基于近紅外技術(shù)的遠(yuǎn)紅外纖維定性分析

管 瑜，張 毅，邵 路

（天津工業(yè)大學(xué)紡織學(xué)部，天津 300387）

作為功能性材料，遠(yuǎn)紅外纖維已廣泛用于人們的保健服裝、床上用品等，深受消費(fèi)者的青睞，盡管價(jià)格不菲，但仍有很好的市場(chǎng)前景[1－2].與此同時(shí)，也出現(xiàn)了遠(yuǎn)紅外纖維產(chǎn)品質(zhì)量參差不齊、魚(yú)龍混雜、真假難辨等問(wèn)題，質(zhì)監(jiān)部門(mén)經(jīng)常接到消費(fèi)者對(duì)此類(lèi)產(chǎn)品的投訴.由于國(guó)家以及行業(yè)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制定滯后于產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于遠(yuǎn)紅外纖維的定性、定量分析方法尚無(wú)統(tǒng)一的規(guī)定，導(dǎo)致遠(yuǎn)紅外纖維的開(kāi)發(fā)、研究和判別受到阻礙.為了凈化市場(chǎng)，快速、準(zhǔn)確地判別遠(yuǎn)紅外纖維的品質(zhì)，開(kāi)展采用近紅外技術(shù)對(duì)遠(yuǎn)紅外纖維進(jìn)行定性分析的研究十分必要，同時(shí)對(duì)于開(kāi)發(fā)、研究遠(yuǎn)紅外纖維也具有一定的實(shí)用價(jià)值[3].本文利用近紅外光譜技術(shù)和偏最小二乘法建立了遠(yuǎn)紅外纖維的定性分析模型.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)器材與原料

實(shí)驗(yàn)儀器為上海棱光S400近紅外品質(zhì)分析儀，光譜譜區(qū)范圍為1300～2500 nm，波長(zhǎng)重復(fù)性≤1 nm，掃描間隔為 4、8、16 nm（可選）.

實(shí)驗(yàn)材料為市場(chǎng)現(xiàn)存品種即不同種類(lèi)的丙綸、滌綸、遠(yuǎn)紅外丙綸及遠(yuǎn)紅外滌綸等共10種樣品，其樣品名稱(chēng)、產(chǎn)地、樣品編號(hào)如表1所示.

表1 樣品信息Tab.1 Samples information

1.2 取樣方法的確定

實(shí)驗(yàn)樣品采用短纖形態(tài)，并對(duì)其進(jìn)行預(yù)梳理.對(duì)于個(gè)別長(zhǎng)絲形態(tài)樣品，人為剪短成30 mm左右，然后進(jìn)行預(yù)梳理備用；對(duì)于針刺棉等絮狀結(jié)構(gòu)樣品，則經(jīng)手扯開(kāi)松后備用.

將經(jīng)過(guò)預(yù)梳理后的實(shí)驗(yàn)樣品用剪刀剪成1 cm長(zhǎng)度試樣.每種實(shí)驗(yàn)樣品采用四分法取樣2.000 g，而后從中隨機(jī)抽取出0.500 g（定量偏差為±1%）作為一個(gè)試驗(yàn)子樣，共抽取3份，分別作為試驗(yàn)試樣、平行試樣和備用試樣.

1.3 實(shí)驗(yàn)原理與步驟

根據(jù)近紅外光譜分析法[4-6]，利用近紅外品質(zhì)測(cè)定儀采集纖維樣品的原始光譜圖，對(duì)原始譜圖進(jìn)行導(dǎo)數(shù)預(yù)處理，并利用偏最小二乘法建立定性分析模型[7].通過(guò)比較分析未知樣品的譜圖與已知樣品的標(biāo)準(zhǔn)譜圖，確定未知樣品的性質(zhì)歸屬.

近紅外光譜實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為掃描次數(shù)10次、掃描間隔4 nm（為減小誤差，選最小值）.將樣品均勻平鋪于樣品池，放入儀器進(jìn)行掃描.掃描結(jié)束后取出樣品，用手將樣品手扯開(kāi)松混勻后進(jìn)行再次光譜掃描.重復(fù)此操作步驟2次，每份樣品共掃描3張光譜.綜合試驗(yàn)試樣和平行試樣，每種被測(cè)樣品共可得到6張近紅外光譜.共有10種樣品，掃描結(jié)束后便可以得到60張近紅外光譜圖，其中10張近紅外光譜圖（每種纖維各一張）做預(yù)測(cè)集，其余50張近紅外光譜圖做建模集[8-9].

2 近紅外光譜譜圖分析

掃描10號(hào)丙綸短纖所獲得的光譜圖如圖1（a）所示；掃描7號(hào)遠(yuǎn)紅外丙綸長(zhǎng)絲所獲得的光譜圖如圖1（b）所示.掃描2號(hào)滌綸普通短纖所獲得的光譜圖如圖1（c）所示；掃描8號(hào)遠(yuǎn)紅外滌綸短纖所獲得的光譜圖如圖 1（d）所示.

從圖 1（a）和圖 1（b）的原始光譜圖可以看出，丙綸短纖與遠(yuǎn)紅外丙綸長(zhǎng)絲的曲線(xiàn)形態(tài)基本相同，走勢(shì)十分接近；由圖 1（c）和圖1（d）可以看出，雖然滌綸普通短纖與遠(yuǎn)紅外滌綸短纖光譜的曲線(xiàn)走勢(shì)稍有區(qū)別，但并不顯著.近紅外光譜往往包含一些與待測(cè)樣品性質(zhì)無(wú)關(guān)的因素干擾，如樣品的狀態(tài)、光的散射、雜散光及儀器響應(yīng)等.這些干擾因素將導(dǎo)致近紅外光譜的基線(xiàn)漂移和光譜的不重復(fù)性.因此，建立定性模型前應(yīng)對(duì)原始光譜進(jìn)行預(yù)處理.

本實(shí)驗(yàn)采用二階導(dǎo)數(shù)法[10]對(duì)原始光譜圖進(jìn)行預(yù)處理.10號(hào)丙綸短纖經(jīng)預(yù)處理后的光譜圖如圖2（a）所示，7號(hào)遠(yuǎn)紅外丙綸長(zhǎng)絲經(jīng)預(yù)處理后的光譜圖如圖2（b）所示；2號(hào)滌綸普通短纖經(jīng)預(yù)處理后的光譜圖如圖2（c）所示，8號(hào)遠(yuǎn)紅外滌綸短纖經(jīng)預(yù)處理后的光譜圖如圖 2（d）所示.

經(jīng)過(guò)預(yù)處理消除了待測(cè)樣品中一些無(wú)關(guān)因素的干擾.從圖2（c）和圖 2（d）可以清晰看出，相同波數(shù)讀出了不同吸光度的數(shù)值，而圖 2（a）和圖 2（b）在相同波數(shù)下吸光度的值也略有差別.說(shuō)明經(jīng)過(guò)對(duì)原始譜圖進(jìn)行預(yù)處理，排除了無(wú)關(guān)因素的干擾，有利于所建模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性.

3 定性模型的建立與驗(yàn)證

針對(duì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)，采用偏最小二乘法建立定性模型.經(jīng)一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)處理后，其結(jié)果如表2和表3所示.

表2 普通丙綸與遠(yuǎn)紅外丙綸光譜經(jīng)導(dǎo)數(shù)處理的定性建模結(jié)果Tab.2 Qualitative modeling result for polypropylene and far-infrared polypropylene

表3 普通滌綸與遠(yuǎn)紅外滌綸光譜經(jīng)導(dǎo)數(shù)處理的定性建模結(jié)果Tab.3 Qualitative modeling result for polyester and far-infrared polyester

經(jīng)過(guò)對(duì)比選擇，本實(shí)驗(yàn)所建的2個(gè)定性模型都選取二階導(dǎo)數(shù)處理，遠(yuǎn)紅外丙綸與普通丙綸定性模型選擇的主成分?jǐn)?shù)是3，而遠(yuǎn)紅外滌綸與普通滌綸的定性模型的主成分?jǐn)?shù)選擇2已經(jīng)足夠，2個(gè)模型的平滑點(diǎn)數(shù)都選擇為15.

通過(guò)定性模型結(jié)果可以看出，2個(gè)模型能分別對(duì)普通丙綸和遠(yuǎn)紅外丙綸、普通滌綸和遠(yuǎn)紅外滌綸進(jìn)行正確的鑒別.對(duì)10個(gè)已知成分樣品進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)于遠(yuǎn)紅外丙綸，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)99%；對(duì)于遠(yuǎn)紅外滌綸，其預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)100%.這足以證明該模型能滿(mǎn)足對(duì)丙綸基和滌綸基遠(yuǎn)紅外纖維的快速、準(zhǔn)確的檢測(cè)，并且具有良好的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性.

4 結(jié)論

（1）本文所建的2個(gè)定性分析模型能分別對(duì)丙綸和遠(yuǎn)紅外丙綸、滌綸和遠(yuǎn)紅外滌綸進(jìn)行正確鑒別，具有一定的預(yù)測(cè)穩(wěn)定性.對(duì)遠(yuǎn)紅外丙綸預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)99%，對(duì)遠(yuǎn)紅外滌綸預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)100%，說(shuō)明采用近紅外光譜分析法對(duì)遠(yuǎn)紅外纖維進(jìn)行定性分析是可行的.

（2）采用近紅外光譜法進(jìn)行遠(yuǎn)紅外纖維定性分析時(shí)，建模精度至關(guān)重要.而要提高精度，就必須增加試驗(yàn)樣本量，采集更多的近紅外光譜，以增強(qiáng)所建模型的預(yù)測(cè)精度和穩(wěn)定性.

（3）研究分析表明，近紅外光譜法不僅能夠?qū)h(yuǎn)紅外纖維進(jìn)行定性分析，而且也可用于遠(yuǎn)紅外纖維的定量分析，定量分析方法還需進(jìn)一步探索.

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