专利名称：在光谱测定法中稳定光谱的方法
技术领域：
本发明是关于在光谱测定法中稳定光谱的方法，特别是关于使测量稳定的方法，通过在数字计算中减少由于分光镜内温度、电源电压等变化所引起的光谱基线的波动和由于加到被测物上的光的入射角变化所导致的透射率的变化。
通常，可用一种分析曲线对一种特定成分的浓度进行定量分析，该分析曲线是预先通过测量透过已知浓度的样品所透过的光的能谱或被已知其浓度的样品反射的光的能谱而得到的.普遍公知的获得分析曲线的方法有采用单波长的方法和采用双波长或多波长的方法。
然而，在光谱中光谱基线的波动是由于分光镜内部和外部的温度变化、电源电压的变化等原因所引起的，这些基线的波动使定量分析的准确性降低，因此必须消除光谱中的误差成分。
作为用数字计算减少基线波动的方法，通常公知的有双波长基线补偿、数字微分、低频滤波富里叶变换。下面对这些方法中的每一种都作简单的描述。
双波长基线补偿双波长基线补偿法法利用两个波长λ1和λ2使基线部分消失；溶液的任何组分对该波长的吸收率是常数。准确地说，这两个波长λ1和λ2分别满足下面的方程(1)和(2)。 其中，αi，λ1对波长λ1的吸收率，cii组分浓度，n溶液中的组分数目，I容器长。 其中，αi，λ2对波长λ2的吸收率，cii组分浓度，n溶液中的组分数目，I容器长。
因此，如果在波长λ1和λ2处所测得的吸收谱f(λ)的吸收率分别是const3和const4，那么，通过从f(λ)减去(const4-const3)/(λ2－λ1)×(λ－λ1)＋const3，得到补偿光谱。
数字微分数字微分法通过关于波长对吸收率的数字微分来减少或消除低频处的偏移。微分的次数通常是一次或二次。通过一次微分可以消除与波长无关的常数项。通过二次微分可以消除关于该波长的一次偏移。数字微分时，吸收率关于波长微分，从而，高于二次的微分会使信号大大失真。因此，极少使用高于三次的数字微分。
低频滤波富里叶变换低频滤波富里叶变换法把光谱经富里叶变换、也就是把能谱从时域转换到频域，滤去引起基线偏移的低频部分。
双波长补偿法要求用于补偿的两个波长λ2和λ1分别满足上面的方程(1)和方程(2)。然而，在组分多于两种的多组分溶液中，常常并不存在能满足上面方程(1)(2)的两个波长。在这种情况下，不可能用双波长补偿法。
数字微分法由于数字微分使诸如随机杂波之类的高频杂波被放大，因此，基线波动的带宽必定宽于被物体吸收的光的带宽。此外，由于数字微分而使衍生谱畸变。
在低频滤波富里叶变换法中，存在着一个问题，即由于与基线波动部分一起过滤而使被物体吸收之光的信息在低频区域内丢失。
此外，数字微分和低频滤波富里叶变换存在着一个共同的问题，这个问题是，如果能量E是时间t和波长λ这二个变量的函数，那么E(λ，t)的全微分由下面的方程(3)表示dE＝(E/λ)tdλ＋(E/t)λdt.
(3)已有的数字微分和低频滤波富里叶变换法两者都是对波长λ作用，因此，不可能使作为t的函数的方程(3)第二项(E/t)λ被减弱或消去。
因此，本发明的目的是提供在光谱测定法中稳定光谱的方法，以减少与时间有关的光谱误差部分，同时也减少由于加到被测物上的光的入射角变化所导致的透射率的变化。
本发明是基于下面的考虑，由于诸如分光镜温度的变化、电源电压的变化等扰动所导致的能谱的误差通常表现为光谱线的漂移，也就是光谱的瞬时变化。因此，在波长λ和时间t下的透射光强度I(λ，t)和波长λr和时间t下的吸收光强度可分别由下面的方程(4)和(5)表示I(λ,t)=k(λ,t)·I0(λ,t0)·p(λ,θ)exp(-Σiai(λ)cil),(4)]]>I(λr,t)=k(λr,t)·I0(λr,t0)·p(λr,θ)·exp[-Σiai(λr)cil],(5)]]>其中，I(λ，t)波长λ和时间t下的透射光强度，I(λr，t)波长λr和时间t下的透射光强度，I0(λ，t0)波长λ和时间t0下的入射光强度，I0(λr，t0)波长λr和时间t0下的入射光强度，P(λ，θ)波长λ、入射角为θ的光的表面透射率，
P(λr，θ)波长λr、入射角为θ的光的表面透射率，αi(λ)组分i对波长λ的吸收系数，αi(λr)组分i对波长λr的吸收系数，θ光与被测物体表面的入射角，Ci组分i的浓度，和1有效光程长。
此外，方程(4)中k(λ，t)是波长λ和时间t下的入射光强度与波长λ和时间t0下的入射光强度I0(λ，t0)的比值。因此，k(λ，t0)＝1(6)同样，方程(5)中k(λr，t)是波长λr和时间t下的入射光强度与波长λr和时间t0下的入射光强度I0(λr，t0)的比值。因此，k(λr，t0)＝1(7)方程(4)与方程(5)的比使我们得出下述方程(8)所表示的能量强度比ININ=k(λ,t)k(λr,t)·I0(λ,t0)I0(λr,t0)·p(λ,θ)p(λr,θ)·exp[-Σi(ai(λ)-ai(λr)cil)](8)]]>这里，我们假定αi(λ)≠αi(λr)(9)k(λ，t)的全微分由下面的方程(10)表示dk(λ，t)＝(k/λ)tdλ＋(k/t)λdt.
(10)这里，(k/λ)t表示入射光强度比值k(λ，t)波长相关性，(k/t)λ表示入射光的强度比值k(λ，t)关于时间的变化率。
如果在波长λ和时间t下入射光强度k(λ，t)×I0(λ，t)对波长λr和时间t下入射光强度k(λr，t)×I0(λr，t0)的比率用β(λ，λr，t)表示，那么β(λ,λr,t)=k(λ,τ)k(λr,t)·I0(λ,t0)I0(λr,t0)]]>
现在把波长范围分成几个子区间，把波长λ和λr限定在第j个子区间内(λj、最小，λj、最大)，那么可用下式(12)近似表示比率k(λ，t)波长相关性的项(k/λ)t＝o， (12)因此，k(λ，t)≈k(t)(13)从而，β(λ，λr，t)可以用下面的方程(14)表示，也可以表示为方程(15)β(λ,λr,t)=k(λ,t)k(λr,t)·I0(λ,t0)I0(λr,t0)]]>=k(t)k(t)·I0(λ,t0)I0(λr,t0)]]>=I0(λ,t0)I0(λr,t0)---(14)]]>β(λ，λr，t)－β(λ，λr).
(15)从上面的方程(15)可以看到，可使由于时间与光谱中基线偏移的依赖关系所引起的误差部分被减少或消除。
其次，它表示，可通过得出在子区间内的能谱比率减小因光的入射角变化所引起的透射率变化。
根据菲涅耳定律，当入射到被测物体的波长λ的光入射角为θi时的表面透射率P(λ，θ)，以及当入射到被测物体的波长λr的光入射角为θi时的表面透射率P(λr，θ)可以分别由下面的方程(16)、(17)、(18)、(19)表示p(λ,θ)||n2·λn1·λcosθtcosθi(2n1,λcosθin2,λcosθi+n1,λcosθt)2(16)]]>p(λ,θ)⊥=n2,λn1,λ·cosθtcosθi·(2n1,λcosθ1n1,λcosθi+n2,λcosθt)2(17)]]>p(λr,θ)||=n2,λrn1,λr·cosθtcosθi·(2n1,λrcosθin2,λrcosθi+n1,λrcosθt)2(18)]]>p(λr,θ)⊥=n2,λrn1,λr·cosθtcosθi·(2n1,λrcosθin1,λrcosθi+n2,λrcosθt)2(19)]]>其中P(λ，θi)‖当水平偏振光以θi的入射角入射在被测物体上时，波长为λ的光表面透射率。
P(λ，θ)当竖直偏振光以θi的入射角入射在被测物体上时，波长为λ的光表面透射率。
P(λr，θ)‖当水平偏振光以θi的入射角入射在被测物体上时，波长为λr的光表面透射率。
P(λr，θ)当竖直偏振光以θi的入射角入射在被测物体上时，波长为λr的光表面透射率。
n1,λ介质1对波长λ的折射率，n2,λ介质2对波长λ的折射率，n1、λr介质1对波长λr的折射率，n2、λr介质2对波长λr的折射率，θi对被测物体表面的入射角。和θt对被测物体表面的折射角。
此外，根据斯涅耳折射定律，受方程(20)的约束n1sinθi＝n2sinθt(20)现在，用γ(λ，λr，θ)来表示P(λ，θ)与P(λr，θ)的比，也就是γ(λ，λr，θ)＝P(λ，θ)/P(λr，θ)(21)如果Δλ＝λr－λ很小，那么γ(λ，λr，θ)可以近似为下式
γ(λ，λr，θ)≈γ(λ，λr)(22)从方程(8)、(15)、(22)可得到方程(23)IN=β(λ,λr)·γ(λ,λr)·exp[-Σi(ai(λ)-ai(λr)ci)](23)]]>从上面方程(23)可看出，可同时减少因时间关系所引起之光谱基线波动的误差和因入射光的入射角变化所引起之透射率起伏的误差。
本发明构思基于上面所描述的思想。本发明的方法是一种光谱测定法，即用光照射被测物体，并测量透射光的能谱或反射光的能谱，从而对被测物体中一种特定的组分进行定量分析。具体地说，该方法把测得的透射光能谱或反射光能谱的波长范围分成多个区间。然后，在每个区间内，求得每个实测能量值与所测的预定波长的能值之比，以稳定光谱的测量值。用这种方法，可实现以稳定的光谱值对特定组分进行定量分析。
此外，按照本发明的一个实施例，提供一种在光谱测定法中稳定光谱的方法，该方法用光照射被测物体，并测量透射光的能谱或反射光的能谱，从而对被测物体的一种特定组分进行定量分析。特别是，该方法把测得的透射光或反射光能谱的波长范围分成多个区间。再在每个区间内求得每个实测能量值与所测的预定波长的能值之比，以稳定光谱的测量值。然后对该比值光谱进行多变量分析。用这种方法，可实现以稳定的光谱值对特定组分进行定量分析。
再有，本发明中被测物体的特定组分是葡萄糖。
本发明的方法把测得的透射光的或反射光的能谱的波长范围分成多个区间。再在每个区间.内求得每个实测能量值与所测的预定波长的能值之比，以稳定光谱的测量值。用这种方法，可同时补偿因时间关系所引起的光谱基线波动误差和因入射光的入射角变化所引起的透射率起伏的误差。
更进一步，本发明的方法是对各子区间内由能谱比所得到的光谱进行多变量分析。
具体地说，通过在各子区间内取比值补偿葡萄糖的透射光能谱或反射光能谱。
按照本发明，可同时减少因时间关系所引起之光谱基线波动的误差和因入射光的入射角变化所引起的透射率变化的误差。由此能够改进用光谱分析法进行定量分析的准确性和可信度。
此外，按照本发明，可通过多变量分析使定量分析的准确性和可信度得到改进。
更进一步，本发明是在葡萄糖作为特定组分的情况下，使用本发明的方法能够以较高的准确性测得葡萄糖的浓度，以使对人体内的血糖的测量可获得很高的准确度和可信性。
下面参考附图，结合对实施例的描述将使本发明的上述以及其他目的和特征通过变得愈为清楚。其中
图1表示每隔5分钟测得的商品牛奶的11个透射光谱；图2表示图1中光谱的CV谱；图3表示取各实测的能量值与测得的波长6000cm-1的能量值的比所得的能谱；图4表示图3中所示光谱的CV谱；图5表示在各子区间内取比值所得到的能谱；图6表示图5中所示光谱的CV谱；图7表示通过对图1所示能谱的一次微分所得的能谱；图8表示图7中所示光谱的CV谱；图9表示了通过对图1所示能谱的二次微分所得的能谱；图10表示图9中所示光谱的CV谱；图11表示由低频滤波富里叶变换所得的能谱；图12表示图11中所示光谱的CV谱；图13表示在不经处理情况下定量分析的结果；图14表示在对单个波长取比值的情况下定量分析的结果；图15表示在子区间内取比值的情况下定量分析的结果；图16表示在一次微分情况下定量分析的结果；
图17表示在二次微分情况下定量分析的结果；图18表示在进行低频滤波富里叶变换情况下定量分析的结果。
下面将参照附图描述本发明的优选实施例。
第一实施例把商品牛奶注入一石英器皿中，利用Parkin-Elmer公司生产的红外分光镜，在4000cm-1至8000cm-1波长范围内每5分钟共11次测量透射光的能谱。然后对透射光能谱的测量结果作下面6种处理(1)不经处理，(2)取每次实测的能值与所测的单个波长的能值之比，(3)取每次实测的能值与在每个子区间内测得的预定波长的能值之比，(4)一次微分，(5)二次微分，和(6)富里叶变换。然后再对波长在4000cm-1至8000cm-1范围内所选定的每一个波长计算透射光能谱的CV值(＝100×标准误差/平均)。下面把通过绘制每个选定波长的CV值而获得的光谱称为CV光谱。
(1)不经处理附图1中显示了每隔5分钟测量的商品牛奶的11个透射光能谱。附图2中所示的是它们的CV光谱。
(2)对单个波长的比值计算附图3中所示的是通过计算每次实测的能值与所测的波长6000cm-1的能值之比而获得的附图1所示的透射光的11能谱的比值光谱。图4表示它们的CV谱。
(3)子区间内的比值计算把每隔5分钟11次测量商品牛奶的透射光能谱的波长范围4000cm-1至8000cm-1分成下面8个波长子区间4000cm-1至4500cm-1(4250cm-1)4500cm-1至5000cm-1(4750cm-1)5000cm-1至5500cm-1(5250cm-1)5500cm-1至6000cm-1(5750cm-1)6000cm-1至6500cm-1(6250cm-1)
6500cm-1至7000cm-1(6750cm-1)7000cm-1至7500cm-1(7250cm-1)，7500cm-1至8000cm-1(7750cm-1)然后，属于每个子区间内的每个透射光能谱除以括弧中所示的波长的能值，以获得如附图5所示的整个区域的比值光谱。图6表示它们的CV谱。
(4)一次微分图8表示从图1所示每隔5分钟11次测得的商品牛奶透射光能谱所得的一次微分光谱。图9表示它们的CV光谱。
(5)二次微分图9表示从图1所示每隔5分钟11次测得的商品牛奶透射光能谱所得的二次微分光谱。图10表示它们的CV光谱。
(6)富里叶变换图11表示从图1所示每隔5分钟11次测得的商品牛奶透射光能谱经富里叶变换所得的光谱。图12中表示它们的CV光谱。
如果我们把图6的CV光谱与图2、4、10、12的CV光谱比较，那么作为一个整体，经过子区间内比值计算所获得的CV光谱值比经不处理、对单个波长的比值计算、一次微分、二次微分、和富里叶变换所获得的CV光谱值小。因此可以看出，经子区间内的比值计算所获得的能谱比较稳定。
第二实施例在被测者喝了由Shimizu Pharmaceutical公司生产的一种含糖的水溶液(试样名Trelan75)之后，用近红外光照射该被测者的手指，使用由Parkin-Elmar公司生产的近红外分光镜(型号System2000)每隔12分钟测量反射光的能谱。在测量反射光能谱的同时，我们用Kyoto Daiichi Kagaku有限公司生产的一种葡萄糖监视器(型号GM-1320)测量被测者的血糖。我们共进行了44次测量。然后对用近红外分光镜获得的反射光能谱的测量结果作下面6种处理(1)不经处理，(2)取每次实测的能值与所测的单个波长的能值之比，(3)取每次实测的能值与在每个子区间内测得的预定波长的能值之比，(4)一次微分，(5)二次微分，和(6)富里叶变换。这里，在上面(2)对单个波长的比值计算中，用波长6000cm-1下的能量值除下面括弧外的每个能量值。在上面(3)子区间内的比值计算中，用括弧内所示波长下的能量值除下面实测的括弧外的能量值。
4250cm-1(4300cm-1)，4350cm-1(4400cm-1)，4450cm-1(4700cm-1)，4500cm-1(4700cm-1)，4550cm-1(4700cm-1)，4600cm-1(4700cm-1)，4650cm-1(4700cm-1)，4750cm-1(4700cm-1)，4800cm-1(4700cm-1)，4850cm-1(4700cm-1)，5500cm-1(6300cm-1)，5600cm-1(6300cm-1)，5700cm-1(6300cm-1)，5800cm-1(6300cm-1)，5900cm-1(6300cm-1)，6000cm-1(6300cm-1)，6100cm-1(6300cm-1)，6200cm-1(6300cm-1)，6400cm-1(6300cm-1)，6500cm-1(6300cm-1)，6700cm-1(7100cm-1)，6800cm-1(7100cm-1)，6900cm-1(7100cm-1)，7000cm-1(7100cm-1)，7200cm-1(7100cm-1)，7300cm-1(7100cm-1)，7400cm-1(7100cm-1)，7500cm-1(7100cm-1)。
对于上面同时进行的44次测量所得的数据中，我们用在偶数次所得的22组数据作分析曲线；用在奇数次所得的22组数据计算浓度。具体地说，我们采用上面括弧外所示的28个波长下的吸收率值，并根据PLS多变量分析处理这些吸收率值，进行定量分析。
图13、14、15、16、17、18中分别表示根据(1)不经处理，(2)取每次实测的能值与所测的单个波长的能值之比，(3)取每次实测的能值与在每个子区间内测得的预定波长的能值之比，(4)一次微分，(5)二次微分，和(6)富里叶变换得到的定量分析结果。浓度的相关系数R和计算误差SEP表示在下面的表1中。这里，浓度的计算误差由下面方程(24)定义SEP=Σn=1n(Ch,i,ref-Ch,i,obs)2n(24)]]>其中，Ch.i.ref第h次测量时组分i浓度的实际测量值，Ch.i.obs第h次测量时组分i浓度的计算值，n浓度计算所用的数据值。
表1分离的定量分析的结果
把附图15与附图13、14、16、17、和18相比较，我们看到，取子区间内能谱的比所得到的血糖计算值比较接近血糖的实际测量值，由此使浓度的定量分析得到改进。而且，从表1我们看到，血糖的计算值和观察值之间的相关系数用子区间内能谱的比值方法比通过(1)不经处理，(2)单个波长的比值计算，(4)一次微分，(5)二次微分，和(6)富里叶变换后计算的各个相关系数大。此外，子区间内比值计算法使浓度的计算误差SEP最小。
第三实施例我们研究了光线从空气入射到水上时由于其入射角θi的变化所引起的表面透射率P(λ，θi)的变化，并对进行了比值计算的情况和没有进行比值计算的情况作了比较。
当没有进行比值计算时，我们得到的由于入射角θi的变化量Δθi＝θi、1-θi、2所引起的表面透射率P(λ，θi)的相对变化量ΔP(λ，θi)/P(λ，θi)由下面的方程(25)表示ΔP(λ，θi)/P(λ，θi)＝{P(λ，θi、1)‖-P(λ，θi、2)‖)/P(λ，θi、1)(25)另一方面，当进行了比值计算时，我们得到的由于入射角θi的变化量Δθi＝θi、1-θi、2所引起的表面透射率PN(λ，θi)的相对变化量ΔPN(λ，i)/PN(λ，θi)，由下面的方程(26)表示ΔPN(λ，θi)/PN(λ，θi)＝{P(λ，θi、1)‖/P(λr，θi、1)‖-P(λ，θi、2)‖/P(λr，θi、2)‖}/{P(λ，θi、1)‖/P(λr，θi、1)‖}(26)下面的表2和表3表示计算结果。
表2
这里，n1空气的折射率，引自Rika Nenpyo、NationalAstronomical Observatory(Maruzen公司)，n2水的折射率，根据在Rika Nenpyo中描述的下面的方程(27)计算(ns－1)×108＝6432.8＋2949810/(146-1/λ2)＋25540/(41－1/λ2)(27)表3
如表3所见，表面透射率PN(λ，θi)的相对变化量ΔPN(λ，θi)/PN(λ，θi)比表面透射率P(λ，θi)的相对变化量ΔP(λ，θi)/P(λ，θi)小。因此，通过比值计算减少了由于入射角θi的变化而引起的表面透射率P(λ，θ)的变化。也就是说，可以减小由于光对被测物体的入射角的变化而引起的透射率的波动。
虽然，对本发明已参考附图结合实施例作了充分的描述，但应该注意到，它的各种变化和修改对本领域的普通技术人员来说是显而易见的。这些变化和修改都被认为是包括在本发明的权利要求书所限定的范围内。
权利要求
1.一种在光谱测定法中稳定光谱的方法，使光照射到被测目标物，并从透射光能谱、散射光能谱和折射光能谱中选定一种光谱进行测量，从而对所说的目标物中的一种特定组分作定量分析，包括下列步骤测量穿过所说的目标物的透射光能谱或来自所说目标物的反射光能谱；把所说的能谱分成多个波长区间，由此得到多个局部的能谱；对每个波长区间内的所说的多个局部能谱中的每一个能谱用包含在所说的每个波长区间内的一个预定波长的实测能归一化；用所说的已归一化的多个局部能谱对所说的目标物中的一种特定组分进行定量分析。
2.按照权利要求1所说的在光谱测定法中稳定光谱的方法，其中，通过对所说的多个归一化的局部能谱的多变量分析，进行所说的一种特定组分的定量分析。
3.按照权利要求1或2所说的在光谱测定法中稳定光谱的方法，其中，所说的预定的波长是每个波长区间的中间值、
4.按照权利要求1或2所述的在光谱测定法中稳定光谱的方法，其中所说的特定组分是葡萄糖。
全文摘要
一种对被测目标物中的一种特定组分作定量分析的方法，包括下列步骤测量穿过目标物的透射光能谱或来自目标物的反射光能谱，把能谱分成多个波长区间，由此得到多个局部的能谱，在每个波长区间内的多个局部能谱用包含在每个波长区间内的一个预定波长的实测能值归一化，用已归一化的多个局部能谱通过多变量分析进行定量分析。
文档编号G01J3/28GK1143188SQ9610601
公开日1997年2月19日 申请日期1996年4月12日 优先权日1995年4月12日
发明者佐仓武司, 山崎丰, 久保博子, 徐可欣, 盐见元信 申请人:株式会社京都第一科学, 仓敷纺绩株式会社