The spectrum length method in quantitative interpretation of selected optical spectra

• Autorzy: Wawrzyk Martyna

Identyfikatory

DOI

10.35784/iapgos.2931

Warianty tytułu

PL

Metoda długości widma w ilościowej interpretacji wybranych widm optycznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Different algorithms are used for the quantitative interpretation of optical spectra. Regression methods e.g CLS (Classical Least Squares) or PLS (Partial Least Squares) are often used in typical problems of laboratory spectroscopy. The spectra analysis is generally a multi-step process, in which, depending on the spectra type, modification of individual regression methods or special dedicated methods are applied. For example, contour length method or spectra length algorithm are used in this purpose. The basic version of the algorithm is very simple in terms of mathematics. It has been proposed for the analysis of spectra in the OP-FTIR open path spectroscopy, where there are significant fluctuations in the spectrum baseline. The spectrum length is a parameter closely related to the content of the analyzed gas component. Independently of spectral length algorithm, a method has been developed in which difference length of two spectra (measured and reference) is used to compare the spectra. The minimum length of the spectral difference is an indicator of their best fitting. The article presents two ways of using the spectrum length: as a direct and indirect parameter indicating the measured quantity on the basis of the spectrum. There were performed the spectrum length algorithm as a digital differentiating filter with a specific frequency response. There were also analyzed more advanced differentiating filter and the possibility of frequency spectrum filter design used in an analysis of optical spectral signal. There were performed the analysis of the spectrum length method in the case of the synthetic calibration involving the use of model spectra from simulations realized by HITRAN database. There were analyzed numerically the problem of the Instrument Line Shape influence on the synthetic spectra and results of the determining the content of components by the minimizing the difference of spectral length.

PL

Do ilościowej interpretacji widm optycznych wykorzystuje się wiele różnych algorytmów. W typowych zagadnieniach spektroskopii laboratoryjnej wykorzystuje się m. in. metody regresji CLS, PCR PLS. Interpretacja widm to często proces wieloetapowy, w którym w zależności od rodzaju widm wykorzystuje się modyfikację poszczególnych metod regresji lub też stosuje się specjalne metody dedykowane. Jedną z takich metod jest algorytm długości konturu lub też długości widma. Jego podstawowa wersja jest bardzo prosta pod względem matematycznym. Została zaproponowana do analizy widm ze spektroskopii otwartej ścieżki OP-FTIR, dla której występują znaczące fluktuacje linii bazowej widma. Długość widma jest parametrem, który jest odwzorowany bezpośrednio na zawartość danego składnika gazowego. Niezależnie od algorytmu długości widma powstała metoda, w której długość różnicy dwóch widm (mierzonego i odniesienia) służy do porównania widm. Minimalna długość różnicy widm jest wskaźnikiem ich najlepszego dopasowania. W pracy porównane zostaną obydwa sposoby wykorzystania długości widma: jako parametru bezpośrednio lub pośrednio wskazującego wielkość poszukiwaną na podstawie widma. Przeanalizowany zostanie algorytm długości widma jako cyfrowy filtr różniczkujący posiadający określoną charakterystykę częstotliwościową. Przeanalizowane zostanie zagadnienie wykorzystania bardziej zaawansowanego filtru różniczkującego oraz możliwość uwzględnienia w wyborze i projektowaniu filtra widma częstotliwościowego optycznego sygnału spektralnego. Kolejno poruszanym zagadnieniem będzie analiza metody długości widma w przypadku tzw. kalibracji syntetycznej polegającej na wykorzystaniu jako widm wzorcowych widm pochodzących z symulacji wykorzystujących bazę danych Hitran. Przeanalizowany numerycznie zostanie problem wpływu kształtu odpowiedzi instrumentu pomiarowego na syntetyczne widma i wyniki wyznaczania zawartości składników metodą minimalizacji długości różnicy widm.

Słowa kluczowe

EN

OP-FTIR; optical spectra; quantitative analysis; digital differentiating filter

PL

OP-FTIR; widma optyczne; ilościowa analiza; cyfrowe filtry różniczkujące

• Wydawca: Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej
• Czasopismo: Informatyka, Automatyka, Pomiary w Gospodarce i Ochronie Środowiska
• Rocznik: 2022
• Tom: T. 12, nr 2
• Strony: 20--23
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., wykr.

Twórcy

autor

Wawrzyk Martyna

• Lublin University of Technology, Doctoral School, Lublin, Poland

• https://orcid.org/0000-0002-0380-0949

Bibliografia

• [1] Bak J.: Retrieving CO concentrations from FT-IR spectra with nonmodeled interferences and fluctuating baselines using PCR model parameters. Applied Spectroscopy 55(5), 2001, 591–597.
• [2] Bochentyn B., Błaszczak P.: Carbon (II) oxide (CO) calibration set of FTIR spectra [Data set]. Gdańsk University of Technology. 2021 [http://doi.org/10.34808/nnej-je87].
• [3] Bochentyn B., Błaszczak P.: Methane (CH4) calibration set of FTIR spectra [Data set]. Gdańsk University of Technology. 2021 [http://doi.org/10.34808/4vzx-0y14].
• [4] Chlipała M., Błaszczak P., Wang S. F., Jasiński P., Bochentyn B.: In situ study of a composition of outlet gases from biogas fuelled Solid Oxide Fuel Cell performed by the Fourier Transform Infrared Spectroscopy. International Journal of Hydrogen Energy 44(26), 2019, 13864–13874.
• [5] Cięszczyk S.: A local model and calibration set ensemble strategy for open-path FTIR gas measurement with varying temperature. Metrology and Measurement Systems 20(3), 2013, 513–524.
• [6] Cięszczyk S., Harasim D., Kisała P.: A novel simple TFBG spectrum demodulation method for RI quantification. IEEE Photonics Technology Letters 29(24), 2017, 2264–2267.
• [7] Gautam R., Vanga S., Ariese F., Umapathy S.: Review of multidimensional data processing approaches for Raman and infrared spectroscopy. EPJ Techniques and Instrumentation 2(1), 2015, 1–38.
• [8] Griffith D. W., Pöhler D., Schmitt S., Hammer S., Vardag S. N., Platt U.: Long open-path measurements of greenhouse gases in air using near-infrared Fourier transform spectroscopy. Atmospheric Measurement Techniques 11(3), 2018, 1549–1563.
• [9] Hill C., Gordon I. E., Kochanov R. V., Barrett L., Wilzewski J. S., Rothman L. S.: HITRANonline: An online interface and the flexible representation of spectroscopic data in the HITRAN database. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 177, 2016, 4–14.
• [10] Kozlov D., Besov A.: Method of spectral subtraction of gas-phase Fourier transform infrared (FT-IR) spectra by minimizing the spectrum length. Applied Spectroscopy 65(8), 2011, 918–923.
• [11] Lin C. H., Grant R. H., Heber A. J., Johnston C. T.: Application of open-path Fourier transform infrared spectroscopy (OP-FTIR) to measure greenhouse gas concentrations from agricultural fields. Atmospheric Measurement Techniques 12(6), 2019, 3403–3415.
• [12] Mroczka J. (red.): Problemy metrologii elektronicznej i fotonicznej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wroclawskiej, Wrocław 2008.
• [13] Oppenheimer C., Kyle P. R.: Probing the magma plumbing of Erebus volcano, Antarctica, by open-path FTIR spectroscopy of gas emissions. Journal of Volcanology and Geothermal Research 177(3), 2008, 743–754.
• [14] Roggo Y., Chalus P., Maurer L., Lema-Martinez C., Edmond A., Jent N.: A review of near infrared spectroscopy and chemometrics in pharmaceutical technologies. Journal of Pharmaceutical and Biomedicalanalysis 44(3), 2007, 683–700.
• [15] Rothman L. S., Gordon I. E., Barber R. J. et al.: HITEMP, the high-temperature molecular spectroscopic database. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 111(15), 2010, 2139–2150.
• [16] Sung L. Y., Lu C. J.: A single-beam titration method for the quantification of open-path Fourier transform infrared spectroscopy. Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer 145, 2014, 43–49.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).