TQ Analyst 软件中文教程.docx

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TQAnalyst软件中文教程

TQAnalyst光谱分析软件

TQAnalyst就是一个通用的光谱分析软件,它可以为中红外、近红外、远红外与拉曼光谱分析的应用提供各种定性与定量分析工具。

该软件除了包含各种算法工具外,还能够为用户提供直观友好、容易使用的图形界面,以及广泛的在线帮助信息。

使用TQAnalyst软件,您无需具有专家的经验与知识,因为软件的Explain帮助窗口可以随时为您提供任何必须的信息与帮助,其帮助文档还包含各种方法的培训实例。

另外,软件随处可见的Suggest向导功能与PerformanceIndex（性能指数）还可以为您解答如下问题:

-哪种分析方法最适合您的当前应用？

-需要准备多少标准样品？

其浓度分布情况？

-该选择哪段光谱范围？

-对于PLS法,如何选择主因子数（Factors）？

-修正曲线对分析结果有改善不？

使用TQAnalyst使得方法的设计与建立更为程序化、更有目的性,而不就是依赖于猜测。

如果您在为参数的设置犹豫不定,TQAnalyst的向导可以帮您解决这些问题。

TQAnalyst立足于最广大的用户,她致力于使得初学者与资深的分析家都能够得心应手地使用她来进行方法开发与建立。

其一环扣一环的窗口设计、整合的向导功能、随处可得的在线帮助信息以及人工智能的工具,最大限度的简化分析任务,确保用最少的工作量来建立高质量的分析方法。

在TQAnalyst的所有窗口中,首先列在前面的就是最简单的算法与技术,而且在接下来的窗口中只会显示与前面窗口选择的方法相关的信息,这样,初学者在方法建立的各个步骤中不会被一大堆的选项所迷惑,而有经验的分析家又能够即时的使用各项高级功能。

TQAnalyst的帮助菜单中还包含下列帮助工具:

•TQAnalyston-linetour-TQAnalyst主要功能快速演示;

•TQAnalystexamplemethods-定量、定性方法实例演示。

第一节TQAnalyst基本设置与常用功能介绍

对TQAnalyst进行自定义设置:

从Edit菜单下面打开Option窗口

打开TQAnalyst软件,其界面如图

其中有三组选项:

TQ选项组:

利用该选项设定TQ的默认设置,控制某些帮助与提示信息的显示。

Diagnostic（诊断）选项组:

该组可以选择PerformanceIndex（性能指数）的计算方法,以及控制就是否显示图例。

其中PerformanceIndex有两种计算方法供选择,一种就是%Difference（相对残差与）,最大值就是100,越接近100越好;一种就是RMSE（均方差）,最小值就是0,越接近0越好。

计算方法分别如下:

General（常规）选项组:

该选项组可定义文件的保存、显示、打印、安全等常规信息。

TQAnalyst帮助功能与帮助信息

1.Help菜单:

类别

信息

TQAnalystHelpTopics主题帮助

列出了各项主体帮助信息,也包含检索功能、关键词索引功能

TQAnalystTour快速演示

快速演示TQAnalyst的主要功能

ExampleMethods实例演示

TQ定量方法、分类方法、光谱测量简单实例演示

TechnicalSupport技术支持

如何获得Nicolet公司的技术支持

AboutTQAnalyst关于TQ

显示当前TQAnalyst软件版本号

主题帮助窗口:

TQ主要功能演示与实例演示提供了更为直观的帮助信息,按照窗口中的提示可以一步步的了解TQ中的各项功能:

2.按F1键或鼠标右键获得菜单的帮助信息:

将光标移到菜单上某一个需要帮助的选项上,按F1键或点击鼠标右键,即会弹出关于该选项的相关信息与解释。

例如:

3.使用Explain按钮获得窗口中各选项的帮助信息

Explain按钮

选中需要获得帮助信息的选项,按Explain按钮,或先按Explain按钮,再鼠标点击需要获得帮助信息的选项,即可得到相应的帮助信息。

例如:

4.使用HowTo按钮获得帮助指南

HowTo按钮出现在下面三个窗口中,在这些窗口中,按HowTo按钮即可获得对应的帮助信息:

♦光谱区域编辑窗口:

♦修正方法编辑窗口:

5、向导（Wizards）帮助

TQ提供了许多向导帮助功能以指导您完成各种建模任务。

从参数的设置到实验设计的每一个环节,使用TQ的向导功能,可以帮助您一步步地走向成功。

下表给出了TQ中各项向导功能的简要描述:

位置

向导

功能

Description窗口

SuggestAnalysisType

推荐分析类型,定性或定量方法,与分析目的有关

Pathlength窗口*

SuggestPathlengthType

推荐光程类型,与采样技术有关,如液体样品透射分析时,采用的液体池往往就是光程一定的比色皿或圆管,而在积分球漫反射时,由于样品颗粒尺寸、紧密度的影响,需要使用MSC或SNV等方法进行矫正

Component窗口*

AssessFeasibility

测定样品光谱中就是否包含有足够的能够与样品组成相关的光谱信息（评估方法就是否可行）

Standards窗口*

SuggestStandards

推荐需要准备的标准样品的化学组成分布

EvaluateStandards

评估所准备的标准样品就是否满足要求,以及就是否需要增加标准样品

Regions窗口

SuggestRegions

为分析方法选择适当的光谱范围;使用EditRegions可以进行详细设置。

Others窗口

SuggestFactors

为主成分回归（PCR）或偏最小二乘（PLS）方法选择最佳主成分数（PrincipalComponents）或因子数（Factors）;使用EditFactors按钮可以查瞧或编辑主因子数。

Corrections窗口

SuggestCorrections

判断修正曲线对定量模型就是否有所改善,如果有,哪种修正方法最好;使用EditCorrections可以进行详细设置。

*只有在定量分析方法中才会出现

例如,使用SuggestRegions向导进行光谱范围的选择,在Regions窗口中点击SuggestRegions按钮,会弹出如下交互窗口:

按照交互窗口中的提示一步步往下操作,便会得到相应的参数设置。

TQ向导就是利用您所提供的光谱信息与其它数据,运用其内置的多元校正分析专家知识来进行参数的设置与推荐下一步该使用什么方法的。

有时候,如果TQ软件无法获取其设置某项参数所必需的相关的信息与数据,向导也就无法给出相应的参数设置。

我们推荐,在建立分析模型时,先以TQ自动推荐与优化到的参数与设置为基础,如果对TQ自动选择的参数不满意,再添加您自己对分析对象相关的知识与经验,来对其进行进一步完善。

TQAnalyst窗口介绍

1．菜单栏

TQAnalyst菜单栏的使用方法与其它Windows程序一样。

♦Help菜单里包含各种帮助信息,前面已有介绍。

♦File菜单里包含模型新建、打开、保存以及光谱图的打开与保存,以及模型数据与设置方法的导出、标准光谱的导出与打印。

其中模型保存窗口中可以设置模型文件的密码,光谱保存窗口中可以设置数字签名,以便对模型与光谱文件进行保护。

♦Edit菜单中包含各种常用的编辑命令,其中Option选项的功能前面已有介绍。

♦View菜单设置显示格式与显示选项。

♦Diagnostics菜单包含各种高级诊断功能,会在后面的章节中陆续介绍。

♦Window为窗口设置项。

TQAnalyst可以打开与保存下别所列的各种格式的光谱,其中、CSV为Excel格式。

2．工具栏

♦点击Calibrate按钮,计算校正模型,显示校正结果窗口;

♦Quantify按钮用于计算未知样品的分析结果,得到分析报告;

♦Explain按钮实时获取帮助信息,见前述介绍;

♦Close按钮关闭当前窗口。

在模型校正好之前,状态指示为红色

当点击Calibrate按钮进行计算结束后,状态指示为绿色

并且,如果Standards表格中包含有验证（Validation）样品,则会计算得到相应的性能指数

。

当对模型进行了修改后,状态指示就会显示为红色,表示模型未计算好,重新计算时,则性能指数上不仅显示当前的性能指数,也会显示修改前的性能指数,这样有助于对模型的修改过程进行评价。

3．窗口

建模窗口:

TQAnalyst的窗口为环环相扣的设计,如下:

窗口标签

即在上面不同的窗口标签对应的窗口中,从左至右,就是建立一个分析模型的基本步骤,当在前一窗口中选择了某种方法或设置了某个参数后,后面的窗口会自动出现与其对应的选项与设置,而不会出现不相关的信息。

各项参数的选择按照这种顺序依次进行设置好后,点击工具栏上的Calibrate按钮,即可以完成分析模型的初步建立工作。

在后面的定量模型建立与定性模型建立章节中会对各种对应的选项作相应说明。

光谱显示窗口:

从File菜单的OpenSpectrum项打开光谱,即可出现光谱显示窗口:

♦显示介面:

默认条件下,红色光谱为当前显示光谱,此时,光谱名称框中的光谱名为红色光谱的光谱名。

♦光谱信息查瞧按钮:

按该按钮,可以获得当前光谱的所有信息,如:

♦下拉光谱名称按钮:

点击此按钮,显示当前窗口中所有光谱名称,并可进行选择。

如下:

♦坐标显示:

显示当前鼠标所在位置的坐标

♦取景窗口:

用于选择选择需要显示的光谱区域,左边为光谱范围缩小与放大工具,右边为左右移动工具。

♦工具箱:

工具箱中包含六种不同的工具,用途如下表:

使用View菜单设置各项显示参数:

当当前窗口为光谱显示窗口时,View菜单中的所有选项均可用,在其中可以设置横、纵坐标显示范围,显示方式,显示信息等。

如点击View菜单中的DisplaySetup选项,弹出如下窗口:

如果我们选中Showgrid前面的复选框

按OK,则显示介面就会出现窗格,如下:

第二节定量分析模型建立

TQAnalyst提供的定量分析算法有:

定量分析:

简单的比尔定律

经典最小二乘（CLS）回归

逐步多元线形回归（SMLR）

偏最小二乘（PLS）回归

主成分回归（PCR）

各种算法的基本原理参见相关的书籍与随机所带的TQAnalyst用户手册（TQAnalystUser’sGuide）。

一个定量分析模型的建立过程可按如下步骤一步步完成:

▪定量分析问题的描述

▪选择适当的采样方法

▪创建新的模型文件

▪给模型定义一个名称

▪选择一种建模算法

▪选择光程类型（PathlengthType）

▪定义待测组分（Components）

▪进行可行性测试（FeasibilityTest）

▪采集标准样品（Standards）光谱

▪光谱预处理（SpectraProcessing）

▪选择光谱范围（Regions）

▪设置其它参数

▪保存模型

▪计算模型（Calibration）

▪验证模型（Validation）

▪模型修正（Correction）

TQ将建模过程的各个步骤用不同的窗口从左至右依次分开,如下:

因此,只要从左至右依次完成各个窗口中的各项参数的设置后,点击工具栏上的Calibrate按钮,即可完成分析模型的初步建立。

1.定量分析问题的描述

定量分析模型建立的第一步需要通过回答下列问题来仔细分析我们的研究对象:

▪样品中包含多少种组分？

▪哪些组分就是需要测定的？

▪在可能遇到的所有待分析样品中,每一种组分的含量范围？

▪可能会存在哪些干扰？

▪样品基质对测定过程有哪些影响？

通过回答以上这些问题,将有助于我们选择恰当的采样技术与确定最佳的实验条件。

2.选择适当的采样方法

采样方法的选择主要取决于样品的物理性质。

通常,光谱格式设置为absorbance（透射）或Log（1/R）（漫反射）,因为以它们为单位的光谱通常与样品中组分的含量呈一定的线性关系。

当然,如果我们有特殊的需要,也可以设置成其它的光谱格式。

3.创建新的模型文件

▪从TQAnalyst软件的File菜单中选择NewMethod

▪从TQAnalyst软件的File菜单中选择SaveMethodAs

▪在对话框中输入文件名,选择保存路径

▪选择OK。

4.给模型定义一个名称

在Description中的MethodTitle栏中给模型的定义一个名称:

在MethodDescription栏中可以输入对模型的详细描述;在Developer’sName栏中还可以输入您的名字。

5.选择一种建模算法

TQAnalyst提供了的定量校正算法包含了最简单的比尔定律、经典的最小二乘法（CLS）、逐步多元线性回归法（SMLR）、近红外定量最常用的偏最小二乘法（PLS）与主成分回归法（PCR）。

每一种方法均有各自的优点与缺点。

对于组成复杂的天然产物如中药、烟草与粮食等通常可以使用PLS。

各种方法的特点可以使用TQ的Explain按钮获得帮助信息。

6.选择光程类型（PathlengthType）

在Pathlength窗口中可以对光程类型进行设置。

样品光谱测定时的光程或样品厚度对于定量分析非常重要,因为它与样品中的组分含量一样影响吸收强度。

TQ的Pathlength窗口提供了多种方法可以用于对光程进行定义或校正处理。

各种选项的特点与功能可以使用TQ的Explain按钮获得详细的帮助信息

光程类型选项的选择通常也就是取决于采样技术,例如使用比色皿或固定光程的样品池进行液体样品光谱采集时,光程一般为恒定（Constant）或已知（Known）;而在进行粉末样品NIR漫反射光谱采集时,由于样品颗粒尺寸、均匀性等的影响,光程无法保持恒定,此时需要使用多元信号修正（MSC）或标准正则变换（SNV）来对光谱进行处理,以消除这些因素的干扰。

7.定义待测组分

下一步就是定义待测组分,在Component窗口中按要求输入待测组分的名称、缩写、单位、小数点尾数即可。

浓度范围（AnalysisLow、AnalysisHigh）可以根据实际样品的分布输入,一般下限（AnalysisLow）设为实际样品最低值的95%,上限设为实际样品最高值的105%。

如果不输入,在模型计算时,TQ会根据标准样品的含量分布自动计算出来。

♦在设定了浓度范围后,如果样品的分析结果超过了此处设定的范围,则可以在报告中给出警告信息。

♦另外,定量分析模型的性能指数（PerformanceIndex）也与此处设定的浓度范围有关。

在Component窗口中,还可以通过选择ForcesconcentrationvaluesinQuantityresulttosumtoaconstant选项使各组分含量总与自动为常数。

8.进行可行性测试（Feasibilitytest）

在设定好了待测组分的信息后,可以进行可行性测试以检查所使用的方法能否成功的进行定量分析。

其原理就是通过分别采集两个标准样品（其组分含量不能相同,但需要在所设定的浓度范围内,可以不需要知道其准确的含量值）的光谱,每个样品需要进行三次重复采集,TQ会比较这两个样品三次重复实验得到的光谱并进行统计分析,以检查光谱中就是否包含足够的可以与样品中组分含量相关的信息。

在TQ中,就是通过使用Component窗口中的AssessFeasibility按钮来进行可行性测试的。

点击此窗口后,会弹出相应的对话框,按照其提示信息,TQ会指导您一步步完成可行性测试的实验,并给出相应的结果。

如果可行性测试结果显示光谱中没有包含足够的信息,则可能就是由于所使用的光谱采集方式不正确或样品不均匀导致光谱重现性较差或信噪比较差所致,此时我们需要尝试其它的采样技术与改变实验参数。

9.采集标准样品光谱

标准样品的设定在Standards窗口中进行。

（1）标准样品的准备

所谓标准样品（Standards）,就是指为建立定量分析模型收集的具有足够代表性、并且已知化学成分含量的样品。

标准样品的光谱采集在OMNIC或RESULT软件中进行,其各项参数的设置见后续章节。

TQ中Standards的作用有三种类型:

♦CalibrationStandards用于计算定量模型,TQ根据其光谱信息与其对应的各组分已知含量值建立起定量模型;

♦ValidationStandards用于验证定量模型,不参与定量模型的计算,其作用相当于已知组分含量的“未知样品”,TQ会用CalibrationStandards建立的定量模型预测ValidationStandards中各组分的含量,并与已知值进行比较,计算性能指数（PerformanceIndex与RMSEP）;

♦CorrectionStandards用于修正定量模型,此节不进行讨论。

标准样品的收集与准备非常重要。

一般来讲,标准样品中的各种成分的含量范围与其它性质必须涵盖所有可能遇到的样品中各组分的含量范围,各种组分的含量之间要避免共线性现象（指两种组分含量间呈线性变化）,且要尽可能分布均匀。

标准样品的收集与准备可以根据自己的经验进行,对于天然产物等组成复杂、无法控制其中各组分含量的样品,只能通过收集足够多的样品以尽量涵盖实际分析中可能遇到的各种类型。

TQ中SuggestStandards向导提供了一个很好的辅助实验设计的功能。

对于组成相对简单的化学品,可以使用TQ软件中的SuggestStandards向导进行设计,点击SuggestStandards按钮,会得到一个对应的对话框,按照TQ的提示信息逐步进行,即可以得到TQ建议的标准样品的分布。

然后按其推荐的分布进行配置标准样品,并采集其光谱,当然实际配置的样品中各组分的含量不一定与SuggestStandards向导推荐的含量分布完全一致,此时只需按实际含量输入到对应的样品含量表格中即可。

如果使用一次SuggestStandards向导推荐的样品不够多,可以重复使用SuggestStandards向导,直至得到足够多的标准样品。

标准样品一旦准备好后,可以使用EvaluateStandards向导进行评估;使用高级诊断菜单中的SelectStandards项选择校正（Calibration）或验证（Validation）。

当然,这些工作也均可以手动完成。

（2）标准样品光谱的导入

将鼠标光标移到Standards表格中的最下面的一行空白行（如果就是新建模型,第一行就就是空白行）,在点击OpenStandards按钮,弹出打开文件对话框,找到对应的光谱文件的路径与选中对应的光谱文件,可以成批选择,也可以逐个选择,OK即可。

然后输入对应的样品的组分含量。

注意,如果不就是第一次导入光谱,而就是向已有的模型中添加新的光谱,可能会出现警告信息,显示新添加的光谱的参数与模型中已有的光谱参数不一致,此时,需要我们慎重考虑新添加的样品能否作为标准样品,或者就是否需要重新采集其光谱。

（3）设置标准样品的Usage信息

前面已经介绍过TQ中的标准样品可以有三个作用,分别就是Calibration、Validation与Correction,可以手动选择,也可以使用高级诊断菜单中的SelectStandards项自动选择。

如果某个样品有错误,或者不愿意使用它,还可以将其设为Ignore（忽略）,当然也可以从Edit菜单中直接将其删除（DeleteRow）。

（4）其它按钮功能

ViewStandards按钮查瞧光谱,方法就是在Select栏选中需要查瞧的样品,可以多选,如果直接点击表头Select,则全选,再按ViewStandards按钮,则会弹出光谱图窗口。

SortStandards按钮排序,方法类似于Excel。

（5）其它选项作用

如下所示:

10.光谱预处理

光谱预处理在NIR光谱分析中通常有效与必要的。

前面第6步的Pathlength窗口中,通过选择光程类型,实际上就是对由于光程的不一致造成对光谱的影响进行了相应的处理,以减少这种影响,更利于建模时有用信息的提取,如漫反射时通常使用MSC或SNV方法。

在TQ的Spectra窗口中还可对光谱进行导数、滤噪与基线校正等预处理,如下。

分段线性校正

样条校正

近红外光谱测量过程中,经常出现光谱偏移或飘移。

导数处理就是净化谱图较常用的方法,可根据需要进行一阶或二阶微分处理。

导数处理既可以消除基线偏移,还可以起到一定的放大与分离重叠信息的作用,如下图。

但需要注意的就是,在对光谱数据作微分处理时,由于噪声信号也被放大,因此通常在微分之前需要对光谱数据作平滑处理。

平滑的作用就是提高信噪比,减小随机噪音,如下图,从而也可以提高模型的稳健性。

TQ中有两种平滑方法可供使用,一种就是经典的Savitzky-Golay滤波,它就是一种多项式滤波方法;一种就是NorrisDerivative滤波,它只能用于一阶或二阶导数光谱,就是红外光谱分析中一种很好的滤波方法。

另外,TQ中还包含有多种基线校正方法,在通常的近红外分析中,如果使用了一阶导数或二阶导数,则较少使用这些基线校正。

如下:

分段线性校正

样条校正

11.选择光谱范围

光谱范围的选择在NIR定量分析模型的建立中就是最难的一步。

至今为止,化学计量学领域还没有一个完美的算法来选择最佳的光谱范围。

但TQ中包含了许多这方面专家知识,为我们选择有效光谱范围提供了有用的依据。

在实际工作中,用户的经验与对所分析对象样品化学知识的了解对光谱范围的选择还就是很有用。

光谱范围的选择在Regions窗口中进行。

需要注意的就是,Regions窗口中的内容与第一步所选择的方法有关,这里仅以PLS方法为例,说明如下:

（1）首先,如果按前面的步骤完成了方法选择、组分名称的定义、标准样品光谱与化学数据的导入,则可以使用Suggest向导让TQ来自动帮助选择光谱范围。

在Regions窗口中点击Suggest按钮,会弹出对应的对话框,按提示逐步完成即可。

如果就是新建模型第一次点击Region窗口,TQ则会自动执行光谱范围的自动选择。

（2）光谱范围选择窗口:

点击EditRegions按钮,会弹出以下窗口。

（3）

在该窗口中,可以以交互式的方式选择光谱范围。

该窗口中同样包含Suggest按钮,可以随时使用该向导,也包含HowTo按钮以随时获得帮助信息。

可以通过Add或Delete按钮添加或删除一段光谱范围。

工具栏介绍:

功能与光谱显示窗口中的该工具一样,见本章第一节。

光谱区域选择工具,按下此工具,可以在光谱显示区域内拖动鼠标以选择光谱区间,此时在下面的Region表格中会对应的出现所选择的区域的数值范围。

默认状态下,该按钮为按下状态,此时光谱显示区域显示三条光谱,分别为最高的、中间的与最低的三条光谱。

使用此按钮,可以显示在前面的Standards表格中被选中的所有光谱。

使用此按钮,显示统计光谱,其功能与Diagnostics菜单中的StatisticalSpectra项类似,如下:

从上至下依次显示各组分的多重相关光谱、各组分分别的相关