1 北京化工大学信息科学与技术学院, 北京 100029
2 北京化工大学化学学院, 北京 100029
为了建立快速、 准确的白酒品质鉴别方法, 利用机器学习方法对不同品质的白酒建模。 为了提取不同品质白酒的特征, 使用离子迁移谱对不同品质白酒进行分析, 构建了基于白酒离子迁移谱信号的特征向量, 并对不同品质的白酒进行了识别与分类。 白酒样本的离子迁移谱信号通过利用美国Excellims公司GA2100型电喷雾-离子迁移谱仪(ESI-IMS)采集获得, 每一个离子迁移谱信号是强度随时间变化的时间序列信号; 提取了原始数据离子迁移谱的时域特征谱峰。 为了获得更全面的特征, 对离子迁移谱数据进行了傅里叶变换并提取频域内的特征谱峰。 同时为了表述信号变化的特征, 计算了离子迁移谱的谱熵和过零率, 构建N×9维的特征向量矩阵; 使用主成分分析(PCA)和线性判别分析(LDA)分别对上述获得的特征进行了特征降维, 其中使用PCA对特征向量矩阵降维后的前三维特征对整体特征的累计贡献率达到了95%, 而使用LDA对特征向量矩阵降维后的前两维特征对整体特征的累计贡献率就达到了95%。 因此, 选择了LDA作为特征降维方法; 最后, 利用机器学习中的非线性分类器支持向量机(SVM)对白酒离子迁移谱数据进行分类研究。 实验结果表明, 在真酒和添加酒精的白酒二分类中, SVM方法正确分类率达到100%; 而在真酒和分别添加10%, 20%, 30%, 40%和50%酒精浓度的五种假酒的六分类中, SVM方法正确分类率达到99.7%。 比较了逻辑回归(LRM)分类、 模糊C均值分类(FCM)和K近邻分类(KNN)对白酒样本离子迁移谱分类实验结果。 研究表明, 对于离子迁移谱非常接近的真酒和添加酒精的白酒, 基于频谱特征向量的SVM方法能够准确的区分开来, 为白酒的品质鉴别提供了一种新的检测方法。
离子迁移谱 白酒品质 支持向量机 时频谱特征 Ion mobility spectroscopy Chinese liquor quality Support vector machine (SVM) Time and frequency feature 光谱学与光谱分析
2021, 41(9): 2962
1 湖南农业大学食品科学技术学院, 长沙 410128
2 长沙海关技术中心, 长沙410004
3 湖南省农业科学院农产品加工研究所, 长沙 410125
本研究采用顶空-气相色谱-离子迁移谱(HS-GC-IMS)技术对经热风干燥、红外干燥、真空冷冻干燥和自然晾晒4种干燥方式处理的小米椒进行挥发性风味物质分析。结果表明: 这4种干燥方式获得的小米椒中共鉴定出挥发性风味物质39种, 其中酯类9种、醛类10种、醇类10种、呋喃类2种、吡嗪类3种、酮类3种、有机酸类2种; 小米椒干燥后的主要风味物质为酯类、醛类和醇类化合物。主成分分析(PCA)和热图聚类结果表明: 相比于真空冷冻干燥与自然晾晒, 热风干燥与红外干燥的挥发性风味物质具有较高的相关性; 而与热风干燥和红外干燥相比, 真空冷冻干燥与自然晾晒间的差异较大; 干燥过程中部分挥发性风味物质间具有较强的相关性, 如酯类和醇类、醇类和醛类等, 其通过化学反应可实现风味物质间的转化。干燥方式对挥发性风味物质种类影响较小, 热风干燥、红外干燥、真空冷冻干燥、自然晾晒的小米椒挥发性风味物质种类分别为39、37、36、34种。然而, 干燥方式对小米椒挥发性风味物质的含量有明显的影响。与真空冷冻干燥和自然晾晒相比, 热风干燥和红外干燥处理的样品中酯类、呋喃类和吡嗪类物质含量较高, 而在真空冷冻干燥和自然晾晒处理的样品中醛类物质含量高于热风干燥和红外干燥。总之, 相比于其他干燥方式, 热风干燥与红外干燥对丰富干制小米椒的风味具有积极的影响。本研究将为干制小米椒的加工及风味品质调控提供理论依据。
顶空-气相色谱-离子迁移谱 小米椒 干燥方式 挥发性风味物质 headspace-gas chromatography-ion mobility spectrom Capsicum frutescens drying method volatile substances
1 国民核生化灾害防护国家重点实验室, 北京 102205
2 中国科学院自动化研究所, 北京 100190
3 中国科学院大学, 北京 100190
离子迁移谱（IMS）是一种常压下快速、 高灵敏度的痕量化学物质检测方法, 广泛应用于化学战剂、 爆炸物和毒品等检测领域。 在离子迁移谱定性和定量分析中, 采集到的原始谱图除了包含样品自身信息外, 还包含了电噪声、 背景干扰等噪声, 特别是当分析物浓度低时, 噪声会严重影响定性和定量分析的准确性。 为提高离子迁移谱技术化学物质识别准确率, 需要对离子迁移谱谱图信号进行重构。 本文提出一种可同时实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取的新方法。 通过建立优化目标函数, 采用l1范数作为线性惩罚项, λ为正则化参数用来调节惩罚项在优化过程中的比例。 为了求解优化目标函数, 首先构造一个由Gaussian分布函数构成的超完备字典来表示离子迁移谱离子特征峰峰形, 采用替代函数方法对优化目标函数进行迭代求解, 当达到重构谱图与原始谱图均方根误差小于设定的阈值时停止迭代。 为了验证提出的方法性能, 分别采用仿真数据和甲基磷酸二甲酯（DMMP）样本数据进行验证, 其中仿真数据由高斯分布函数字典原子及高斯白噪声组成。 与此同时, 我们对仿真数据和真实样本数据分别采用小波软阈值、 小波硬阈值及S-G平滑滤波算法进行去噪重构。 采用均方根误差（RMSE）和信噪比（SNR）作为评价指标, 实验结果表明该方法成功实现离子迁移谱谱图重构和特征峰提取, 预处理结果比其他三种方法有显著的性能提升, 为开展离子迁移谱定性和定量分析研究提供了基础。
离子迁移谱 谱图重构 特征峰提取 稀疏表示 替代函数法 Ion mobility spectrometry Spectrum reconstruction Characteristic peaks extraction Sparse representation Surrogate function algorithm 光谱学与光谱分析
2020, 40(9): 2681
1 合肥工业大学汽车与交通工程学院, 安徽 合肥 230009
2 中国科学院合肥智能机械研究所传感技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230031
3 中国科学技术大学自动化系, 安徽 合肥 230027
载气混合是提高高场不对称波形离子迁移谱（FAIMS）离子分离能力的一个重要方法, 在生物大分子质谱研究领域已得到广泛应用, 但缺乏在环境小分子领域的研究。 选取挥发性有机物（VOCs）中芳香烃、 醇、 烷烃、 酸、 酮类中的五种物质（邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 乙酸、 丙酮）为研究对象, 研究了混合气体中He-N2比例对VOCs中单体-二聚体离子混叠峰峰位置、 分离度及总离子通过率的影响。 实验结果表明, 随着FAIMS载气中He比例的增加, 5种VOCs中单体及二聚体离子峰峰位置发生偏移, 且单体峰与二聚体峰偏移程度不同, 单体峰偏移量先增加后减少, 而二聚体峰峰位置偏移量逐渐增加; 随着FAIMS载气中He比例的增加, 五种VOCs离子混叠峰的分离度逐渐增加并趋于饱和, 邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 乙酸、 丙酮5种样品的混叠峰分离度达到饱和时对应He比例分别是: 20%, 30%, 10%, 40%和20%; 随着FAIMS载气中He比例的增加, 邻二甲苯、 异丁醇、 正己烷、 丙酮的离子信号强度无明显变化, 乙酸的离子信号强度下降明显。 该研究为提高FAIMS对环境小分子的分离能力提供了一种可行的方法。 同时, 也验证了高电场下布朗定律在小分子离子应用上的有效性。
高场不对称离子迁移谱 分离度 挥发性有机物 混合载气 High-field asymmetric waveform ion mobility spectr Resolution Volatile organic compounds Carrier gas mixing 光谱学与光谱分析
2019, 39(9): 2713
桂林电子科技大学 生命与环境科学学院, 广西 桂林 541004
为了实现离子源和高场非对称波形离子迁移谱的其它部分的集成, 本文基于PCB工艺设计了一种新型的针-环离子源结构。该结构主要由针电极、环电极、进气底座以及针固定底座组成, 针电极采用针尖曲率半径为28 μm的不锈钢针作为放电阴极, 直径为3 mm、高度为16 mm的铜环作为放电阳极。放电特性实验结果表明: 针-环离子源在放电电压-2 kV和-2.8 kV时, 分别进入了电晕放电和辉光放电, 能够在大气压环境下实现稳定放电。在载气流速为1.5 L/min、方波射频电压幅值为300 V的条件下, 两者FAIMS谱图中补偿电压基本相同, 且采用针-环离子源和紫外灯离子源所得的FAIMS谱图的电流峰值分别为64 pA和45 pA, 由此表明集成式针-环离子源FAIMS系统能够稳定工作, 且相比紫外灯离子源集成性更好, 电流信号更强。
针-环离子源 高场非对称波形离子迁移谱 集成 紫外灯离子源 needle-ring ion source high-field asymmetric waveform ion mobility spectr integration UV-lamp ion source
1 上海理工大学 上海市现代光学系统重点实验室, 上海 200093
2 上海理工大学 光电信息与计算机工程学院, 上海 200093
3 公安部第三研究所, 上海 200031
4 中国科学院 上海高等研究院, 上海 201210
光学检测的指纹图谱具有专属性强、稳定性好、重现性好的特性。通过离子迁移谱毒品探测仪(IMS)与易制毒化学品拉曼快速检查仪分别采集离子与拉曼光谱的双谱图数据,然后将两个谱图进行创新数据融合后,结合主成分分析(PCA)和支持向量机(SVM)分类法对毒品进行鉴别。实验结果表明,融合后的数据相较于分别用单谱图数据进行鉴别,有效提高了对毒品的识别率和准确性。为鉴别毒品提供了一种安全、快速、可靠的新分析方法。
禁毒 指纹图谱 离子迁移谱 拉曼光谱 数据融合 主成分分析 支持向量机 drug control fingerprint ion mobility spectrometry Raman spectroscopy data fusion principal component analysis support vector machine
1 中国科学院合肥智能机械研究所, 传感技术国家重点实验室, 安徽 合肥 230031
2 合肥工业大学机械工程学院, 安徽 合肥 230009
挥发性氯代苯是一类典型的环境有机污染物, 离子迁移谱(IMS)是一种大气压下基于离子迁移率的快速现场检测技术。 采用自制的真空紫外离子源-高场不对称波形离子迁移谱(UV-FAIMS), 对空气中氯苯、 对二氯苯、 邻二氯苯、 间二氯苯进行了检测。 获取了不同分离电压条件下的CV-I谱图, 并以此得到了四种物质的CV-DV指纹谱图。 在指纹谱图支持下, 设计了对二氯苯、 邻二氯苯、 间二氯苯三种同分异构体最优化分离检测参数, 结果表明在800和1 000 V的分离电压下, 通过特征峰的选取, 在补偿电压(CV)为20.4 V(DV=800 V), 3.2 V (DV=800 V)和11.9 V (DV=1 000 V)处三种物质的混合物可以得到有效的分离识别。 研究了流速对谱图峰位置和峰形的影响, 得到不同流速下灵敏度和识别精度关系, 为优化流量的选取提供了依据。 在特征识别前提下考察了DV=450 V条件下, CV=4.3 V的对二氯苯特征峰的UV-FAIMS检测限, 结果高达0.05 mg·m-3。 该研究为卤代苯等多同分异构体苯类环境污染物的快速高精度检测提供了一种方法参考。
氯代苯 挥发性有机污染物 同分异构体 真空紫外离子源 高场不对称波形离子迁移谱 Chlorobenzenes VOCs Isomeride Ultra violet ion source Field asymmetric waveform ion mobility spectrometr 光谱学与光谱分析
2017, 37(10): 3170
1 中国科学院合肥物质科学研究院医学物理与技术中心医用光谱质谱研究室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所环境光谱学研究室, 安徽 合肥 230031
3 安徽理工大学电气与信息工程学院, 安徽 淮南 232001
哈达玛多路复用技术能有效改善离子迁移谱的信噪比,但在哈达玛还原谱中出现了假峰等 失真现象,严重影响了离子迁移谱(IMS)的检测性能。通过改变多路复用参数来观察哈达玛变换离子迁移谱 中的假峰变化情况,分析了各种多路复用参数与哈达玛变换离子迁移谱中假峰的关联性。实验结果表 明:多路复用参数的变化可能会改变假峰的位置或峰型,但无法从根本上消除哈达玛离子迁移谱的假峰现象。 结果进一步证明了哈达玛多路复用中固有的调制缺陷可能是哈达玛变换离子迁移谱中出现假峰的主要原因之一。
光谱 哈达玛变换 离子迁移谱 信噪比 假峰 多路复用参数 spectroscopy Hadamard transform ion mobility spectrometry signal to noise ratio false peaks multiplexing parameters
1 中国科学院合肥物质科学研究院医学物理中心医用光谱质谱研究室, 安徽 合肥 230031
2 中国科学院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
3 安徽农业大学, 安徽 合肥 230036
常温大气压下,在电子能量为0.35～0.65 eV的范围内,使用 氮气负电晕放电-电子吸附-离子迁移谱, 测量了CH2 Br2 , CH2 BrCl,CHBr3 的电子吸附速率常数,得到电子吸附速率常数的大小关系 为k(CH2 Br2 )>k(CH2 BrCl), k(CH2 Br2 )>k(CHBr3 ),并根据电子亲和势对CH2 Br2 和CH2 BrCl的 大小关系进行理论分析。首次对CHBr3 的电子吸附过程进行了定性分析,发现样品蒸汽 在迁移区通入迁移管时,溴离子会与CHBr3 分子络合成团簇离子Br-(H2 O)n (CHBr3 )m 。
光谱学 离子迁移谱 电晕放电 速率常数 spectroscopy ion mobility spectrometry corona discharge rate constant
天津大学 精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津 300072
尝试采用脉冲电晕放电作为离子迁移谱仪中的放射性离子源以简化离子迁移谱仪结构。研究了脉冲电晕放电的特性，测量了单次脉冲电晕放电产生的正离子数，以及正离子数与高压脉冲的关系，正离子数与电极间距的关系以及在不同针尖曲率半径下，正离子数随高压脉冲的变化。确定脉冲电晕放电离子源的各电极参数后，设计了脉冲电晕放电离子源及相应的离子迁移谱仪主体结构。最后，利用自行设计的离子迁移谱仪，探测了空气中反应物离子H+(H2O)n的迁移谱。结果显示：离子迁移谱的峰值对应时间为47.5 ms，峰值半高宽为7.5 ms，由此算出离子迁移谱仪的谱分辨率为6.33。实验验证了脉冲电晕放电作为离子迁移谱仪离子源的可行性。由于脉冲电晕放电结构极易采用微机电系统(MEMS)技术实现，其对应的迁移管和传统迁移管相比去除了离子门，简化了离子迁移谱仪的结构。
离子迁移谱仪 离子源 脉冲电晕放电 微机电系统 ion mobility spectrometer ion source pulse corona discharge Micro-electronic-mechanic System(MEMS) 光学 精密工程
2013, 21(12): 3095
