近紅外光譜分析及其應(yīng)用領(lǐng)域

1、近紅外光譜分析及其在、國(guó)內(nèi)分析領(lǐng)域的定位

    近紅外光譜分析是將近紅外譜區(qū)（800-2500nm）的光譜丈量技術(shù)、化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)與基礎(chǔ)測(cè)試技術(shù)交叉結(jié)合的現(xiàn)代分析技術(shù)，主要用于復(fù)雜樣品的直接快速分析。近紅外分析復(fù)雜樣品時(shí)，通常首先需要將樣品的近紅外光譜與樣品的結(jié)構(gòu)、組成或性質(zhì)等丈量參數(shù)（用標(biāo)準(zhǔn)或認(rèn)可的參比方法測(cè)得的），采用化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)加以關(guān)聯(lián)，建立待丈量的校正模型；然后通過(guò)對(duì)未知樣品光譜的測(cè)定并應(yīng)用已經(jīng)建立的校正模型，來(lái)快速猜測(cè)樣品待丈量。

    近紅外光譜分析技術(shù)自上世紀(jì)60年代開(kāi)始首先在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用，隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，80年代以來(lái)逐步受到光譜分析學(xué)家的重視，該項(xiàng)技術(shù)逐漸成熟，90年代匹茨堡會(huì)議與我國(guó)的BCEIA等重要分析專業(yè)會(huì)議均先后把近紅外光譜分析與紫外、紅外光譜分析等技術(shù)并列，作為一種獨(dú)立的分析方法；2000年P(guān)ITTCON會(huì)議上近紅外光譜方法是所有光譜法中zui受重視的一類方法，這種分析方法已經(jīng)成為ICC（International Association for Cereal Science and Technology谷物科技協(xié)會(huì)）、AOAC(American Association of Official Analytical Chemists美國(guó)公職化學(xué)家協(xié)會(huì))、 AACC（American Association of Cereal Chemists美國(guó)谷物化學(xué)家協(xié)會(huì)）等行業(yè)協(xié)會(huì)的標(biāo)準(zhǔn)；各發(fā)達(dá)國(guó)家藥典如 USP(United States Pharmacopoeia美國(guó)藥典)均收進(jìn)了近紅外光譜方法；我國(guó)2005年版的藥典也將該方法收進(jìn)。在應(yīng)用方面近紅外光譜分析技術(shù)已擴(kuò)展到石油化工、醫(yī)藥、生物化學(xué)、煙草、紡織品等領(lǐng)域。發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將近紅外方法做為質(zhì)量控制、品質(zhì)分析和在線分析等快速、無(wú)損分析的主要手段。

    我國(guó)對(duì)近紅外光譜技術(shù)的研究及應(yīng)用起步較晚，上世紀(jì)70年代開(kāi)始，進(jìn)行了近紅外光譜分析的基礎(chǔ)與應(yīng)用研究，到了90年代，石化、農(nóng)業(yè)、煙草等領(lǐng)域開(kāi)始大量應(yīng)用近紅外光譜分析技術(shù)，但主要是依靠國(guó)外大型分析儀器生產(chǎn)商的進(jìn)口儀器。目前國(guó)內(nèi)能夠提供完整近紅外光譜分析技術(shù)（近紅外光譜分析儀器、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件、應(yīng)用模型的研發(fā)）的公司正處于發(fā)展階段。由于我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，持續(xù)發(fā)展型經(jīng)濟(jì)與建立節(jié)約型社會(huì)方針的確定與貫徹我國(guó)生產(chǎn)、科研、教學(xué)領(lǐng)域和市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的檢測(cè)與控制要求迫切，按照經(jīng)驗(yàn)，近紅外光譜分析技術(shù)將是一種技術(shù)。隨著國(guó)產(chǎn)近紅外光譜儀的研制和生產(chǎn)，近紅外光譜分析技術(shù)在分析界必將為更多的人所熟悉和接受，會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。  

2、近紅外光譜分析與常規(guī)光譜分析方法的不同

    通常可以把基本紫外、可見(jiàn)光譜分析和紅外光譜分析等稱為常規(guī)光譜分析，近紅外光譜分析由于譜區(qū)信息的不同，方法和儀器的不同使其與常規(guī)光譜分析有很大的差別。

2.1近紅外光譜分析方法的不同

    常規(guī)光譜分析一般要求樣品通過(guò)前處理，使組分和濃度調(diào)整后再進(jìn)行分析。儀器測(cè)試結(jié)果只是給出樣品對(duì)某一波長(zhǎng)吸光度，吸光度和待丈量（如濃度）間的關(guān)系是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系；常規(guī)光譜分析只要儀器給出正確的吸光度，即可由用戶自行建立的個(gè)性化工作曲線（屬于各臺(tái)儀器特定分析方法的）得到待丈量。

    近紅外光譜分析是在復(fù)雜、重疊、變動(dòng)的背景下提取弱信息，復(fù)雜樣品近紅外光譜和待丈量間的關(guān)系是復(fù)雜的間接關(guān)系；近紅外光譜分析必須借助化學(xué)計(jì)量學(xué)方法用全部波長(zhǎng)點(diǎn)和待丈量進(jìn)行多元關(guān)聯(lián)，建立光譜與待丈量間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，依靠數(shù)學(xué)模型由光譜計(jì)算樣品的待丈量。近紅外光譜分析儀器不僅要給出吸光度，還須捆綁數(shù)學(xué)模型才能得到待丈量。

2.2 近紅外光譜分析譜區(qū)的不同

    近紅外譜區(qū)的波長(zhǎng)介于可見(jiàn)光與中紅外光之間，該譜區(qū)的分析兼?zhèn)淞酥屑t外譜區(qū)信息量豐富的優(yōu)點(diǎn)與可見(jiàn)譜區(qū)使用方便的優(yōu)點(diǎn)。

    與中紅外譜區(qū)一樣，近紅外光譜分析利用分子振動(dòng)的信息，但本譜區(qū)主要是振動(dòng)的倍頻與合頻信息，此譜區(qū)分析幾乎可以實(shí)現(xiàn)所有與含氫基團(tuán)有關(guān)的樣品化學(xué)性質(zhì)、物理性質(zhì)，某些生物性質(zhì)等多項(xiàng)目分析或同時(shí)分析，被以為是一種“具有解決農(nóng)業(yè)分析潛力”確當(dāng)代分析方法。

    與紫外、可見(jiàn)、中紅外譜區(qū)相比，物質(zhì)對(duì)近紅外譜區(qū)吸收的能力較弱，該譜區(qū)可以透進(jìn)樣品內(nèi)部，取得樣品內(nèi)部的信息，因此近紅外光譜分析樣品可以不需要或者只要少量的物理前處理，便可用于各種快速分析，尤其適用于復(fù)雜樣品的無(wú)損分析。

2.3近紅外光譜分析儀器的不同

    常規(guī)光譜分析一般由用戶自備標(biāo)樣后測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)曲線或工作曲線。每種工作曲線只相對(duì)于某臺(tái)儀器使用，這種分析屬于相對(duì)分析，相對(duì)分析可以通過(guò)個(gè)性化的工作曲線校正儀器與方法的某些系統(tǒng)偏差，因而對(duì)儀器的度要求較高；相對(duì)于儀器的波長(zhǎng)、吸光度正確度的要求較低。

    近紅外光譜分析依靠捆綁的數(shù)學(xué)模型，直接計(jì)算出樣品的待丈量，這種分析屬于盡對(duì)分析，盡對(duì)分析對(duì)儀器的正確度與度要求較高。但用戶可以對(duì)不經(jīng)過(guò)前處理的樣品直接分析待丈量。

    近紅外光譜分析建立數(shù)學(xué)模型的過(guò)程比較復(fù)雜、煩瑣，為了避免用戶自行建立個(gè)性化數(shù)學(xué)模型，廠家必須克服儀器的臺(tái)間差異，為儀器捆綁同一的數(shù)學(xué)模型。近紅外光譜分析儀器要求整合精密、穩(wěn)定的硬件和軟件、數(shù)學(xué)模型；并需要資源、分析方法與分析經(jīng)驗(yàn)等條件的集合才能實(shí)現(xiàn)，是一種難度較大的分析技術(shù)。 

3、近紅外光譜分析的特點(diǎn)

3.1 近紅外光譜分析應(yīng)用方式的特點(diǎn)：近紅外光譜的工作譜區(qū)信息量豐富，對(duì)樣品有較強(qiáng)的透過(guò)能力。近紅外光譜分析能在幾秒鐘內(nèi)對(duì)被測(cè)樣品完成一次光譜的采集丈量，瞬間即可依靠數(shù)學(xué)模型完成其多項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)定。分析過(guò)程不產(chǎn)生污染、不消耗其它材料、不破壞樣品，分析重現(xiàn)性好、本錢低；可以實(shí)現(xiàn)快速分析、綠色分析、廉價(jià)分析，具有“多、快、好、省”的特點(diǎn)。尤其是在復(fù)雜物、自然物的無(wú)損、微損分析、在線分析、原位分析、瞬間分析等領(lǐng)域具有常規(guī)分析無(wú)法相比的優(yōu)點(diǎn)。

    近紅外光譜分析技術(shù)對(duì)于適時(shí)的質(zhì)量監(jiān)控與大量樣品分析是十分經(jīng)濟(jì)且快速的，由于建立近紅外光譜方法之前須投進(jìn)大量人力、物力和財(cái)力才能得到一個(gè)正確的校正模型。因此近紅外光譜分析對(duì)于沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型、零星樣品的分析不太適用。

    近紅外光譜分析技術(shù)屬于應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的間接分析，是二級(jí)的分析技術(shù)；一般不適合做實(shí)驗(yàn)室高精度，高穩(wěn)定性分析；近紅外光譜分析也不適合做微量分析。

3.2 近紅外光譜分析方法學(xué)的特點(diǎn)：

    近紅光譜外分析結(jié)果的正確度不但與待測(cè)樣品有關(guān)，還取決于建樣子容貌品與模型（正確度與穩(wěn)定性），的模型可以使測(cè)定結(jié)果的正確度逼近經(jīng)典方法。 

    近紅外光譜分析的度可達(dá)到或超過(guò)經(jīng)典方法； 

    近紅外光譜分析的速度較快，當(dāng)分析模型建立后，分析的速度一般以秒為單位； 

    近紅外光譜分析的檢測(cè)極限不易做得很低，一般只能做到10-3—10-4，難以應(yīng)用于農(nóng)業(yè)殘留分析等領(lǐng)域。

    近紅外光譜分析的效率*。近紅外光譜分析的儀器可以作成類似傻瓜式儀器，用戶只要簡(jiǎn)單地培訓(xùn)即可操縱儀器，使用模型（數(shù)學(xué)模型由儀器的開(kāi)發(fā)職員或制造商來(lái)完成）進(jìn)行分析，分析本錢相對(duì)常規(guī)分析要低的多。 

4、近紅外光譜分析的應(yīng)用領(lǐng)域：

    近紅外光譜主要是反映與C-H、O-H、N-H、S-H等基團(tuán)有關(guān)的樣品結(jié)構(gòu)、組成、性質(zhì)的信息，因此分析范圍幾乎可覆蓋所有的有機(jī)化合物和混合物。加之其獨(dú)占的諸多優(yōu)點(diǎn)，決定了它應(yīng)用領(lǐng)域的廣闊，使其在很多行業(yè)中都能發(fā)揮重要作用。主要的應(yīng)用領(lǐng)域包括：石油及石油化工、農(nóng)業(yè)、煙草、食品、飲料、制藥、有機(jī)化工、精細(xì)化工、生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)臨床、紡織、造紙、化妝品、地理地質(zhì)、航空、遠(yuǎn)感、質(zhì)量監(jiān)視、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域。在石化領(lǐng)域可測(cè)定油品的辛烷值、十六烷值、閃點(diǎn)、冰點(diǎn)、凝固點(diǎn)、餾程等；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域可以測(cè)定谷物的蛋白質(zhì)、氨基酸、醣、脂肪、纖維、水分等內(nèi)部組份含量與硬度等性質(zhì)；在醫(yī)藥領(lǐng)域可以測(cè)定藥品中的有效成分、組成和含量；亦可進(jìn)行樣品的種類鑒別，如酒類和香水的真假辨別，環(huán)保廢棄物的分檢等。（參閱《近紅外光譜分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》一書）

    我國(guó)近紅外光譜分析主要應(yīng)用于石化、農(nóng)業(yè)、煙草、食品、飲料等領(lǐng)域，其他還可應(yīng)用于寶石鑒定、遠(yuǎn)感等方面。

    以煙草分析為例，煙草常規(guī)分析包括總氮、總醣及煙堿等九種成分，通常采用活動(dòng)注射分析方式，速度慢、本錢高，對(duì)分析職員的技術(shù)要求也高。采用近紅外光譜分析方法一旦數(shù)學(xué)模型建立后，分析速度可以進(jìn)步數(shù)十倍，分析本錢會(huì)降低很多，分析的重復(fù)性超過(guò)常規(guī)方法；因此，近紅外方法從90年代后，已經(jīng)*被煙草界認(rèn)可。我國(guó)主要煙草公司已普遍采用近紅外分析技術(shù)，已裝備了上百臺(tái)近紅外分析儀，用于現(xiàn)場(chǎng)、實(shí)驗(yàn)室與在線丈量分析與原料監(jiān)測(cè)。我國(guó)的酒廠均采用近紅外光譜儀，用于酒糟發(fā)酵等過(guò)程的監(jiān)控。