文末福利 | 算法正在改變世界,來(lái)看土壤分析中算法如何大顯身手
科技算法
一個(gè)強(qiáng)大的算法可以讓國(guó)際象棋大師落敗,一個(gè)智能的算法可以讓圍棋天才投子認(rèn)輸;時(shí)至今日,算法已經(jīng)深入到方方面面,影響著我們的生活,科學(xué)儀器領(lǐng)域也毫不例外。您是否想過(guò),倘若儀器分析軟件中誕生出更多優(yōu)秀的算法,將會(huì)給 ICP-OES 儀器的測(cè)量帶來(lái)什么樣的改變?
ICP-OES 作為常量元素分析的首選檢測(cè)手段,在環(huán)境、材料、食品等領(lǐng)域大顯身手,幾十年間分析工作者發(fā)現(xiàn)并積累了大量的經(jīng)驗(yàn)對(duì)樣品組分進(jìn)行準(zhǔn)確定量測(cè)試,其中為關(guān)鍵的就是元素譜線的選擇和信號(hào)背景的校正;元素譜線在儀器軟件或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中都有佳推薦,而信號(hào)背景的校正依賴分析人員的經(jīng)驗(yàn)。不同樣品的基質(zhì)各不相同,背景信號(hào)的強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)也千差萬(wàn)別,為了應(yīng)對(duì)這一復(fù)雜挑戰(zhàn),安捷倫針對(duì)不同基質(zhì)樣品準(zhǔn)備了三個(gè)先進(jìn)又簡(jiǎn)單、快速且準(zhǔn)確的背景校正算法,若使用得法,將會(huì)把您在 ICP-OES 準(zhǔn)確定量方面的經(jīng)驗(yàn)度,直接“拉滿”。
離峰背景校正算法 (OPBC) :
ICP-OES 中應(yīng)用*的背景校正算法,簡(jiǎn)單分為左背景、右背景和左右平均校正,在分析簡(jiǎn)單基體亦或復(fù)雜基體中信號(hào)較高的元素時(shí),如果連續(xù)背景信號(hào)比較平滑,鄰近分析物峰間隔較遠(yuǎn),只需讀出元素信號(hào)強(qiáng)度和一個(gè)信號(hào)背景強(qiáng)度,兩者相減即可計(jì)算出凈強(qiáng)度,得出準(zhǔn)確結(jié)果;一句話總結(jié):“元素信號(hào)本身優(yōu)秀(高挑而且纖細(xì))即使不校正(修圖)也是*的”。如圖 1 中鉛的信號(hào)峰接近標(biāo)準(zhǔn)高斯峰,左右背景簡(jiǎn)單,采用離峰背景校正算法就能得到準(zhǔn)確的結(jié)果。
圖1、去離子水中 Pb 220.353 nm 的
發(fā)射譜線,簡(jiǎn)單的背景譜圖,OPBC 或 FBC 均適用
擬合背景校正算法 (FBC) :
對(duì)于更復(fù)雜的背景結(jié)構(gòu)或者鄰近分析物峰的拖尾彎曲,OPBC 的誤差很大,如圖 2 面臨的情況;安捷倫擬合背景校正算法,采集分析物峰、左右干擾物峰、背景信號(hào)等數(shù)據(jù),使用迭代法估計(jì)峰的寬度和位置,使用小二乘法測(cè)定偏置量、斜率以及峰高,然后整合所有數(shù)據(jù)的偏置分量對(duì)非結(jié)構(gòu)化連續(xù)本底建模,整合所有數(shù)據(jù)的斜率分量對(duì)大寬峰的側(cè)翼建模,后準(zhǔn)確擬合出背景信號(hào)強(qiáng)度,扣除后得到準(zhǔn)確結(jié)果。通俗一點(diǎn)解釋,就是“采用優(yōu)化過(guò)的數(shù)學(xué)算法,無(wú)需進(jìn)行方法開發(fā)就能夠準(zhǔn)確的幫你校準(zhǔn)出一幅好圖” 。圖 2 是2000 mg/L 鋁中 Pb 的發(fā)射譜線,Al 220.467 nm 譜線展寬的峰翼重疊導(dǎo)致在 Pb 220.353 nm 處的曲線出現(xiàn)較高的背景信號(hào),F(xiàn)BC 可成功校正此背景(圖中虛線)。
圖2、土壤中 Pb 220.353 nm 的發(fā)射譜線
自動(dòng)曲線擬合算法 (FACT) :
兩者將合二為一,光學(xué)組件分不清楚, FBC 也無(wú)能為力;安捷倫自動(dòng)曲線擬合算法對(duì)每個(gè)光譜組分模型進(jìn)行分析,并擬合為高斯曲線獲得譜峰的數(shù)學(xué)描述,通過(guò)殘差分析和深度解卷積網(wǎng)絡(luò)算法從原始光譜中解析(精細(xì)剝離)出分析物信號(hào)。土壤樣品中鐵為主量元素一般比鎘的含量高 6 個(gè)數(shù)量級(jí),兩者的譜線僅僅相差 0.006nm 極易造成譜線強(qiáng)重疊,所以土壤中痕量的鎘很難準(zhǔn)確測(cè)定。高量鐵對(duì)鎘的光譜干擾見圖 3 ,藍(lán)色為溶液中約10000mg/L Fe 和約100 μg/L Cd 的光譜重疊譜線,紅色為解析出的 214.445 nm Fe 譜線,綠色為解析出的214.439 nm Cd 譜線,重疊譜線強(qiáng)度是實(shí)際 Cd 元素譜線強(qiáng)度的數(shù)倍,不使用 FACT 解析將會(huì)使結(jié)果嚴(yán)重偏高。
圖3、土壤分析中受 Fe 干擾的 Cd 分析實(shí)例
高效精準(zhǔn),穩(wěn)操勝“算”
土壤三普調(diào)查對(duì)象為農(nóng)用土壤和部分鹽堿地,是典型的基質(zhì)復(fù)雜樣品,且元素從低于百萬(wàn)分之一到高于百分十含量范圍變差極大,測(cè)量中難免會(huì)碰到背景信號(hào)變差大、主量元素嚴(yán)重拖尾、干擾元素強(qiáng)譜線重疊等問(wèn)題。工欲善其事,必先利其器,安捷倫 ICP-OES 可靠的硬件配置疊加優(yōu)秀的軟件算法,快速提高分析操作的經(jīng)驗(yàn),讓實(shí)驗(yàn)室準(zhǔn)確分析大批土壤樣品沒(méi)有后顧之憂。
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