2T2D-COS异步谱可以通过对两条光谱进行互相关计算得到^[16]。 在两个不同条件下测量的样品光谱, 可以将其分别定义为扰动样本光谱s(ν )和参考光谱r(ν ), 则异步谱Ψ (ν ₁, ν ₂)可以计算为

Ψ(ν1, ν2)=12[s(ν1)r(ν2)-r(ν1)s(ν2)](1)

式(1)中, ν ₁和ν ₂分别为对应波长/波数。 2T2D-COS异步谱具有丰富的交叉峰峰型, 适合对分子间相互作用进行表征。 如果异步交叉峰为正, 即Ψ (ν ₁, ν ₂)> 0, 则说明与参考光谱相比, 扰动样品光谱中频率ν ₁相关的分子振动变化大于ν ₂所表征的部分; 反之, 若Ψ (ν ₁, ν ₂)< 0, 则说明与参考光谱相比, 扰动样品光谱中频率ν ₁相关的分子振动变化小于ν ₂所表征的部分^[16]。 根据异步谱图中交叉峰的位置及相对变化, 可以判断样品光谱相对于参考光谱变化的扰动来源。 而对于同一来源的扰动, 扰动大小不同也会影响异步谱交叉峰的相关强度。 利用这一特性, 不仅可以识别温度对光谱特征的影响, 而且可以获取样品温度参数, 为获得高精度的成分定量校正模型提供参考。

为了消除漂移和噪声影响, 首先对原始光谱进行滤波去噪和基线校正处理。 其中, 基线校正主要针对水的一级倍频区1 300~1 600 nm范围, 并采用二阶21点Savitzky Golay 滤波去噪, 以提高光谱信噪比。 预处理后的光谱如图1所示。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 水和葡萄糖水溶液在34, 36和38 ℃下的吸收光谱(子图中放大了1 420~1 460 nm范围的细节部分)Fig.1 Absorption spectrum of aqueous and glucose solution at 34, 36, and 38 (Details in the range of 1 420~1 460 nm are magnified in the subgraph)

由图1所示, 1 300~1 600 nm范围内水溶液和100 mg· dL^-1葡萄糖水溶液在34, 36和38 ℃下的吸光度光谱中可以看出, 1 450 nm附近波长范围内的谱峰较宽且光谱重叠, 其中包括了水分子的不同结构和葡萄糖分子中羟基、 甲基的吸收特征。 放大1 425~1 465 nm范围内的吸收光谱细节后可以观察到, 在温度扰动下, 水溶液和葡萄糖水溶液的吸收峰随温度的升高向短波方向移动, 但是从吸收光谱中无法分辨二者的差别。

为了分辨吸收光谱中温度及浓度扰动对吸收峰造成的微小变化, 采用式(1), 计算不同扰动下葡萄糖水溶液的吸收光谱的异步谱, 结果如图2和图3所示。

图2

Fig.2

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图2 温度扰动下的葡萄糖水溶液2T2D-COS异步谱 浓度100 mg· dL-1, 参考光谱: 34 ℃ (a), 样本光谱分别为: 36 ℃ (b), 黑色虚线为提取切片谱位置Fig.2 The 2T2D-COS asynchronous spectrum of glucose solution under temperature disturbance The glucose concentration is 100 mg· dL-1, The temperature of reference spectrum is 34 ℃ (a) and sample spectra 36 ℃ (b), The black dotted line in the figure represents the position of extraction slice spectrum

图3

Fig.3

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图3 浓度扰动下的葡萄糖水溶液2T2D-COS异步谱 温度36 ℃, 参考光谱: 0 mg· dL-1 (a), 样本光谱为: 200 mg· dL-1 (b)Fig.3 The 2T2D-COS asynchronous spectra of glucose solution under concentration disturbance The temperature is 36 ℃, The glucose concentration of the reference spectrum is 0 mg· dL-1 (a) and sample spectra are 200 mg· dL-1 (b)

图2(a)和(b)为100 mg· dL^-1的葡萄糖浓度下温度扰动导致的2T2D-COS异步谱(参考光谱温度: 34 ℃, 样本光谱为: 36 ℃)。 从图中可以看出, 不同温度扰动下的2T2D-COS异步谱峰值大小不同, 但都在1 474和1 410 nm附近都形成了正的交叉峰, 分别对应于水分子的强氢键特征吸收和弱氢键特征吸收波长。 这表明, 当样本光谱的温度高于参考光谱的温度时, 样本光谱弱氢键对应的吸收峰增强, 而强氢键对应的吸收峰减弱。 分析认为当温度升高, 会引起氢键断裂, 水团簇解离, 导致强氢键结合水向弱氢键结合水方向转换。

图3(a)和(b)为36℃时糖浓度扰动导致的2T2D-COS异步谱(参考光谱: 0 mg· dL^-1, 样本光谱分别为: 100和200 mg· dL^-1)。 从图中可以看出, 不同糖浓度扰动的异步谱在(1 450, 1 380 nm)和(1 582, 1 448 nm)位置附近都形成了正的交叉峰, 且峰值大小接近。 其中, 1 448 nm对应于水分子一级倍频区的特征吸收波长1 450 nm, 1 582 nm对应于葡萄糖分子羟基的特征吸收波长1 595 nm。 这表明, 当样本光谱中葡萄糖浓度大于参考光谱时, 浓度扰动产生的异步谱特征在葡萄糖及水的特征吸收位置均有明显体现, 并且与温度扰动的特征差异较大。

不同扰动下的实验结果表明, 2T2D-COS异步谱可以有效地区分糖水溶液吸收光谱中的温度扰动特征和浓度扰动特征。 温度扰动引起的糖水溶液2T2D-COS异步谱交叉峰出现在强氢键结合水和弱氢键结合水对应的特征吸收波长处, 而糖浓度扰动引起的2T2D-COS异步谱交叉峰出现在水分子一级倍频区和葡萄糖分子羟基对应的特征吸收波长处。 由于不同温度扰动引起的一部分谱峰强度差异较大, 因此可以根据2T2D-COS异步谱中特征峰的强度变化, 进一步定量分析样品中温度扰动的大小。

根据2T2D-COS异步谱分析可知, 1 410 nm处的交叉峰主要与温度扰动相关。 分别提取34~38.5 ℃范围内温度扰动下的所有样品2T2D-COS异步谱中的切片谱(切片方向如图2中黑色虚线位置), 对每个温度下所有样品的切片谱取平均值, 如图4所示。 分析切片谱的结果可知, 1 410~1 600 nm波段对应的切片谱相关强度随温度升高而增大, 与温度变化之间具有较好的相关性。 尤其在1 471~1 479 nm处形成了较为明显的峰值, 峰值强度与温度之间存在较为明显的线性关系, 随着温度的升高, 吸收峰的强度增大, 为基于光谱特征的样品温度定量分析提供了基础。

图4

Fig.4

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图4 不同温度下葡萄糖水溶液2T2D-COS 异步谱1 410 nm处的切片谱Fig.4 The slice spectrum at 1 410 nm of 2T2D-COS asynchronous spectra of glucose aqueous solution at 1 410 nm under different temperatures

由于原始光谱中温度的变化特征比较复杂, 往往需要借助多变量分析方法, 其精度容易受到光谱测量范围及分辨率的影响。 而借助2T2D-COS异步谱, 可以提取温度扰动明显的交叉峰, 简化定量分析模型, 并降低对系统测量范围和波长分辨率的要求。

为了方便对比, 分别基于原始光谱和2T2D-COS异步谱建立了温度校正模型。 其中, 基于原始光谱的模型以1 300~1 600 nm范围内全部波长下的光谱(共301个波长)为输入, 采用偏最小二乘回归法建立温度预测模型; 基于2T2D-COS异步谱中温度扰动的特征波长1 410 nm下的切片谱, 以波长(1 475± 4) nm范围内交叉峰强度积分为输入, 建立谱峰强度与温度之间的线性回归模型。 在测量得到的240条光谱基础上, 使用Kennard-Stone算法划分校正集和预测集, 表1中对比了两种温度校正模型的结果。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 两种温度校正模型的结果对比 Table 1 The comparison of results of the two temperature calibration models 模型 R2 RMSEP /℃ RMSECV /℃ 切片谱(1 471~1 479 nm) 0.992 3 0.125 9 0.127 6 原始光谱(1 300~1 600 nm) 0.992 1 0.127 2 0.128 1

表1 两种温度校正模型的结果对比 Table 1 The comparison of results of the two temperature calibration models

从表1中的分析结果可以看出, 利用2T2D-COS分析方法提取的交叉峰特征, 可以在有限的波长范围及分辨率较低的情况下比较准确地预测每条光谱的温度。 基于2T2D-COS异步谱建立的温度校正模型的预测能力, 与基于高分辨宽谱段光谱的偏最小二乘回归模型相当, 或稍有提高。

在实际应用中, 2T2D-COS分析方法只需要对两条测量光谱进行运算, 就可以通过异步谱中交叉峰的变化, 判别扰动的来源, 还可以根据交叉峰的强度对扰动的大小进行定量分析, 具有较好的应用前景。 以在体无创血糖检测应用为例, 由于在体测量中扰动因素较多, 从原始光谱中很难分辨扰动的来源及大小。 根据本研究结果, 基于2T2D-COS的异步谱, 可以分辨出光谱中葡萄糖浓度扰动及温度扰动的交叉峰及特征波长范围; 同时, 基于温度扰动的特征波长1 410 nm下异步谱的切片谱, 对(1 475± 4) nm范围内的交叉峰进行强度积分后与温度进行线性回归, 可以准确地获取样品温度。 该方法所用的建模数据只需要较窄的特征波段范围, 与常用的单波长激光器的谱宽近似, 为简化在体光谱测量系统的设计, 减少在体温度变化的影响提供了重要参考。