光谱用主成分分析 APP下载链接:  

http://www.originlab.com/FileExchange/details.aspx?fid=326

如果不会安装APP，可以参考视频 https://www.bilibili.com/video/BV1hE411W7N8

介绍

Origin 2017 之后，Origin 提供了 Principal Component Analysis for Spectroscopy APP （光谱用主成分分析 APP），进一步增强了主成分分析的功能。这个 app 专门设计用于对光谱 (IR、荧光、uv-vis、拉曼等) 进行主成分分析。在化学计量分析中，研究人员会希望通过光谱了解哪些变量 (频率、波长或时间)对于区分样本是很重要的，哪些样本可以分成一组， 以及检测这些样本中的异常值。这 APP 可以帮助解决这些问题。

在使用 光谱用主成分分析  APP之前, 样品的光谱数据必须在工作表中排列好, 每个列表示样本光谱。光谱的频率、波长或时间可以在 x 列中。可以在列标题中设置样品的名称和组，例如每个 y 列中的 "长名称" 或 "注释"。

示例

这 APP 提供了一个内置的示例。安装 APP后 , 右键单击 Apps Gallery 窗口中的 APP 图标， 然后从快捷菜单中选择 "显示示例文件夹" 。打开示例项目文件的文件夹。打开项目文件PCASpecEx.opj，在文件中。您将看到它包括一个工作簿和一个备注窗口。book1, sheet1 包含输入数据， "备注" 窗口显示输入数据的源。

输入数据

输入数据由源数据中 120 个样本中的 20 个样本组成。这 20 个样本包括 10 个橄榄油样品、5个非橄榄油样品和 5 个与橄榄油样品混合的非橄榄油。工作表中的第一列 (a (x)) 保存光谱的时间数据。其他列 (b (y) – (u (y)) 是光谱数据，20个样本的组信息保存在每个 y 列的注释中。绘制为线图时, 20个样本的光谱如下所示:

步骤

1. 打开示例项目文件 PCASpecEx.opj，点击中 Apps Gallery 窗口中的 "Principal Component Analysis for Spectroscopy" 图标，打开对话框。

2. 在对话框的 "Input" 选项卡中, 选择 (第一个) 工作表1中的 x 列作为 频率 / 波长(Frequency/Wavelength 输入框)。选择其他 y 列作为光谱数据 （Spectra Data 输入框）。设置 Spectra Names (光谱名称) 为 Long Name （长名字）, 设置 Group Info (组信息) 为 Comments (注释)。

3. 在 "Settings"选项卡中, 选择 "Covariance Matrix " (协方差矩阵) 选项。如果选择 "Correlation Matrix " (相关矩阵）选项, 则这20个示例的每一行都将被归一化。

4.在 "Plots" 选项卡中, 把载荷图的参考光谱(Reference Spetrum) 设为 Sample 6, 然后选上 "Loading Plot"(载荷图)和 "Scrore Plot " (分数图)选项.

5. 点击"OK"按钮, 关闭对话框输出结果。 创建出一个报表和 一个绘图数据表。

结果

1. 查看报表，Eigenvalues (特征值) 表显示, 前四个主成分了能解释 96% 的总方差。

2. 在 "Loading with Reference Spectrum Plot (参考光谱的载荷图)" (注, 您可以双击绘图弹出嵌入的图形) 中, 第一个图层中显示的是第六个(参考) 样本的频谱；第二个图层表示载荷图中的第一个主成分；第三个图层则表示第二个主成分。下图显示 7.95 和 8.47 是 pc1 中的重要量, 而3.96 和 5.92 在 pc2 中的影响更大。图形中的垂直注释线是使用"纵向坐标读取工具"添加的。  (Origin 中菜单 快捷分析: 纵向坐标读取工具 (Gadget: Global Vertical Cursor) )。

3. Loading Plot （载荷图）显示 pc1 和 pc2 中每个变量 (时间) 的系数。您可以使用 "数据读取器" ("工具" 工具栏) 在 pc1 和 pc2 中查找系数较大 (重要时间) 的变量。请注意, 正负号对于主成分中载荷图没有影响, 可以乘以-1。

4. "Score Plot "(分数图) 显示了 pc1 和 pc2 中20个样本的分数。这20个样本按照前面设定的Group Info (组信息) 分为三组。从图中可以清楚地看出，橄榄油和非橄榄油可以很容易地在主成分空间中分离, 而混合油与其他两种成分相交，还显示了三组样本的得分置信度, 并对一些极值点进行了标记。如果样本数量较大，则可以通过取消选中 "绘图细节" 对话框的 "标签" 选项卡中的 "启用" 选项来关闭标签 (要打开 "绘图细节", 请双击弹出图或选择 "格式: 绘图属性")。

5. 这 APP 还可以创建 3D 成分图。单击图形左上角的绿色锁, 然后选择 "Change Parameter"。在"Plots" 选项卡中，把用于绘图的主成分数（Number of Component to Plot）选择 3 (可能会需要先转到 "Settings"选项卡 , 并将要提取的主成分数 （Number of Component to Extract） 增加到 3 个或更多）。您还可以更改 "Plotting" 选项卡上的 "Reference Spectrum" （参考光谱） 以查看其他样品。

结论

主成分分析是从一组样本中查找重要频率或波长区域并帮助在主成分空间中对样本进行分类的有效方法。它还可用于确定混合物光谱中的化合物数量, 并可与偏最小二乘法结合起来解决定量问题。该结果也可用于进一步分类, 如分层聚类分析和判别分析。