近紅外光譜分析及其應用領域

1、近紅外光譜分析及其在、國內分析領域的定位

    近紅外光譜分析是將近紅外譜區(qū)（800-2500nm）的光譜丈量技術、化學計量學技術、計算機技術與基礎測試技術交叉結合的現(xiàn)代分析技術，主要用于復雜樣品的直接快速分析。近紅外分析復雜樣品時，通常首先需要將樣品的近紅外光譜與樣品的結構、組成或性質等丈量參數(shù)（用標準或認可的參比方法測得的），采用化學計量學技術加以關聯(lián)，建立待丈量的校正模型；然后通過對未知樣品光譜的測定并應用已經(jīng)建立的校正模型，來快速猜測樣品待丈量。

    近紅外光譜分析技術自上世紀60年代開始首先在農業(yè)領域應用，隨著化學計量學與計算機技術的發(fā)展，80年代以來逐步受到光譜分析學家的重視，該項技術逐漸成熟，90年代匹茨堡會議與我國的BCEIA等重要分析專業(yè)會議均先后把近紅外光譜分析與紫外、紅外光譜分析等技術并列，作為一種獨立的分析方法；2000年PITTCON會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）、AOAC(American Association of Official Analytical Chemists美國公職化學家協(xié)會)、 AACC（American Association of Cereal Chemists美國谷物化學家協(xié)會）等行業(yè)協(xié)會的標準；各發(fā)達國家藥典如 USP(United States Pharmacopoeia美國藥典)均收進了近紅外光譜方法；我國2005年版的藥典也將該方法收進。在應用方面近紅外光譜分析技術已擴展到石油化工、醫(yī)藥、生物化學、煙草、紡織品等領域。發(fā)達國家已經(jīng)將近紅外方法做為質量控制、品質分析和在線分析等快速、無損分析的主要手段。

    我國對近紅外光譜技術的研究及應用起步較晚，上世紀70年代開始，進行了近紅外光譜分析的基礎與應用研究，到了90年代，石化、農業(yè)、煙草等領域開始大量應用近紅外光譜分析技術，但主要是依靠國外大型分析儀器生產(chǎn)商的進口儀器。目前國內能夠提供完整近紅外光譜分析技術（近紅外光譜分析儀器、化學計量學軟件、應用模型的研發(fā)）的公司正處于發(fā)展階段。由于我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，持續(xù)發(fā)展型經(jīng)濟與建立節(jié)約型社會方針的確定與貫徹我國生產(chǎn)、科研、教學領域和市場對產(chǎn)品的檢測與控制要求迫切，按照經(jīng)驗，近紅外光譜分析技術將是一種技術。隨著國產(chǎn)近紅外光譜儀的研制和生產(chǎn)，近紅外光譜分析技術在分析界必將為更多的人所熟悉和接受，會在越來越多的領域廣泛應用。  

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前處理，使組分和濃度調整后再進行分析。儀器測試結果只是給出樣品對某一波長吸光度，吸光度和待丈量（如濃度）間的關系是簡單的線性關系；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性化工作曲線（屬于各臺儀器特定分析方法的）得到待丈量。

    近紅外光譜分析是在復雜、重疊、變動的背景下提取弱信息，復雜樣品近紅外光譜和待丈量間的關系是復雜的間接關系；近紅外光譜分析必須借助化學計量學方法用全部波長點和待丈量進行多元關聯(lián)，建立光譜與待丈量間關系的數(shù)學模型，依靠數(shù)學模型由光譜計算樣品的待丈量。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)的波長介于可見光與中紅外光之間，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)點與可見譜區(qū)使用方便的優(yōu)點。

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

    與紫外、可見、中紅外譜區(qū)相比，物質對近紅外譜區(qū)吸收的能力較弱，該譜區(qū)可以透進樣品內部，取得樣品內部的信息，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，尤其適用于復雜樣品的無損分析。

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樣后測定標準曲線或工作曲線。每種工作曲線只相對于某臺儀器使用，這種分析屬于相對分析，相對分析可以通過個性化的工作曲線校正儀器與方法的某些系統(tǒng)偏差，因而對儀器的度要求較高；相對于儀器的波長、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)學模型，直接計算出樣品的待丈量，這種分析屬于盡對分析，盡對分析對儀器的正確度與度要求較高。但用戶可以對不經(jīng)過前處理的樣品直接分析待丈量。

    近紅外光譜分析建立數(shù)學模型的過程比較復雜、煩瑣，為了避免用戶自行建立個性化數(shù)學模型，廠家必須克服儀器的臺間差異，為儀器捆綁同一的數(shù)學模型。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)學模型；并需要資源、分析方法與分析經(jīng)驗等條件的集合才能實現(xiàn)，是一種難度較大的分析技術。 

3、近紅外光譜分析的特點

3.1 近紅外光譜分析應用方式的特點：近紅外光譜的工作譜區(qū)信息量豐富，對樣品有較強的透過能力。近紅外光譜分析能在幾秒鐘內對被測樣品完成一次光譜的采集丈量，瞬間即可依靠數(shù)學模型完成其多項性能指標的測定。分析過程不產(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；可以實現(xiàn)快速分析、綠色分析、廉價分析，具有“多、快、好、省”的特點。尤其是在復雜物、自然物的無損、微損分析、在線分析、原位分析、瞬間分析等領域具有常規(guī)分析無法相比的優(yōu)點。

    近紅外光譜分析技術對于適時的質量監(jiān)控與大量樣品分析是十分經(jīng)濟且快速的，由于建立近紅外光譜方法之前須投進大量人力、物力和財力才能得到一個正確的校正模型。因此近紅外光譜分析對于沒有相應的數(shù)學模型、零星樣品的分析不太適用。

    近紅外光譜分析技術屬于應用數(shù)學模型的間接分析，是二級的分析技術；一般不適合做實驗室高精度，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的特點：

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

    近紅外光譜分析的度可達到或超過經(jīng)典方法； 

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

    近紅外光譜分析的檢測極限不易做得很低，一般只能做到10-3—10-4，難以應用于農業(yè)殘留分析等領域。

    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，用戶只要簡單地培訓即可操縱儀器，使用模型（數(shù)學模型由儀器的開發(fā)職員或制造商來完成）進行分析，分析本錢相對常規(guī)分析要低的多。 

4、近紅外光譜分析的應用領域：

    近紅外光譜主要是反映與C-H、O-H、N-H、S-H等基團有關的樣品結構、組成、性質的信息，因此分析范圍幾乎可覆蓋所有的有機化合物和混合物。加之其獨占的諸多優(yōu)點，決定了它應用領域的廣闊，使其在很多行業(yè)中都能發(fā)揮重要作用。主要的應用領域包括：石油及石油化工、農業(yè)、煙草、食品、飲料、制藥、有機化工、精細化工、生命科學、醫(yī)學臨床、紡織、造紙、化妝品、地理地質、航空、遠感、質量監(jiān)視、環(huán)境保護等領域。在石化領域可測定油品的辛烷值、十六烷值、閃點、冰點、凝固點、餾程等；在農業(yè)領域可以測定谷物的蛋白質、氨基酸、醣、脂肪、纖維、水分等內部組份含量與硬度等性質；在醫(yī)藥領域可以測定藥品中的有效成分、組成和含量；亦可進行樣品的種類鑒別，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與應用》一書）

    我國近紅外光譜分析主要應用于石化、農業(yè)、煙草、食品、飲料等領域，其他還可應用于寶石鑒定、遠感等方面。

    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，通常采用活動注射分析方式，速度慢、本錢高，對分析職員的技術要求也高。采用近紅外光譜分析方法一旦數(shù)學模型建立后，分析速度可以進步數(shù)十倍，分析本錢會降低很多，分析的重復性超過常規(guī)方法；因此，近紅外方法從90年代后，已經(jīng)*被煙草界認可。我國主要煙草公司已普遍采用近紅外分析技術，已裝備了上百臺近紅外分析儀，用于現(xiàn)場、實驗室與在線丈量分析與原料監(jiān)測。我國的酒廠均采用近紅外光譜儀，用于酒糟發(fā)酵等過程的監(jiān)控。