近紅外技術(shù)在木材科學中的應用綜述

王德仁

摘 要：隨著木材資源消耗的不斷加劇，木材的供需矛盾越來越尖銳。根據(jù)我國的森林資源統(tǒng)計，我國森林覆蓋率較低，只達到了世界水平的61.5%，人均森林面積和人均森林蓄積量更少，僅是世界水平的22%和14.6%。而且，隨著“天保工程”的實施，可采伐的森林資源日益減少，在未來相當長的一段時間里，木材生產(chǎn)不可能有大幅增長，木材的缺口現(xiàn)象會更嚴重，供需矛盾也將日漸尖銳。文章主要闡述了當前近紅外線技術(shù)在木材科學中的應用。

關鍵詞：近紅外技術(shù)；木材科學；應用

要解決這一矛盾，就要在保護現(xiàn)有的森林資源并且實行合理開發(fā)采伐的前提下，加大力度開展植樹造林，盡可能的擴大森林資源增加木材產(chǎn)量，然而，一棵樹從植樹到成材是需要一個較長時間的。所以，最大限度利用好現(xiàn)有的森林資源意義重大。例如大力發(fā)展木質(zhì)剩余物的開發(fā)利用就是提高森林資源利用率的一個有效方法。梢頭木、枝丫、樹葉、樹皮、枯倒木、折斷木、樹根與伐根、灌木和站立木及造材、制材剩余物都可以稱為木質(zhì)剩余物。木質(zhì)剩余物可以為人造板和造紙?zhí)峁┰?；也可作林化產(chǎn)品的加工原料，用來生產(chǎn)松香、活性炭、栲膠和工業(yè)酒精等；剩余物中的松針，經(jīng)過蒸汽蒸餾能分離出大量的松針油，這是食品、制藥和香料化妝品的原料。

要能使木質(zhì)剩余物得到最優(yōu)化的利用，快速準確地測定其主要化學組分含量十分重要，其化學組分的含量是決定木質(zhì)剩余物后期利用的主要因素。傳統(tǒng)的測量木質(zhì)剩余物化學組分的評價方法耗時耗力且耗資。因此，尋求一種快速準確且低成本地評價其主要化學組分的方法，已經(jīng)成為積極開發(fā)利用木質(zhì)剩余物的重要內(nèi)容之一。近紅外光譜（Near infrared spectroscopy，簡寫為NIR）技術(shù)是一項新的無損檢測技術(shù)，它能夠迅速準確地對固體、液體、粉末等有機物樣品的化學性質(zhì)進行無損檢測。本文綜述了國內(nèi)外近紅外光譜技術(shù)在木材科學中最新的研究成果，及近紅外光譜技術(shù)在木質(zhì)剩余物化學組分預測中的應用設想。

1 近紅外光譜分析木質(zhì)剩余物的理論基礎

近紅外光譜是有機分子的合頻和倍頻的吸收光譜，其他的光譜分析方法在對含水固體的樣品分析前要先經(jīng)過溶劑稀釋或者制備溴化鉀片等步驟，而近紅外光譜的分析中水分的吸收不會覆蓋C-H、N-H和O-H的吸收帶，并且在近紅外光譜區(qū)里產(chǎn)生吸收的官能團主要就是以上的幾個含氫基團。木質(zhì)剩余物是天然的高分子有機物，其主要成分中含有大量的含氫基團，而且他們的組成和結(jié)構(gòu)都各不相同，所以木質(zhì)剩余物在近紅外光譜區(qū)會有明顯的吸收峰。這樣一來，理論上近紅外光譜就可以用來對木質(zhì)剩余物進行分析，且用于檢測的樣品不用經(jīng)過復雜的處理，減少了很多操作上帶來的誤差。

反射和透射是獲取近紅外光譜的兩種技術(shù)方法，像木質(zhì)剩余物這樣的粉末狀樣品或者固體樣品主要是用反射技術(shù)進行分析。由于近紅外光對木質(zhì)剩余物的穿透能力很弱，在應用近紅外光譜分析的研究中，用的最多的是NIR漫反射光譜分析技術(shù)。近紅外的漫反射光從光源處出來，然后進入到樣品內(nèi)部，經(jīng)過多次吸收、反射、折射和衍射后返回到樣品表面，在這一過程中，近紅外漫反射光承載了樣品的組成和結(jié)構(gòu)信息。

近紅外光譜技術(shù)被稱為“黑匣子”技術(shù)，因為其吸收較弱，譜帶復雜且重疊嚴重，很難精準分析出近紅外光譜的吸收峰歸屬。因此，需要較多地依靠化學計量學和軟件技術(shù)?；瘜W計量學運用統(tǒng)計學和數(shù)學方法選擇出最好的試驗設計和測量方法，通過對測量數(shù)據(jù)的處理和分析，獲得有用的信息。近紅外光譜技術(shù)的核心是從被測樣品中提取其組成或者其物理化學性質(zhì)中的有效信息，而利用化學計量學方法可以準確地對近紅外光譜進行有效分析。利用近紅外光譜預測木質(zhì)剩余物時，因其近紅外光譜中每個波長點都疊加了很多種組分的信息，在大量的信息中提取出特征信息，需要用化學計量學方法將光譜數(shù)據(jù)和樣品的性質(zhì)進行關聯(lián)，然后建立出對樣品性質(zhì)預測的數(shù)學模型，最后進行模型驗證，如果驗證效果較好，則可將該模型用于未知樣品相關性質(zhì)的預測。

2 近紅外光譜在木材科學中的應用情況

因為近紅外光譜分析技術(shù)的一些突出優(yōu)勢，用近紅外光譜預測木材的材性一直受到人們的密切關注。國內(nèi)外有許多專家對此進行了探討。

有專家在波長范圍為780～2500nm的近紅外漫反射光譜范圍中對一種針葉材和一種闊葉材的橫切面進行光譜采集，結(jié)合偏最小二乘法對針葉材杉木和闊葉材桉樹快速識別的可行性進行了研究。研究結(jié)果表明，利用近紅外光譜所建立的模型對未知樣本的識別準確率為100%，說明近紅外光譜技術(shù)能夠快速準確地識別針葉材和闊葉材。

有專家針對天然纖維素清潔制漿的新型連續(xù)性生產(chǎn)工藝，提出了采用近紅外光譜測定天然纖維素清潔漿料中α-纖維素的含量。采用了142個天然纖維素清潔漿料樣品，壓入旋轉(zhuǎn)杯采集光譜。用偏最小二乘法建立的全部樣品和分類棉、木漿粕的α-纖維素含量的校正模型相關系數(shù)分別為0.95，0.91和0.83，SEP分別為2.4%，1.2%和1.6%，表明用這個方法對天然纖維素清潔漿料α-纖維素的含量進行預測是可行的，并且操作簡單，速度快。

在國外，也有很多關于利用近紅外光譜技術(shù)測定木材材性的研究。有專家利用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法對人工林藍桉和亮果桉木材的化學組分進行了預測研究，結(jié)果表明，用近紅外光譜技術(shù)結(jié)合偏最小二乘法可以對木材的糖類進行精確的預測。

3 想法和建議

隨著木材資源消耗的不斷加劇，木材的供需矛盾日益尖銳。大力發(fā)展木質(zhì)剩余物的開發(fā)利用是提高森林資源利用率的一個有效方法。木質(zhì)剩余物的一大來源就是森林采伐剩余物，森林采伐剩余物是指森林經(jīng)過采伐后在伐區(qū)剩下的梢頭木、枝丫、樹葉、樹皮、枯倒木、折斷木、樹根與伐根、灌木和站立木等。木質(zhì)剩余物可以為人造板和造紙?zhí)峁┰?，也能給林化產(chǎn)品做加工原料。為了實現(xiàn)木質(zhì)剩余物的最優(yōu)化利用，需要準確迅速地獲取有關木質(zhì)剩余物化學組分的重要信息。但是，傳統(tǒng)的檢測木質(zhì)剩余物化學組分的評價方法耗時耗力，所以，亟待找到一種準確快速評價的方法。而近紅外光譜技術(shù)就是一項無損檢測技術(shù)，能對固體木質(zhì)剩余物或者其木粉的性質(zhì)進行全面無損的檢測。

木質(zhì)剩余物中含有大量的綜纖維素與木質(zhì)素，這些化學組分是木質(zhì)剩余物最基本的性質(zhì)，它與其加工利用特性有著密切的關系。在木質(zhì)剩余物的化學組分中，綜纖維素和木質(zhì)素這兩種化學組分是決定木質(zhì)剩余物用途的重要因素，建議利用近紅外光譜技術(shù)對木質(zhì)剩余物中的綜纖維素和木質(zhì)素的含量進行了快速和準確的預測，為木質(zhì)剩余物后期的分流利用提供依據(jù)。

如果能在此基礎上建立一個廣泛適用的預測木質(zhì)剩余物化學組分的模型，就能在一定范圍內(nèi)對同一采樣范圍內(nèi)的大批量木質(zhì)剩余物的綜纖維素和木質(zhì)素進行無損或低損壞的預測。這樣，就能根據(jù)測得的數(shù)據(jù)，合理地對木質(zhì)剩余物進行開發(fā)利用，在一定程度上提高了森林資源的合理利用。

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