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文末福利 | 算法正在改變世界,來看土壤分析中算法如何大顯身手

2022年04月25日 14:31 來源:安捷倫科技(中國)有限公司

科技算法


一個強大的算法可以讓國際象棋大師落敗,一個智能的算法可以讓圍棋天才投子認輸;時至今日,算法已經(jīng)深入到方方面面,影響著我們的生活,科學儀器領(lǐng)域也毫不例外。您是否想過,倘若儀器分析軟件中誕生出更多優(yōu)秀的算法,將會給 ICP-OES 儀器的測量帶來什么樣的改變?


ICP-OES 作為常量元素分析的首選檢測手段,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)驗對樣品組分進行準確定量測試,其中為關(guān)鍵的就是元素譜線的選擇和信號背景的校正;元素譜線在儀器軟件或者行業(yè)標準中都有佳推薦,而信號背景的校正依賴分析人員的經(jīng)驗。不同樣品的基質(zhì)各不相同,背景信號的強度和結(jié)構(gòu)也千差萬別,為了應對這一復雜挑戰(zhàn),安捷倫針對不同基質(zhì)樣品準備了三個先進又簡單、快速且準確的背景校正算法,若使用得法,將會把您在 ICP-OES 準確定量方面的經(jīng)驗度,直接“拉滿”。


離峰背景校正算法  (OPBC) :

ICP-OES 中應用*的背景校正算法,簡單分為左背景、右背景和左右平均校正,在分析簡單基體亦或復雜基體中信號較高的元素時,如果連續(xù)背景信號比較平滑,鄰近分析物峰間隔較遠,只需讀出元素信號強度和一個信號背景強度,兩者相減即可計算出凈強度,得出準確結(jié)果;一句話總結(jié):“元素信號本身優(yōu)秀(高挑而且纖細)即使不校正(修圖)也是*的”。如圖 1 中鉛的信號峰接近標準高斯峰,左右背景簡單,采用離峰背景校正算法就能得到準確的結(jié)果。


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圖1、去離子水中 Pb 220.353 nm 的

發(fā)射譜線,簡單的背景譜圖,OPBC 或 FBC 均適用


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擬合背景校正算法 (FBC) :

對于更復雜的背景結(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、背景信號等數(shù)據(jù),使用迭代法估計峰的寬度和位置,使用小二乘法測定偏置量、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)的斜率分量對大寬峰的側(cè)翼建模,后準確擬合出背景信號強度,扣除后得到準確結(jié)果。通俗一點解釋,就是“采用優(yōu)化過的數(shù)學算法,無需進行方法開發(fā)就能夠準確的幫你校準出一幅好圖” 。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致在 Pb 220.353 nm 處的曲線出現(xiàn)較高的背景信號,F(xiàn)BC 可成功校正此背景(圖中虛線)。


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圖2、土壤中 Pb 220.353 nm 的發(fā)射譜線


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自動曲線擬合算法 (FACT) :

兩者將合二為一,光學組件分不清楚, FBC 也無能為力;安捷倫自動曲線擬合算法對每個光譜組分模型進行分析,并擬合為高斯曲線獲得譜峰的數(shù)學描述,通過殘差分析和深度解卷積網(wǎng)絡(luò)算法從原始光譜中解析(精細剝離)出分析物信號。土壤樣品中鐵為主量元素一般比鎘的含量高 6 個數(shù)量級,兩者的譜線僅僅相差 0.006nm 極易造成譜線強重疊,所以土壤中痕量的鎘很難準確測定。高量鐵對鎘的光譜干擾見圖 3 ,藍色為溶液中約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,重疊譜線強度是實際 Cd 元素譜線強度的數(shù)倍,不使用 FACT 解析將會使結(jié)果嚴重偏高。


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圖3、土壤分析中受 Fe 干擾的 Cd 分析實例



高效精準,穩(wěn)操勝“算”


土壤三普調(diào)查對象為農(nóng)用土壤和部分鹽堿地,是典型的基質(zhì)復雜樣品,且元素從低于百萬分之一到高于百分十含量范圍變差極大,測量中難免會碰到背景信號變差大、主量元素嚴重拖尾、干擾元素強譜線重疊等問題。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,讓實驗室準確分析大批土壤樣品沒有后顧之憂。


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