1、引言
在土壤红外光谱分析中,红外透射光谱需要压片制样,以确保分析样品的均一性和透过性,不仅耗时而且破坏样品结构;红外反射光谱对制样要求不高,但受样品粒径大小和散射光的影响。此外,这两种光谱技术都难以表征土壤样品的组成变异,尤其不适合于土壤有机矿质复合体的剖面分析。近些年,红外光声光谱技术被引入土壤分析工作中,且成效显著。红外光声光谱技术基于光声效应,以其独特的采样特点得到了日益广泛的重视。相比与红外透射或反射光谱,红外光声光谱的优点主要表现为:不受样品形态限制,对固、液或粉末,透明或者不透明样品均可分析;不受样品粒径大小的影响,不存在散射光的干扰问题;无需样品前处理,可实现真正的无损测试,且测试需样量小。尤为突出的是,红外光声光谱技术可以对样品不同深度的组成与结构进行原位剖面分析(In situ depth profiling),因而能够表征组成不均一的异质性样品,如土壤样品。
在红外光声光谱测定时,周期性调制的红外光被样品吸收,经无辐射弛豫过程而放出热量,产生热波信号,并逐渐向样品表面扩散,与表面惰性气体(常为氦气)耦合,激发压力波信号。该信号被微音器检测,由计算机处理即得到样品的红外光声光谱图。被测样品的红外光声光谱图,反映了光声测量深度范围内的组成与结构信息。根据固体光声理论,热波扩散过程和光辐射衰减过程决定了光声光谱的测量深度,而热波扩散过程和光辐射衰减过程分别决定于样品光吸收系数β和热扩散系数α。
当β>α时,热扩散深度内的光辐射会全部被样品吸收,光声信号的强度独立于β,即为所谓的光声信号饱和现象,使得光谱定量分析出现困难。而这种现象主要表现在黑体样品,当样品部分透明时一般不会出现光声信号饱和现象。当β<α时,热扩散过程决定了光谱测量深度,并将热波信号衰减到其初始强度1/e时的热扩散深度(L)定义为光声光谱的测量深度。对于快速扫描(Rapid-scan)的光声光谱测定模式,热扩散深度与动静速率的平方根成反比。对于组成结构不均一的样品,改变动镜速率可以获取不同深度的光谱信息,从而实现对样品的深度剖面分析。
独立成分分析(Independent components analysis,ICA)是新近发展起来的信号分析方法,主要用于解决盲信号分离问题,即在未知源信号的情况下,从混合信号中恢复相互独立的源信号成分。ICA一般被视为主成分分析的发展。在主成分分析中,主成分的计算是基于二阶统计量(如方差、协方差),主成分间彼此相互正交。而独立成分分析则建立于高阶统计量(如高阶矩、高阶累积量),提取的成分相互独立。从概率论讲,独立性比正交性的条件要求更加严苛。主成分把握了样本的整体信息,而独立成分则试图从样本整体中分离出内在的组分信息。因而独立成分分析在解析混合物样品的化学构成中有更强大的能力。ICA的应用领域十分广泛,包括统计学、神经网络、模式识别、信息论和图像处理等。目前ICA已被引入分析化学领域,在谱图重叠峰分辨,红外光谱鉴别分析和多元校正中已取得较好的效果。此外,ICA在红外光声光谱深度剖面分析中似乎有更为独特的优势。红外光声光谱可以原位获取样品剖面上的组成信息,而ICA则可以将其每个层面的组成信息逐个分离出来。最近已有学者将ICA应用于逐层扫描(Step-scan)红外光声光谱的原位剖面分析,对不同调制频率下的光谱信号进行ICA分析,计算出ICA模型的混合系数矩阵,成功地分离出了混合样品单个组分的光声光谱图。
本研究以人工制备的异质性双层复合膜为材料,利用快速扫描红外光声光谱技术,通过改变光谱仪动镜速率、原位获取复合膜不同深度的组成信息,进一步利用独立成分分析从复合膜红外光声光谱中,分离出复合膜每层组分的红外光声光谱。本研究旨在以复合膜样本为土壤有机矿质复合体的模式材料,探究光声光谱技术结合独立成分分析在深度剖面分析中应用效果,为异质性土壤有机矿质复合的原位表征提供新的技术借鉴。
2、实验部分
2.1样品制备
异质复合膜样品利用从超市购买的PE保鲜膜和办公胶带人工制备。样品制备时,将干燥清洁的PE保鲜膜无缝隙地贴在胶带胶质上面。分别将PE保鲜膜、胶带和异质复合膜样品裁成直径约为5mm的小圆片,用于红外光声光谱测试。PE保鲜膜厚度为(7±1)μm,胶带厚度为(30±5)μm。
2.2红外光声光谱测定
将制备好的样品放置于傅里叶变换红外光谱仪的光声池中。Nicolet6700光谱仪(美国热电公司)和Model300光声检测器(美国MTEC公司)。光谱扫描范围设为600~2000cm-1。扫描分辨率4cm-1,32次重复扫描,碳黑作背景对照。光谱测定前,氦气连续吹扫10s,速率为0.5mL/s,以确保无二氧化碳和水汽干扰。对于快速扫描测试,测定PE保鲜膜和办公胶带时,动镜速率设为0.32cm/s;测定异质复合膜样品时,动镜速率设为0.16,0.32和0.64cm/s,并且保持保鲜膜在上层,胶带在下层。
2.3数据处理
光谱预处理采用二阶巴特沃斯低通滤波器滤除光谱噪声,滤波器截止频率为0.05。ICA采用FastICA算法,该算法收敛迅速,计算结果稳健。FastICA利用基于Matlab环境的FastICAGUI实现。该GUI除非线性参数设为“skew”,其余均为默认设置。所有数据处理及图形绘制均值MatlabR2011b上完成。
3、结果与讨论
3.1红外光声光谱特征
由图1可见,PE保鲜膜和胶带红外光声光谱的吸收差异十分明显。PE保鲜膜主要成分为聚乙烯。
图1a中721和1465cm-1处的两个明显的吸收峰,分别对应于聚乙烯的亚甲基面内摇摆振动和亚甲基CH弯曲振动。而在1365,1540和1650cm-1处的3个弱吸收峰都不是聚乙烯的特征峰,应该是由保鲜膜中杂质或添加剂的吸收所导致。相比之下,胶带的红外光声光谱吸收特征比较丰富(图1b)。
在1730cm-1处有一个强烈吸收峰;在750~1540cm-1之间,有一个很宽的系统性吸收谱带,包含了许多大小不等的吸收峰。胶带的光谱表现了明显的酯的吸收特征。1730cm-1处的强吸收峰为酯C?O的伸缩吸收峰,1171,1250和1070cm-1处3个较强的吸收峰则由酯中C(CO)O和OCC的CO伸缩振动引起。这与国产胶带胶质由丙烯酸酯和聚酯等构成的情况是一致的。
由图1c可见,异质复合膜样品的红外光声光谱综合了PE保鲜膜和胶带的吸收信息。此外,根据光声光谱热扩散深度公式,热扩散深度随着波数的增加而下降。高波数测量深度浅于低波数。由于异质复合膜样品的高波数吸收与相应位置的胶带吸收基本一致,可以判断,对于高波数区域,红光声光谱的测量深度已经达到了下层的胶带位置。因而动镜速率为0.32cm/s时,对于整个扫描波数范围内,红外光声光谱的热波信号都已深入到了胶带位置。因而得到的吸收谱图涵盖了上下两层的组成信息。
图2显示了异质复合膜样品深度剖面的光谱特征,随着动镜速率增加,红外光声光谱的信号强度有所下降。这是因为动镜速率增加时,调制频率随之增大,而光声信号强度则与调制频率呈负相关关系。如不考虑光谱信号强度的差异,动静速率为0.16和0.32cm/s时的光谱吸收特征几乎完全一致,而当动静速率为0.64cm/s时,谱图出现了局部的显著变化,即1730cm-1的C=O伸缩振动的强吸收峰已消失。根据上面的分析可知,动静速率为0.16和0.32cm/s时红外光声光谱的测量深度均在保鲜膜之下。动静速率为0.64cm/s时探测深度有所减小。结合PE保鲜膜和胶带的红外光声光谱图,可以得出,动静速率为0.64cm/s时C?O伸缩吸收峰之所以消失,是因为在1730cm-1处红外光声光谱的探测深度并没有到达胶带位置,而是停留在保鲜膜范围。而保鲜膜在1730cm-1处无吸收峰。进而保鲜膜的厚度,应该落在动镜速率为0.64和0.32cm/s时波数1730cm-1处红外光声光谱的测量深度之间。根据红外光声光谱热扩散深度公式,可以估算出PE保鲜膜厚度。取样品热扩散率为0.001cm2/s,该值适合于大部分的有机膜材料。计算得到保鲜膜的厚度在5.4~7.6μm之间,这与保鲜膜的实际厚度(7±1)μm比较接近。可见红外光声光谱技术可以对样品剖面厚度进行测定。
3.2独立成分分析(ICA)
由异质复合膜样品深度剖面分析可知,动镜速率为0.64和0.32cm/s时的光声光谱均包含了PE保鲜膜和胶带的吸收信息,因为可以视为两个独立组分红外光声光谱的混合信号。对这两个混合信号进行独立成分分析,提取成分数为2。计算得到的第一独立成分和第二独立成分别见于图3b和图4b。
由图3可见,第一独立成分比较接近于PE保鲜膜的吸收特征,其分离出了PE保鲜膜的两个最明显的吸收峰,但对于小峰的分辨,相似度存在一定出入。由于小峰是PE保鲜膜中添加剂或者杂质成分引起,所以小峰匹配的出入,可能因为PE保鲜膜中添加剂或者杂质成分是不均匀地分布在PE保鲜膜中。观察图4,第二主成分与胶带的光谱特征则相似度极高,分离出了胶带的所有特征吸收峰,仅对于个别吸收峰存在小范围的峰位偏差。比较而言,独立成分分析提取出的独立成分对胶带光谱有更好的匹配,这可能是因为用于独立成分分析的混合信号的信息主要来源于胶带部分。总之,在未知PE保鲜膜和胶带吸收光谱的情况下,利用独立成分分析可以直接从异质复合膜样品的红外光声光谱中,大致分离出其各组分的红外光声光谱特征。这对于解析组成未知的复杂化学体系特别有帮助。独立成分分析通常假定混合信号中没有噪声。本研究表明,对于包含噪声的红外光声光谱,独立成分分析依然获得了较满意的结果。
4、结论
红外光声光谱技术是一种新型的样品信息获取技术,可以对组成不均一复杂样品的进行原位剖面分析。本研究利用傅里叶变换红外光声光谱技术,分析了PE保鲜膜、胶带和由PE保鲜膜和胶带制备的异质复合膜样品,进而应用独立成分分析对双层聚合物样品的红外光声光谱进行信号分离。结果表明,PE保鲜膜、胶带和异质性复合膜样品都有明显的光谱特征;而异质复合膜样品的红外光声光谱,则综合了PE保鲜膜和胶带的吸收信息。根据异质性复合膜样品不同动静速率时吸收峰的变化情况,估算出了PE保鲜膜的厚度为5.4~7.6μm,与实际厚度比较接近。独立成分分析提取的第一独立组分和第二独立组分,分别对应了PE保鲜膜和胶带的光谱特征,其中第二独立成分和胶带红外光声光谱的匹配度较高。因此,本实验表明,红外光声光谱可应用于异质性复合膜的原位表征。这为进一步应用红外光声光谱技术,并结合独立成分分析,原位表征异质性土壤样品,尤其是土壤有机矿质复合体结构,提供了新的技术借鉴。
