线性回归法（MLR）、主成分回归法（PCR）和偏最小二乘法（PLS）等线性校正方法，以及局部权重回归（LMR）、人工神经网络（ANN）、拓扑方法（TP）和支持向量机方法（SVM）等非线性校正方法。其中，PLS在近红外光谱分析中得到较为广泛的应用，已成为一种标准的常用方法。

PLS是一种相对而言较新的多元数据处理技术，它在考虑全谱区各波长点光谱参数的同时，还兼顾到被分析样品内部各成分之间的关系，将两者分别分解。它可以建立同时对多个组分进行预测的回归模型，非常适合多元体系中各变量存在相关性的分析，是目前近红外分析中应用较广的算法。

2 实验部分

2.1样品与仪器

2.1.1样品来源

46个棉/氨样品由北京市纺织纤维检验所提供，其中36个样品作为建模样品，10个样品作为验证样品，样品氨纶含量为0.5%~11.9%。

2.1.2近红外光谱仪

近红外分析仪为Thermo Antaris Ⅱ–积分球检测模块，RESULT3.0光谱采集软件和TQ Analyst 8.0化学计量学软件。

2.2光谱采集与模型建立

样品材质为棉和氨纶，因此本实验采用积分球漫反射方法采集样品的近红外光谱图，为了增加建模样品的代表性，每个样品选择不同位置采集2条光谱。

2.2.1漫反射光谱采集

样品无需预处理，采用积分球模块采集样品光谱。光谱采集条件：波数范围10000 cm^-1~4000 cm^-1，扫描次数64，分辨率8 cm^-1。图1为所有样品的近红外漫反射光谱图。