試析油品檢測(cè)中近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用

梁家銘

廣東省茂名市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所

試析油品檢測(cè)中近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用

梁家銘

廣東省茂名市質(zhì)量計(jì)量監(jiān)督檢測(cè)所

本文從近紅外光譜技術(shù)的概念出發(fā)，對(duì)近紅外光譜技術(shù)的原理、應(yīng)用現(xiàn)狀及檢測(cè)分析方法進(jìn)行了詳細(xì)探究，以供參考。

近紅外光譜；分析技術(shù)；油品分析；檢測(cè)

前言

近些年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多度偶的信息技術(shù)應(yīng)用到油品分析工作中，并且取得了良好的效果。近紅外光譜分析技術(shù)室一種快速分析技術(shù)，而且具有快速、低耗等特點(diǎn)，在眾多領(lǐng)域的檢測(cè)分析工作中都有廣泛的應(yīng)用。

1　近紅外光譜技術(shù)的概念

近紅外光譜技術(shù)是一種常見的分析手段， 它以物質(zhì)對(duì)紅外光的吸收作為理論基礎(chǔ)。它是介于中紅外光（2500～25000nm） 和可見光（400～780nm） 之間的電磁輻射波， 一般將近紅外光譜區(qū)定義為780～2526 nm（波數(shù)范圍為12820～3959cm-1） 的區(qū)域。由于近紅外光譜區(qū)與有機(jī)分子中含氫基團(tuán)（C—H、O—H、N—H）的振動(dòng)頻率吸收區(qū)相一致，所以通過掃描樣品的近紅外光譜， 就可以得到樣品中含氫基團(tuán)的特征信息。同時(shí)， 利用近紅外光譜技術(shù)分析樣品具有簡(jiǎn)便、快捷、高效、準(zhǔn)確、價(jià)廉、不破壞樣品、不消耗化學(xué)試劑、不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)， 因此該技術(shù)受到越來越多的青睞［1］。

2　近紅外光譜技術(shù)的原理

近紅外光譜（波長(zhǎng)范圍780- 2526mm）的產(chǎn)生主要是樣品分子中含X- H 鍵（X 為C，O，N，S 等）基團(tuán)的化合物在中紅外區(qū)域基頻振動(dòng)的倍頻及合頻吸收。與中紅外光譜和遠(yuǎn)紅外光譜技術(shù)相比，近紅外光譜技術(shù)有更寬的譜帶，而且強(qiáng)度被極大的降低，所以使得近紅外光譜技術(shù)可以在檢測(cè)樣品不經(jīng)過稀釋的情況下直接進(jìn)行測(cè)定，而且可以獲得準(zhǔn)確度較高的測(cè)定結(jié)果。受到光譜吸收峰位和強(qiáng)度的變化影響，不同的樣品基團(tuán)產(chǎn)生的光譜存在較大的差異，隨著樣品成分發(fā)生變化，形成的光譜特征也會(huì)隨之變化，這就為近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用提供了檢測(cè)基礎(chǔ)。

在油品分析中，樣品中包含很多不同種類的C- H 基團(tuán)信息的烴類化合物，而烴類化合物的結(jié)構(gòu)和成分含量的變化都會(huì)對(duì)油品產(chǎn)生一定的影響，所以通過近紅外光譜技術(shù)的運(yùn)用，可以將這些細(xì)致的變化信息進(jìn)行采集和處理，形成近紅外光譜的處理圖和化學(xué)校正方法，進(jìn)而建立近紅外光譜的校正模型，運(yùn)用該模型便可以得到油品分析的數(shù)據(jù)結(jié)果。

3　近紅外光譜分析技術(shù)在油品中的應(yīng)用現(xiàn)狀

石油化工產(chǎn)品的主要成分是烴類化合物，而近紅外分析技術(shù)可以針對(duì)其中的基團(tuán)化合物進(jìn)行檢測(cè)，因此在油品分析中運(yùn)用近紅外光譜分析技術(shù)，是十分適合的。美國(guó)華盛頓大學(xué)是最早針對(duì)油品分析中近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用的問題進(jìn)行研究，并且在《HydrocarbonProcessing》上發(fā)表了關(guān)于運(yùn)用近紅外改光譜技術(shù)測(cè)定汽油辛烷值的檢測(cè)結(jié)果和研究報(bào)告，為近紅外光譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。隨后，近紅外光譜技術(shù)不斷發(fā)展，應(yīng)用的范圍也越來越廣泛，對(duì)于辛烷值、芳烴含量、含氧化合物含量等都可以實(shí)現(xiàn)有效科學(xué)的檢測(cè)，為石油化工領(lǐng)域的生產(chǎn)活動(dòng)提供了豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

我國(guó)關(guān)于近紅外光譜技術(shù)在石油化工領(lǐng)域中應(yīng)用的課題研究，是從20 世紀(jì)80 年代開始，主要的科研工作集中在化工科學(xué)院，隨著研究工作的不斷深入，產(chǎn)生了關(guān)于近紅外光譜技術(shù)在柴油基團(tuán)中密度、折光等性質(zhì)的檢測(cè)，而且與油品性質(zhì)之間存在密切關(guān)系，可以從相關(guān)文獻(xiàn)中查詢。

4　近紅外光譜技進(jìn)行油品檢測(cè)分析的方法

從油品分析的角度來說，其中包含很多復(fù)雜的基團(tuán)因子，如甲基- CH3、亞甲基=CH2 等，由于這些分子在排列和成分方面的差異，形成的光譜也存在一定的差異，正是這種差異性的存在為近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用提供了空間。通過檢測(cè)和計(jì)算，可以針對(duì)不同基團(tuán)分子之間的細(xì)微差異做出判斷，進(jìn)而獲得相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息，通過對(duì)數(shù)據(jù)的處理形成譜圖和計(jì)量學(xué)模型，獲得油品分析的完整數(shù)據(jù)。運(yùn)用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行油品分析的方法主要有兩種：

4.1定性分析方法

近紅外光譜定性分析方法主要是依靠檢測(cè)樣本和未知樣品的譜圖比較獲得結(jié)果，適用于已經(jīng)形成完整譜圖的樣本檢測(cè)。近紅外光譜具有較強(qiáng)的敏感性，容易形成重疊的吸收峰，依靠人的肉眼無法準(zhǔn)確判斷，所以需要通過計(jì)算機(jī)的輔助作用，對(duì)不同的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行區(qū)分和處理，才能形成準(zhǔn)確的分析結(jié)果。在定性分析中主要運(yùn)用的方法有：第一，峰位鑒別法。運(yùn)用近紅外光譜技術(shù)分析時(shí)，不同種類的油品會(huì)形成不同的峰位圖，油品化學(xué)成分的差異性越大，則其形成的峰位圖存在的差異也月明顯，鑒別的難度也越小。因此，峰位鑒別法一般適用于成分差異較大的不同種類油品分析，鑒別過程簡(jiǎn)單，結(jié)果準(zhǔn)確。第二，建庫判別算法。該方法主要是通過檢測(cè)油品樣本中的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)并且形成近紅外光譜，建立標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)樣品庫，根據(jù)樣品庫中的數(shù)據(jù)與品均光譜數(shù)據(jù)之間的對(duì)比，判斷油品中含有的物質(zhì)成分及含量。第三，聚類分析法。該方法是運(yùn)用光譜圖譜的視圖降維顯示，將光譜數(shù)據(jù)矩陣進(jìn)行分解，獲得若干不同成分的矩陣圖，再根據(jù)樣本的得分做出相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。運(yùn)用聚類分析法時(shí)，首先要對(duì)樣本進(jìn)行分類，將相似的樣本作為一個(gè)類別，再逐一比較不同分類之間的樣本總是否包含相近的要素，并且將這些要素作進(jìn)行分類形成不同的譜系圖。通常情況下，譜圖的設(shè)計(jì)步驟都相對(duì)較為復(fù)雜，但是完成后的譜圖可以清晰的顯示出樣本中的物質(zhì)種類和含量，所以在運(yùn)用聚類分析法時(shí)，可以配合馬氏距離判別法，確定在樣本中是否含有未知的物質(zhì)以及這種物質(zhì)與特定檢測(cè)物質(zhì)之間的距離，在同樣的空間內(nèi)呈現(xiàn)的狀態(tài)等，從而獲得完整的檢測(cè)結(jié)果。

4.2定量分析方法

定量分析法中包含以下幾個(gè)步驟：第一，模型樣本的選擇和確定。運(yùn)用近紅外光譜技術(shù)進(jìn)行油品分析時(shí)，樣本的正確性是影響其檢測(cè)結(jié)果的主要因素，所以需要建立正確的樣本模型。首先確定樣本模型涵蓋的范圍，其次對(duì)樣本的選擇過程和確定過程進(jìn)行建確定，保證樣本具有代表性，符合油品分析對(duì)于樣本組成、顆粒均勻性等要求，保證后續(xù)檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。第二，對(duì)樣本的物化性質(zhì)進(jìn)行檢驗(yàn)。建立模型樣本之后，對(duì)嚴(yán)格不能的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷，保證樣本質(zhì)量，在此基礎(chǔ)上建立標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法，降低檢測(cè)結(jié)果的誤差。第三，光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量。通過對(duì)樣本模型中獲得的光譜圖進(jìn)行測(cè)量，保證所有樣本測(cè)量的環(huán)境和條件一致，才能提高檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。第四，對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括平滑、微分、基線校正等，選擇確定的數(shù)據(jù)光譜的變化范圍。第四，建立校正模型，主要包括多元線性回歸（MLR）、主成分回歸（PCR）和偏最小二乘（PLS）是常用的三種建立校正模型的方法。

5　結(jié)束語

總而言之，近紅外光譜技術(shù)是以計(jì)算機(jī)技術(shù)為依托，擺脫了傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室光譜分析方法的局限性，將其運(yùn)用到現(xiàn)代油品分析工作中，可以滿足油品分析中關(guān)于等級(jí)、物性參數(shù)等測(cè)定要求，而且檢測(cè)方法簡(jiǎn)便、準(zhǔn)確率高，有效的提高了油品分析工作的效率，為石油化工領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展提供了更豐富的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

［1］ 宗營(yíng)，張曉玉，徐龍亭，魏賢勇.近紅外光譜在油品快速分析中的應(yīng)用［J］.化工時(shí)刊，2010（07）.

［2］ 鮑峰偉，劉景艷.近紅外光譜分析技術(shù)在石油化工中的應(yīng)用［J］.貴州化工，2015（06）.