近紅外光譜技術(shù)在化學(xué)分析方面的應(yīng)用分析

＊羅玨 祝媛媛

（湖北大學(xué)知行學(xué)院生物與化學(xué)工程學(xué)院 湖北 430000）

作為一種間接分析的方式，近紅外光譜分析方法是化學(xué)計(jì)量、光譜衡量學(xué)、基礎(chǔ)測(cè)量學(xué)等多種技術(shù)的有機(jī)合成，其能夠?qū)悠愤M(jìn)行高效、快速的定量或者定性分析。對(duì)比傳統(tǒng)的分析技術(shù)，目前近紅外光譜技術(shù)可以通過(guò)近紅外光譜對(duì)樣品進(jìn)行簡(jiǎn)單測(cè)量，只需要花費(fèi)短短的幾秒至幾分鐘，就可以對(duì)幾種乃至幾十種的樣品性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量，而是測(cè)量所用的樣品數(shù)量較小，不會(huì)對(duì)其造成破壞，而且沒(méi)有污染性，具有綠色、環(huán)保、高效等優(yōu)勢(shì)。所以，在石油化工、醫(yī)藥、農(nóng)業(yè)等等多個(gè)領(lǐng)域之中，近紅外光譜分析技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用。

1.現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)

(1)近紅外光譜技術(shù)發(fā)展歷程

最早使用近紅外光譜技術(shù)開(kāi)始于1939年，在隨后的二十年內(nèi)，由于基礎(chǔ)儀器缺乏，應(yīng)用的范圍非常有限，直到二十世紀(jì)六十年代，美國(guó)研究人員提出NIR分析技術(shù)，也就是通過(guò)近紅外區(qū)內(nèi)的波長(zhǎng)和物質(zhì)含量之間吸收存在相應(yīng)的關(guān)系，利用該技術(shù)對(duì)農(nóng)副產(chǎn)品中的蛋白質(zhì)、脂肪、水分等進(jìn)行測(cè)定，成為實(shí)際意義上的應(yīng)用這種技術(shù)。從二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷提升，極大地促進(jìn)了數(shù)字化分析儀器的程度，很好的發(fā)展了化學(xué)計(jì)量科學(xué)，再加上這種測(cè)量技術(shù)對(duì)相應(yīng)的樣品不造成損傷的優(yōu)越性，讓其廣泛的應(yīng)用于多個(gè)方面，尤其是二十世紀(jì)的最后十年，由于在光纖中近紅外線的傳輸特性非常顯著，因此在各個(gè)領(lǐng)域之中在線分析成功應(yīng)用。

(2)近紅外光譜分析技術(shù)特點(diǎn)

這種分析技術(shù)主要是以下幾個(gè)方面的特點(diǎn)：

其一，是具有較快的測(cè)試速度，讓測(cè)試周期進(jìn)一步縮短。由于一般情況下在一分鐘內(nèi)可以完成光譜的測(cè)量，甚至有的多通道儀器可以在一秒鐘內(nèi)完成這些情況，通過(guò)校正模型的建立，能夠?qū)悠返男再|(zhì)、組成等迅速的測(cè)定。

其二，具有較高的分析效率，只需要進(jìn)行一次光譜測(cè)量就可以把相應(yīng)的校正模型予以建立，可以多一個(gè)樣品的性質(zhì)、組成等進(jìn)行測(cè)定。

其三，具有較低的分析成本。在分析過(guò)程中，近紅外光譜事實(shí)上并不消耗樣品，自身除了消耗一定的電能外并不需要消耗其他內(nèi)容，對(duì)比常用的參考方式和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講，可以大幅度降低測(cè)試的費(fèi)用。具有優(yōu)越的測(cè)試重現(xiàn)性，由于光譜測(cè)量具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，人為因素并不會(huì)對(duì)測(cè)試結(jié)果造成影響，比較相似參考和標(biāo)準(zhǔn)方法，這種測(cè)試方式的重現(xiàn)性效果更好。

其四，一般情況下并不需要預(yù)處理測(cè)量的樣品，這種測(cè)量方式更為方便，可以借助相應(yīng)的測(cè)試設(shè)備對(duì)固態(tài)、液態(tài)、半固態(tài)等不同狀態(tài)的樣品進(jìn)行直接測(cè)量。

其五，分析能夠?qū)崟r(shí)在線進(jìn)行，因?yàn)樵诠饫w之中近紅外光譜的傳輸性能非常優(yōu)越，在光纖的作用下可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的對(duì)樣品進(jìn)行采集，以光譜信號(hào)的形式把測(cè)量的結(jié)果向儀器傳輸，通過(guò)校正后的計(jì)算模型可以把測(cè)試樣品的性質(zhì)、組成等結(jié)果予以顯示。

其六，該技術(shù)是典型的無(wú)損分析技術(shù)，在測(cè)量過(guò)程中這種測(cè)量方式不對(duì)樣品予以消耗，對(duì)樣品不管是外觀還是內(nèi)部都不會(huì)影響到樣品，正是由于這種特性，在醫(yī)藥領(lǐng)域、活體分析等越來(lái)越多的應(yīng)用這種技術(shù)。

(3)近紅外光譜存在的不足

其一，近紅外光區(qū)一般在寬峰或者重疊峰下面藏有振動(dòng)譜，這也就導(dǎo)致近紅外光譜和中紅外光譜具有截然不同的信息特征。要想對(duì)近紅外光譜的歸屬加以精確非常的困難，因?yàn)槊恳粋€(gè)近紅外光譜帶可能是多個(gè)不同的組合。其二，對(duì)近紅外普帶位置造成影響的因素非常多，比如溫度、溶液稀釋、氫鍵等，這些都會(huì)移動(dòng)普帶。其三，作為一種間接測(cè)量技術(shù)，近紅外快速檢測(cè)技術(shù)的準(zhǔn)確度主要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)方法提供的數(shù)據(jù)和相應(yīng)的數(shù)據(jù)模型具有較強(qiáng)的依賴性。而數(shù)學(xué)模型、標(biāo)準(zhǔn)方法數(shù)據(jù)測(cè)定等準(zhǔn)確性表示算法是否合理，這對(duì)這種技術(shù)的精確度有直接的影響。

2.我國(guó)近紅外光譜技術(shù)研究狀況

國(guó)內(nèi)從二十世紀(jì)八十年代開(kāi)始研究近紅外光譜技術(shù)，首選是在分析農(nóng)產(chǎn)品品質(zhì)上應(yīng)用的。當(dāng)時(shí)我國(guó)曾經(jīng)在國(guó)家層面把研究近紅外定標(biāo)軟件列入國(guó)家攻關(guān)計(jì)劃之中，對(duì)幾十家研究所進(jìn)行組織，研究農(nóng)產(chǎn)品、飼料等上百個(gè)項(xiàng)目的定標(biāo)工作，之后還對(duì)濾光片式NIR分析儀進(jìn)行研究，這些工作為接下來(lái)國(guó)家研究NIR奠定雄厚的基礎(chǔ)。但是由于受限于軟件技術(shù)、硬件技術(shù)水平，并沒(méi)有廣泛的應(yīng)用建成的相關(guān)模型，也沒(méi)有很好的對(duì)其進(jìn)行應(yīng)用和推廣，因此停滯了NIR的研究，閑置了很多和此相關(guān)的相應(yīng)儀器，浪費(fèi)很大。直到二十世紀(jì)最后的五年時(shí)間，北京蔬菜研究中心在分析蔬菜、水果品質(zhì)上開(kāi)展很多工作，對(duì)幾十個(gè)數(shù)學(xué)模型加以研究，在培育西紅柿、大白菜等新品種上扮演了重要的角色。

相關(guān)人員在近紅外光譜的幫助下，對(duì)蠶繭性別進(jìn)行判斷。最近幾年，中國(guó)石油化工科學(xué)院在監(jiān)控?zé)捰瓦^(guò)程中的多個(gè)指標(biāo)上應(yīng)用NIR技術(shù)，在充分利用現(xiàn)有NIR光譜儀的基礎(chǔ)上，還提出使用固定光路等儀器進(jìn)行檢測(cè)的技術(shù)措施，并把樣機(jī)研制出來(lái)形成自身也有的專利技術(shù)。事實(shí)上國(guó)家對(duì)研究和應(yīng)用NIR技術(shù)非常重視。

從整體上來(lái)看，雖然國(guó)內(nèi)在研究NIR技術(shù)領(lǐng)域某些方面已經(jīng)處于國(guó)際先進(jìn)水平，但是和國(guó)際水平相比，總體情況還有一定的不足。因此需要在全國(guó)范圍內(nèi)強(qiáng)化合作協(xié)同，構(gòu)建研究NIR研發(fā)中心，把具有雄厚經(jīng)驗(yàn)的學(xué)者專家集中起來(lái)，對(duì)現(xiàn)有的樣品資源、資金等充分的運(yùn)用，一方面，對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)模型進(jìn)行充實(shí)和完善，另一方面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)便攜式使用的近紅外光譜儀器加以開(kāi)發(fā)運(yùn)用，通過(guò)現(xiàn)代化完善的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為基礎(chǔ)，構(gòu)架更多的共享終端，借此使用更多的數(shù)學(xué)模型，對(duì)終端樣品信息予以深入的豐富，對(duì)現(xiàn)有的模型不斷完善和修正，這樣才能真正的提升NIR技術(shù)，應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)，確保其在各個(gè)領(lǐng)域之中廣泛的應(yīng)用。

3.近紅外光譜技術(shù)在化學(xué)分析方面的應(yīng)用

對(duì)比傳統(tǒng)化學(xué)分析技術(shù)，這種分析技術(shù)具有較快的分析技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)瞬時(shí)分析，具有優(yōu)質(zhì)的分析效果，能夠全面提升分析的質(zhì)量，因此在各行各業(yè)化學(xué)分析方面廣泛的應(yīng)用。

(1)在石油化工方面近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用

不管是煉制石油還是加工使用等多個(gè)環(huán)節(jié)，近紅外光譜的應(yīng)用非常廣泛，對(duì)石油化工行業(yè)來(lái)講具有較強(qiáng)的促進(jìn)性，比如通過(guò)這種技術(shù)可以對(duì)石油中各種物品進(jìn)行相關(guān)參數(shù)的測(cè)量。在處理樣品上，近紅外光譜也具有較強(qiáng)的優(yōu)越性，其廣泛應(yīng)用于合成高分析和其加工過(guò)程之中，比如借助這種技術(shù)對(duì)單體的純度進(jìn)行測(cè)量、分析單體在聚合物中殘留的量等。同時(shí)，在聚合物工業(yè)中，近紅外光譜的應(yīng)用范圍主要在以下幾個(gè)方面：其一，檢測(cè)聚合過(guò)程；其二，測(cè)定聚合物化學(xué)組成；其三，測(cè)定聚合物的結(jié)構(gòu)；其四，測(cè)定聚合物的相關(guān)指標(biāo)；其五，判斷分析聚合物的種類。

(2)在藥物分析方面近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用

隨著各項(xiàng)技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，近紅外光譜光纖技術(shù)有很大的提升，和有效的化學(xué)計(jì)量學(xué)相配合，在制藥工業(yè)的多個(gè)領(lǐng)域之中近紅外光譜技術(shù)有較強(qiáng)的滲透性。最近幾年，在中藥領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始引入近紅外光譜技術(shù)，比如在辨別中藥真?zhèn)?、分析產(chǎn)地、測(cè)定中藥成分等有很大的進(jìn)展和提升。由于這種分析技術(shù)無(wú)損的特性，因此通過(guò)其檢測(cè)不僅可以把藥物的質(zhì)量予以保留，還能夠自動(dòng)化控制生產(chǎn)藥物過(guò)程中的質(zhì)量，確保藥物產(chǎn)業(yè)獲得快速發(fā)展和進(jìn)步。

事實(shí)上早在二十世紀(jì)六十年代后半葉在分析藥物過(guò)程中就開(kāi)始使用近紅外光譜技術(shù)，當(dāng)時(shí)一般通過(guò)萃取液的形式測(cè)定藥物的成分。目前，在生產(chǎn)藥物全過(guò)程中近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)全過(guò)程應(yīng)用。在醫(yī)藥分析時(shí)應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)主要有以下幾個(gè)方面：分析藥物中的活性成分，比如分析咖啡因等含量。使用這種技術(shù)分析藥物活性成分也有一定的不足，主要是分析過(guò)程需要有一定的最低含量要求，一般情況下測(cè)量最低限度為0.11%。通過(guò)這種分析技術(shù)的應(yīng)用，提升了藥物分析的質(zhì)量和效果，讓這種技術(shù)不再僅僅在實(shí)驗(yàn)室中應(yīng)用，而是廣泛的參與到生產(chǎn)實(shí)踐之中。對(duì)成品藥物質(zhì)量檢驗(yàn)來(lái)講，成品藥物的無(wú)損形態(tài)計(jì)量分析，對(duì)檢驗(yàn)成品藥物的質(zhì)量非常的重要，由于具有非常容易實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)分析技術(shù)，從而盡可能降低不合格藥物的批次和數(shù)量。

(3)在食品農(nóng)業(yè)科學(xué)中近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用

事實(shí)上，這種技術(shù)最早應(yīng)用的領(lǐng)域就是農(nóng)產(chǎn)品分析，主要是對(duì)相應(yīng)的農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行分析，測(cè)定相關(guān)物品的含量。當(dāng)下這種技術(shù)也應(yīng)用于測(cè)量食品質(zhì)量之中，主要是測(cè)定淀粉、水果品質(zhì)等之中。其實(shí)，近紅外光譜技術(shù)也是檢測(cè)肉類品質(zhì)的首選方式，通過(guò)相應(yīng)的測(cè)量，能夠得出肉中水、蛋白質(zhì)、脂肪等的含量，不僅準(zhǔn)確而且方便。

4.結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)上文的論述，目前在多個(gè)領(lǐng)域已經(jīng)廣泛的應(yīng)用遠(yuǎn)紅外光譜技術(shù)，隨著我國(guó)技術(shù)水平的不斷提升，近紅外光譜技術(shù)會(huì)在越來(lái)越多的領(lǐng)域中應(yīng)用，檢測(cè)速度會(huì)進(jìn)一步加快，質(zhì)量會(huì)切實(shí)提升。