近紅外技術(shù)在木材科學(xué)中的應(yīng)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(lái)越尖銳。根據(jù)我國(guó)的森林資源統(tǒng)計(jì)，我國(guó)森林覆蓋率較低，只達(dá)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(shí)施，可采伐的森林資源日益減少，在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間里，木材生產(chǎn)不可能有大幅增長(zhǎng)，木材的缺口現(xiàn)象會(huì)更嚴(yán)重，供需矛盾也將日漸尖銳。文章主要闡述了當(dāng)前近紅外線技術(shù)在木材科學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：近紅外技術(shù)；木材科學(xué)；應(yīng)用

要解決這一矛盾，就要在保護(hù)現(xiàn)有的森林資源并且實(shí)行合理開(kāi)發(fā)采伐的前提下，加大力度開(kāi)展植樹(shù)造林，盡可能的擴(kuò)大森林資源增加木材產(chǎn)量，然而，一棵樹(shù)從植樹(shù)到成材是需要一個(gè)較長(zhǎng)時(shí)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(kāi)發(fā)利用就是提高森林資源利用率的一個(gè)有效方法。梢頭木、枝丫、樹(shù)葉、樹(shù)皮、枯倒木、折斷木、樹(shù)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(lái)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(guò)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(zhǔn)確地測(cè)定其主要化學(xué)組分含量十分重要，其化學(xué)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(cè)量木質(zhì)剩余物化學(xué)組分的評(píng)價(jià)方法耗時(shí)耗力且耗資。因此，尋求一種快速準(zhǔn)確且低成本地評(píng)價(jià)其主要化學(xué)組分的方法，已經(jīng)成為積極開(kāi)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(jiǎn)寫為NIR）技術(shù)是一項(xiàng)新的無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，它能夠迅速準(zhǔn)確地對(duì)固體、液體、粉末等有機(jī)物樣品的化學(xué)性質(zhì)進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)。本文綜述了國(guó)內(nèi)外近紅外光譜技術(shù)在木材科學(xué)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(xué)組分預(yù)測(cè)中的應(yīng)用設(shè)想。

1 近紅外光譜分析木質(zhì)剩余物的理論基礎(chǔ)

近紅外光譜是有機(jī)分子的合頻和倍頻的吸收光譜，其他的光譜分析方法在對(duì)含水固體的樣品分析前要先經(jīng)過(guò)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(huì)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(tuán)主要就是以上的幾個(gè)含氫基團(tuán)。木質(zhì)剩余物是天然的高分子有機(jī)物，其主要成分中含有大量的含氫基團(tuán)，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(huì)有明顯的吸收峰。這樣一來(lái)，理論上近紅外光譜就可以用來(lái)對(duì)木質(zhì)剩余物進(jìn)行分析，且用于檢測(cè)的樣品不用經(jīng)過(guò)復(fù)雜的處理，減少了很多操作上帶來(lái)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(jìn)行分析。由于近紅外光對(duì)木質(zhì)剩余物的穿透能力很弱，在應(yīng)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(lái)，然后進(jìn)入到樣品內(nèi)部，經(jīng)過(guò)多次吸收、反射、折射和衍射后返回到樣品表面，在這一過(guò)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?yàn)槠湮蛰^弱，譜帶復(fù)雜且重疊嚴(yán)重，很難精準(zhǔn)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(xué)計(jì)量學(xué)和軟件技術(shù)?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)運(yùn)用統(tǒng)計(jì)學(xué)和數(shù)學(xué)方法選擇出最好的試驗(yàn)設(shè)計(jì)和測(cè)量方法，通過(guò)對(duì)測(cè)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(cè)樣品中提取其組成或者其物理化學(xué)性質(zhì)中的有效信息，而利用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法可以準(zhǔn)確地對(duì)近紅外光譜進(jìn)行有效分析。利用近紅外光譜預(yù)測(cè)木質(zhì)剩余物時(shí)，因其近紅外光譜中每個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)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(xué)計(jì)量學(xué)方法將光譜數(shù)據(jù)和樣品的性質(zhì)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，然后建立出對(duì)樣品性質(zhì)預(yù)測(cè)的數(shù)學(xué)模型，最后進(jìn)行模型驗(yàn)證，如果驗(yàn)證效果較好，則可將該模型用于未知樣品相關(guān)性質(zhì)的預(yù)測(cè)。

2 近紅外光譜在木材科學(xué)中的應(yīng)用情況

因?yàn)榻t外光譜分析技術(shù)的一些突出優(yōu)勢(shì)，用近紅外光譜預(yù)測(cè)木材的材性一直受到人們的密切關(guān)注。國(guó)內(nèi)外有許多專家對(duì)此進(jìn)行了探討。

有專家在波長(zhǎng)范圍為780～2500nm的近紅外漫反射光譜范圍中對(duì)一種針葉材和一種闊葉材的橫切面進(jìn)行光譜采集，結(jié)合偏最小二乘法對(duì)針葉材杉木和闊葉材桉樹(shù)快速識(shí)別的可行性進(jìn)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(duì)未知樣本的識(shí)別準(zhǔn)確率為100%，說(shuō)明近紅外光譜技術(shù)能夠快速準(zhǔn)確地識(shí)別針葉材和闊葉材。

有專家針對(duì)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(cè)定天然纖維素清潔漿料中α-纖維素的含量。采用了142個(gè)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(guān)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(gè)方法對(duì)天然纖維素清潔漿料α-纖維素的含量進(jìn)行預(yù)測(cè)是可行的，并且操作簡(jiǎn)單，速度快。

在國(guó)外，也有很多關(guān)于利用近紅外光譜技術(shù)測(cè)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(duì)人工林藍(lán)桉和亮果桉木材的化學(xué)組分進(jìn)行了預(yù)測(cè)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(duì)木材的糖類進(jìn)行精確的預(yù)測(cè)。

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(kāi)發(fā)利用是提高森林資源利用率的一個(gè)有效方法。木質(zhì)剩余物的一大來(lái)源就是森林采伐剩余物，森林采伐剩余物是指森林經(jīng)過(guò)采伐后在伐區(qū)剩下的梢頭木、枝丫、樹(shù)葉、樹(shù)皮、枯倒木、折斷木、樹(shù)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┰希材芙o林化產(chǎn)品做加工原料。為了實(shí)現(xiàn)木質(zhì)剩余物的最優(yōu)化利用，需要準(zhǔn)確迅速地獲取有關(guān)木質(zhì)剩余物化學(xué)組分的重要信息。但是，傳統(tǒng)的檢測(cè)木質(zhì)剩余物化學(xué)組分的評(píng)價(jià)方法耗時(shí)耗力，所以，亟待找到一種準(zhǔn)確快速評(píng)價(jià)的方法。而近紅外光譜技術(shù)就是一項(xiàng)無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，能對(duì)固體木質(zhì)剩余物或者其木粉的性質(zhì)進(jìn)行全面無(wú)損的檢測(cè)。

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(xué)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(guān)系。在木質(zhì)剩余物的化學(xué)組分中，綜纖維素和木質(zhì)素這兩種化學(xué)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(duì)木質(zhì)剩余物中的綜纖維素和木質(zhì)素的含量進(jìn)行了快速和準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)，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(chǔ)上建立一個(gè)廣泛適用的預(yù)測(cè)木質(zhì)剩余物化學(xué)組分的模型，就能在一定范圍內(nèi)對(duì)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(jìn)行無(wú)損或低損壞的預(yù)測(cè)。這樣，就能根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，合理地對(duì)木質(zhì)剩余物進(jìn)行開(kāi)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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