近紅外光譜技術(shù)在化學分析方面的應(yīng)用進展

孔 恒

廣西真龍彩印包裝有限公司

近紅外光譜技術(shù)在化學分析方面的應(yīng)用進展

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近紅外光譜技術(shù)目前已在農(nóng)業(yè)、環(huán)境、食品、醫(yī)療、通信等行業(yè)廣泛應(yīng)用，在糧食領(lǐng)域，已應(yīng)用于糧油的收獲和儲藏的品質(zhì)檢測等。近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)成為分析有機樣品的主要分析技術(shù)，并能夠方便快捷的測量各形態(tài)樣品。隨著科學技術(shù)不斷更新，近紅外光譜技術(shù)將會以其便捷、快速、高效及在線分析技術(shù)在更多領(lǐng)域應(yīng)用發(fā)展，推動現(xiàn)代化生產(chǎn)發(fā)展?；诖耍恼戮徒t外光譜技術(shù)在化學分析方面的應(yīng)用進行分析。

近紅外光譜技術(shù)；化學分析；應(yīng)用

1.近紅外光譜分析技術(shù)簡介

1.1 基本概念

通常將波長介于可見區(qū)與中紅外區(qū)間的電磁波成為近紅外光(NI R)，他的波長范圍介于800～2500nm。NI R S是基于近紅外光的物理特性而衍生出來的一種新型技術(shù)。其主要原理是利用待測樣品中含有O－H、C－H、N－H和C－C等化學鍵的泛頻振動或轉(zhuǎn)動，以漫反射方式獲得在近紅外區(qū)的光譜，通過多元線性回歸、主成分分析、偏最小二乘法及人工神經(jīng)網(wǎng)等化學計量學手段，建立起物質(zhì)光譜與待測樣品成分間定標模型，最終實現(xiàn)對待測樣品成分的預(yù)測。

1.2 近紅外光譜分析技術(shù)的特點

近紅外光譜分析技術(shù)成功地結(jié)合了計算機技術(shù)、光譜技術(shù)和化學計量學等諸多方面的技術(shù)成果，已在許多領(lǐng)域中得以應(yīng)用，與傳統(tǒng)分析技術(shù)相比主要具有以下優(yōu)點：不需要對待分析樣品進行前處理、不會對環(huán)境造成污染且節(jié)約大量的試劑費用、投資及操作成本低、分析方便速度快、穩(wěn)定性好，受干擾小、分析過程中不消耗其他材料或破壞樣品、測試重現(xiàn)性好等(陸婉珍，2006)。隨著微電機系統(tǒng)和微光機電系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展，國內(nèi)外研制出了幾款新型的微型近紅外儀。微型近紅外光譜儀與普通的光譜儀相比有其明顯的優(yōu)勢：(1)體積小、容易實現(xiàn)模塊化，更符合近年來對檢測儀器輕巧、便攜的要求，且實現(xiàn)了現(xiàn)場應(yīng)用的價值；(2)耐用、結(jié)構(gòu)緊湊、低能耗、校準速度快、對環(huán)境溫度和濕度變化適用范圍更寬；當前，國內(nèi)生產(chǎn)的微型化近紅外光譜儀大多數(shù)還處在理論的樣品機狀態(tài)，實用化的商品較少，但是，也已在制藥、奶粉生產(chǎn)等現(xiàn)場的監(jiān)測中廣泛應(yīng)用，所以微型化近紅外光譜儀的開發(fā)不僅是現(xiàn)實的需要，也是一種普遍趨勢。

2.近紅外光譜技術(shù)在化學分析中的應(yīng)用

2.1 近紅外光譜技術(shù)在醫(yī)藥領(lǐng)域的應(yīng)用

隨著近紅外光譜光纖技術(shù)的發(fā)展，配合化學計量學的有效方法，近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)滲透到制藥工業(yè)的多個領(lǐng)域。近年來，近紅外光譜技術(shù)被引入中藥領(lǐng)域，在中藥藥材真?zhèn)伪鎰e、產(chǎn)地分析、中成藥成分測定方面取得了一些進展。近紅外光譜分析技術(shù)因其無損性不僅保證了藥物的質(zhì)量，還在一定程度上提高了藥物生產(chǎn)過程中質(zhì)量控制的自動化程度，推動了醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2.2 近紅外光譜技術(shù)在食品農(nóng)業(yè)科學中的應(yīng)用

近紅外光譜技術(shù)最早應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品分析，主要是對谷物、油料、經(jīng)濟作物、豆類和塊根類農(nóng)作物的水分、蛋白質(zhì)、脂肪、氨基酸、淀粉、果糖、纖維素、可溶性氮等含量測定。目前已經(jīng)由農(nóng)業(yè)產(chǎn)品分析拓展到食品質(zhì)量測定上，主要是食品工業(yè)和糧油加工中水分子結(jié)合態(tài)的解析、淀粉的檢測和水果內(nèi)部品質(zhì)的測定方面，比如非破壞性水果蔬菜質(zhì)量檢測、牛奶品質(zhì)分析、大米直鏈淀粉含量的檢測等等。目前肉類品質(zhì)檢測的首選方法就是近紅外光譜技術(shù)，在線檢測牛肉或豬肉中脂肪、水和蛋白質(zhì)的含量，方便快速又準確。

2.3 近紅外光譜分析技術(shù)在飼料中的應(yīng)用

由于近紅外光譜分析技術(shù)獨特的優(yōu)勢，伴隨著儀器的制造水平的提升、光譜化學計量學軟件的開發(fā)及各種測定樣品附件的研制均已達到較高的水平，自20世紀80年代中后期以來，NIRS在飼料中的應(yīng)用已相當成熟，是農(nóng)業(yè)經(jīng)濟快速發(fā)展的新亮點。1960年開始，研究者Norris等(Burns等，1992)率先開始了利用NIRS測定谷物中的常規(guī)營養(yǎng)成分含量的研究，同時也進行了將近紅外光譜技術(shù)應(yīng)用于其他農(nóng)產(chǎn)品組分和質(zhì)量的研究。隨著近紅外光譜分析技術(shù)的熟練應(yīng)用，Schaalje和Mundel(1991)利用NIRS對大豆中氮的含量進行了檢測。Fontaine等(2001)研究表明，利用NIRS測定魚粉中油脂和蛋白質(zhì)含量是可行的。Montes等(2006)對飼料中的能量之王玉米的三種成分進行測定，其結(jié)果為：DM(RV2=0.95，SEP=1.2%)，CP(RV2=0.88，SEP=0.3%)，ST(RV2=0.79，SEP=1.0%)。目前NIRS技術(shù)不局限于樣品常規(guī)成分的分析，同時也能分析樣品中的微量組分含量，如氨基酸、維生素、毒素等物質(zhì)含量，還可以進行飼料有效能或消化率的測定等。有研究表明，近紅外預(yù)測棉籽粕真可利用氨基酸含量的定標結(jié)果是可行的，可按真可利用氨基酸進行飼料配方，達到準確適時高效利用飼料資源的目的。

2.4 近紅外光譜技術(shù)在石油化工中的應(yīng)用

近紅外光譜技術(shù)以其獨特的優(yōu)勢在石油化工領(lǐng)域被充分應(yīng)用，囊括了從生產(chǎn)過程質(zhì)量控制到石化產(chǎn)品質(zhì)量檢測等石油加工的各個環(huán)節(jié)。在汽油分析上，近紅外光譜技術(shù)主要體現(xiàn)在快速測定汽油族組成、測定汽油辛烷值、測定汽油物性參數(shù)、在汽油調(diào)和中的運用等方面；在柴油分析上，主要體現(xiàn)在對柴油組成和柴油氧化安定性的測定上；潤滑油分析上，則是對潤滑油基礎(chǔ)油的化學族組成、基礎(chǔ)油粘度指數(shù)測定等方面。總的來說，近紅外光譜技術(shù)已被石化企業(yè)廣泛應(yīng)用在石油性質(zhì)、品質(zhì)分析，以及在線分析監(jiān)控煉油工業(yè)、汽油調(diào)和及石油大分子含量測定上，被各種重要煉油裝置如原油蒸餾、催化裂化和蒸汽裂解等普遍采用。

綜上，當前，遠紅外光譜技術(shù)在各方面都得到了良好的應(yīng)用，隨著儀器和光譜處理化學計量軟件的國產(chǎn)化和相應(yīng)各類應(yīng)用模型的開發(fā)，近紅外光譜技術(shù)作為一種分析技術(shù)將會在越來越多的領(lǐng)域中充當快速檢測的手段。

[1]申欽鵬，張濤，劉春波，何沛，王昆淼，楊光宇，劉志華.近紅外光譜定量分析技術(shù)在煙草和煙氣化學成分分析中的研究進展[J].廣東農(nóng)業(yè)科學，2015，04：77-85.

[2]王耀鵬，顧志榮，孫宇靖，王亞麗.近紅外光譜快速定量技術(shù)在中藥分析中的最新應(yīng)用進展[J].中國實驗方劑學雜志，2015，09：223-226.