基于紫外漫反射光譜的紡織纖維的鑒別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于紫外光譜技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域，尤其涉及一種基于紫外漫反射光譜技術(shù)的紡織纖維定性鑒別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著光譜技術(shù)的迅速發(fā)展，光學(xué)測(cè)量在材料性能表征中占有非常重要的位置。紫外漫反射光譜(UV-Vis DRS)是材料譜學(xué)分析的基本手段之一，目前主要在研宄過(guò)渡金屬離子及其化合物結(jié)構(gòu)、活性組分與載體間的相互作用等方面有所應(yīng)用，尤其是在催化劑表征方面的應(yīng)用日益受到重視，在文物保護(hù)上也有所應(yīng)用，然而在高分子纖維材料的定性分析方面鮮有涉及。
[0003]紫外光譜儀器相比其他儀器(如核磁共振儀)具有價(jià)格便宜、操作簡(jiǎn)便、分析快速等特點(diǎn)，因而具有更加廣泛的開(kāi)發(fā)應(yīng)用前景。目前應(yīng)用廣泛的是紫外吸收光譜，它具有靈敏度高、準(zhǔn)確度好、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是許多有機(jī)物和無(wú)機(jī)物分析中很方便的一種手段，可用于定性和定量分析。但吸收光譜法在使用過(guò)程中也受到一定的限制。根據(jù)朗伯-比耳定律，所測(cè)樣品必須是一定濃度的均勻溶液。這就局限了紫外吸收光譜法的實(shí)際測(cè)量范圍，也使得在對(duì)固體、粉末、乳濁液和懸濁液樣品的測(cè)定中，誤差較大，測(cè)量效果不理想。反射光譜法能有效地解決這一問(wèn)題。
[0004]與吸收光譜不同，反射光譜主要是利用光在樣品表面的反射來(lái)獲取樣品的表面信息。光的反射一般可以分為鏡面反射與漫反射。鏡面反射只發(fā)生在表面顆粒的表層，因?yàn)殓R面反射光沒(méi)有進(jìn)入樣品和顆粒的內(nèi)部，未與樣品內(nèi)部發(fā)生作用，因此它沒(méi)有負(fù)載樣品的結(jié)構(gòu)和組成的信息，不能用于樣品的定性和定量分析。而漫反射光是一種光進(jìn)入樣品內(nèi)部后，經(jīng)過(guò)多次反射、折射、衍射、吸收后返回表面的光，它是一種與樣品內(nèi)部分子發(fā)生了相互作用后的光，因此負(fù)載了樣品結(jié)構(gòu)和組成信息。
[0005]當(dāng)前，紡織纖維的檢測(cè)鑒別是利用各種纖維的外觀形態(tài)和內(nèi)在性質(zhì)的差異，采用物理、化學(xué)及兩者相結(jié)合的方法將其區(qū)別開(kāi)來(lái)。傳統(tǒng)采用的方法有感官鑒別、顯微鏡法、燃燒法、溶解法、著色法、熔點(diǎn)法等。對(duì)一般纖維，用上述方法就可比較準(zhǔn)確、方便地進(jìn)行鑒另IJ。但對(duì)組成和結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的纖維如共混纖維等則需借助近代儀器進(jìn)行鑒別，如差熱分析儀、紅外光譜、氣相色譜儀、X-射線(xiàn)衍射儀和電子顯微鏡等。上述每種鑒別方法都有各自的特點(diǎn)和適用范圍，在實(shí)際鑒別時(shí)一般不使用單一方法，而須將幾種方法進(jìn)行合理的選擇、適當(dāng)?shù)慕M合、正確地運(yùn)用并進(jìn)行綜合分析，才能得出正確結(jié)論。特別是化學(xué)成分相近的纖維(如棉、麻和新型粘膠纖維)之間的區(qū)分非常困難。由于化驗(yàn)室方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力以及檢測(cè)成本高，無(wú)法解決流通領(lǐng)域中大量纖維樣品的抽檢任務(wù)，同時(shí)有些檢測(cè)方法會(huì)對(duì)樣品產(chǎn)生破壞，部分化學(xué)檢測(cè)方法甚至?xí)：Νh(huán)境。因此，建立一種紡織纖維的快速無(wú)損、方便快捷、綠色環(huán)保的檢驗(yàn)新方法具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
[0006]吳桂芳等提出了一種用近紅外光譜技術(shù)快速無(wú)損別纖維品種的新方法(《光譜學(xué)與光譜分析》，2010年，第30卷，第2期)，該方法應(yīng)用可見(jiàn)近紅外光譜漫反射技術(shù)測(cè)定各種纖維的光譜曲線(xiàn)，通過(guò)主成分分析方法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行模式特征分析，根據(jù)主成分的累積貢獻(xiàn)率選用前6個(gè)主成分?jǐn)?shù)進(jìn)行建模和預(yù)測(cè)。通過(guò)建立最小二乘支持向量機(jī)模型對(duì)主成分分析模型進(jìn)行優(yōu)化，將前6個(gè)主成分作為最小二乘支持向量機(jī)的輸入變量，建模式識(shí)別模型，實(shí)現(xiàn)類(lèi)別預(yù)測(cè)的同時(shí)也完成了數(shù)學(xué)建模和優(yōu)化分析工作。由于近紅外光能量較弱，近紅外光譜的有效信息率較低，該方法需要的樣品量較多，并且該方法中根據(jù)主成分的累積貢獻(xiàn)率選用主成分?jǐn)?shù)也偏多。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種基于紫外漫反射光譜技術(shù)的常規(guī)無(wú)色紡織纖維鑒別方法。本發(fā)明用帶積分球的紫外分光光度計(jì)進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，利用SPSS軟件對(duì)預(yù)處理后的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，然后利用光譜分析軟件TQ Analyst軟件建立判別分析的定性模型，最后利用該判別模型來(lái)分析待檢纖維樣品的類(lèi)別。此方法能做到快速無(wú)損，并且綠色環(huán)保，可為企業(yè)或產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)部門(mén)對(duì)紡織纖維定性分析提供一種新的方法。
[0008]為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于紫外漫反射光譜的紡織纖維的鑒別方法，包括以下步驟:
[0009](a)、試樣制備:
[0010]待測(cè)樣品為梳理后的短纖維，每種待測(cè)樣品采用四分法取樣2g，然后分成四份各0.5g±l%，三份為待測(cè)平行樣，一份為備用樣；
[0011 ] 短纖維是指長(zhǎng)度< 30mm的纖維；
[0012](b)、原始譜圖數(shù)據(jù)采集:
[0013]利用檢測(cè)設(shè)備采集常規(guī)的本色紡織纖維的紫外漫反射光譜數(shù)據(jù)；
[0014]S卩，設(shè)立建模集；
[0015](C)、標(biāo)準(zhǔn)譜圖制備:
[0016]對(duì)所得的常規(guī)本色紡織纖維的紫外漫反射原始譜圖數(shù)據(jù)利用光譜數(shù)據(jù)處理軟件(例如為Origin等)進(jìn)行預(yù)處理，得到紡織纖維樣品的標(biāo)準(zhǔn)譜圖；
[0017](d)、分析模型的建立:
[0018]依據(jù)步驟(C)所得的光譜數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)類(lèi)軟件(例如SPSS等)，采用主成分分析法對(duì)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)特征分析，根據(jù)主成分方差的累積貢獻(xiàn)率多85%的主成分?jǐn)?shù)進(jìn)行判別分析，然后利用TQ Analyst分析軟件判別分析法建立纖維的定性分析模型，最后對(duì)待檢纖維樣本的圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行類(lèi)別判別分析。
[0019]S卩，與建模集中同類(lèi)纖維(即，上述步驟b中的常規(guī)的本色紡織纖維)進(jìn)行相似程度分析，從而最終得知待測(cè)樣品是否屬于建模集中的纖維，以及得知屬于建模集中的具體哪種纖維。
[0020]備注說(shuō)明:主成分分析法和判別分析法屬于計(jì)量統(tǒng)計(jì)學(xué)和光譜分析中的通用分析方法。
[0021]作為本發(fā)明的基于紫外漫反射光譜的紡織纖維的鑒別方法的改進(jìn):所述步驟(b)中的檢測(cè)設(shè)備為帶積分球附件的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)，設(shè)置掃描間隔:lnm，光譜帶寬:2.0nm，掃描速度:中速，掃描范圍:230-400nm ;每種樣品掃描三個(gè)平行樣，取平均值。
[0022]備注說(shuō)明:帶積分球附件的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)上設(shè)有高、中、低速三種選擇。
[0023]作為本發(fā)明的基于紫外漫反射光譜的紡織纖維的鑒別方法的進(jìn)一步改進(jìn):常規(guī)的本色紡織纖維(即，該紡織纖維沒(méi)有經(jīng)過(guò)著色處理，呈現(xiàn)的是其本身的顏色)包括:棉、麻、絲、毛、粘膠、滌綸。
[0024]作為本發(fā)明的基于紫外漫反射光譜的紡織纖維的鑒別方法的進(jìn)一步改進(jìn):所述步驟(C)中的譜圖預(yù)處理方法為9點(diǎn)Savitzky-Golay平滑濾波法。
[0025]本發(fā)明的具體步驟如下:
[0026](一 )準(zhǔn)備測(cè)試樣品:取2g的短纖形態(tài)纖維樣品，開(kāi)松、梳理成網(wǎng)狀。然后分成四份各0.5g± I %，三份為待測(cè)平行樣，一份為備用樣。對(duì)于長(zhǎng)絲形態(tài)的樣品，首先人為剪短為30mm左右長(zhǎng)度的短纖維，然后梳理成網(wǎng)；對(duì)于絮狀結(jié)構(gòu)樣品則通過(guò)手扯開(kāi)松后使用。
[0027]( 二)開(kāi)啟裝有紫外漫反射光譜掃描軟件的計(jì)算機(jī)和與計(jì)算機(jī)聯(lián)機(jī)的帶積分球附件的紫外可見(jiàn)分光光度計(jì)；
[0028]備注說(shuō)明:該計(jì)算機(jī)是與檢測(cè)設(shè)置配套的記錄和顯示設(shè)備，機(jī)內(nèi)裝有檢測(cè)設(shè)備自帶的紫外漫反射光譜掃描軟件，可得到紫外漫反射光譜圖和數(shù)據(jù)，并可導(dǎo)出，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)類(lèi)軟件在該計(jì)算機(jī)中或其它計(jì)算機(jī)中均可使用。
[0029](三)打開(kāi)計(jì)算機(jī)中的掃描軟件，設(shè)置分光光度計(jì)的使用參數(shù)，確定波長(zhǎng)掃描范圍；
[0030]設(shè)置掃描間隔:lnm、光譜帶寬:2.0nm、掃描速度:中速、波長(zhǎng)范圍:230_400nm。
[0031](四)根據(jù)分光光度計(jì)的使用說(shuō)明進(jìn)行暗電流校正和基線(xiàn)校正；
[0032](五)裝夾樣品:將樣品裝入積分球樣品盒中，壓緊，樣品表面蓋上石英玻璃片，進(jìn)行光譜測(cè)定，采集原始光譜數(shù)據(jù)圖:每樣品測(cè)定一次，取三個(gè)平行樣的平均值為最后測(cè)定值。
[0033](六)進(jìn)行圖譜的預(yù)處理，制備標(biāo)準(zhǔn)譜圖。
[0034]用Origin等數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行原始光譜數(shù)據(jù)的預(yù)處理，得到樣品的紫外漫反射光譜圖。使用的光譜預(yù)處理的方法為9點(diǎn)Savitzky-Golay平滑濾波法。該預(yù)處理方法為現(xiàn)有技術(shù)，在光譜分析中，平滑可以降低光譜的噪聲，達(dá)到改善光譜形狀的目的。
[0035](七)建立判別分析模型:利用TQAnalyst分析軟件，采用判別分析法建立纖維的定性判別分析模型。用一組已知類(lèi)別的樣品作為建模集，另選一定數(shù)量的纖維的樣品作為驗(yàn)證集；利用SPSS軟件中主成分分析方法對(duì)建模集中采集的標(biāo)準(zhǔn)光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行特征分析，根據(jù)主成分方差的累積貢獻(xiàn)率選用一定的主成分?jǐn)?shù)進(jìn)行建模，主成分的累積貢獻(xiàn)率多85%即可滿(mǎn)足分析要求；將選用的主成分作為判別分析法的輸入變量，再利用TQ Analyst分析軟件中的判別分析法將已知類(lèi)別的建模集樣品的紫外漫反射光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為得分?jǐn)?shù)據(jù)，采用距離判別方法進(jìn)行運(yùn)算，建立判別模型，用驗(yàn)證集中的數(shù)據(jù)對(duì)判別模型進(jìn)行檢驗(yàn)，驗(yàn)證模型的可靠性。判別分析中定義一個(gè)距離匹配值的限值，本方法中限值設(shè)置為5。距離判別方法中的距離匹配值由計(jì)算殘差得到，表示差別程度，范圍為100到0，O表示最匹配。
[0036](八)進(jìn)行判別分析:利用TQAnalyst分析軟件中建立的判別模型對(duì)需判定的未知樣本進(jìn)行類(lèi)別判別。未知樣本的光譜測(cè)定方法同上(步驟一至五)，判別后可利用軟件中的相似度匹配模型對(duì)判別后的未知纖維與建模集中同類(lèi)纖維進(jìn)行相似程度分析來(lái)進(jìn)一步驗(yàn)證判別的準(zhǔn)確性，也可用其它檢測(cè)方法進(jìn)行驗(yàn)證。在相似度匹配模型中的匹配值表示相似程度，范圍為O到100，100表示最相似。
[0037]綜上所述，本發(fā)明利用紫外漫反射光譜技術(shù)建立了一種快速無(wú)損、方便簡(jiǎn)捷的紡織纖維的定性鑒別的新方法，即，基于紫外漫反射光譜技術(shù)的紡織纖維定性鑒別方法。本發(fā)明是針對(duì)常規(guī)無(wú)色紡織纖維的定性分析，其方法為:首先測(cè)定已知類(lèi)別的紡織纖維的紫外漫反射光譜，然后把各類(lèi)紡織纖維的光譜數(shù)據(jù)導(dǎo)入數(shù)據(jù)分析軟件；利用軟件對(duì)各類(lèi)紡織纖維的紫外漫反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立纖維的判別模型