近紅外光譜技術(shù)概述

近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展歷程

近紅外光(Near-infrared)是指波長在780～2500nm 范圍內(nèi)的電磁波，屬于非可見光區(qū)域。習(xí)慣上又將近紅外光劃分為近紅外短波 (780～1100nm)和長波(1100～2500nm)兩個區(qū)域。NIR 技術(shù)可通過測定樣品的NIR 光譜，同時分析樣品中的多種成分。在近紅外譜區(qū)，光的頻率與有機(jī)分子中 C-H，O-H，N-H 等振動的合頻與各級倍頻一致，因此通過有機(jī)物的近紅外光譜可以取得分子中C-H，O-H，N-H 的特征振動信息。由于近紅外光譜的譜帶較寬，譜圖重疊嚴(yán)重，不能用特征峰等簡單方法分析，需要運(yùn)用計算機(jī)技術(shù)與化學(xué)計量學(xué)方法。近紅外光譜的發(fā)展大致可以分為 5 個階段，50 年代以前人們對近紅外光譜已有初步的認(rèn)識，但由于缺乏儀器基礎(chǔ)，尚未得到實(shí)際應(yīng)用；進(jìn)入50 年代，隨著商品化儀器的出現(xiàn)及Norris 等人所做的大量工作，近紅外光譜技術(shù)在農(nóng)副產(chǎn)品分析中得到廣泛應(yīng)用；到60 年代中期，隨著各種新的分析技術(shù)的出現(xiàn)加之經(jīng)典近紅外光譜分析暴露的靈敏度低、抗干擾性差的弱點(diǎn)，近紅外光譜進(jìn)入一個沉默的時期，除在農(nóng)副產(chǎn)品分析中開展一些工作外，新的應(yīng)用領(lǐng)域幾乎沒有拓展；80年代以后，隨著計算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，帶動了分析儀器的數(shù)字化和化學(xué)計量學(xué)學(xué)科的發(fā)展，通過化學(xué)計量學(xué)方法在解決光譜信息的提取及背景干擾方面取得良好效果，加之近紅外光譜在測樣技術(shù)上所獨(dú)有的特點(diǎn)，使人們重新認(rèn)識了近紅外光譜的價值，數(shù)字化光譜儀器與化學(xué)計量學(xué)方法的結(jié)合形成了現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)。進(jìn)入90 年代，近紅外光譜在工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用全面開展，由于近紅外光在常規(guī)光纖中良好的傳輸特性，使近紅外光譜在線分析領(lǐng)域得到很好應(yīng)用，并取得極好的社會和經(jīng)濟(jì)效益，從此近紅外光譜步入一個快速發(fā)展的時期。

近紅外光譜技術(shù)的特點(diǎn)

近紅外光譜技術(shù)之所以成為一種快速、高效、適合過程在線分析的有利工具，是由其技術(shù)特點(diǎn)決定的，近紅外光譜分析的主要技術(shù)特點(diǎn)如下：
⑴ 分析速度快。由于光譜的測量過程一般可在1min 內(nèi)完成(多通道儀器可在1Sec 之內(nèi)完成)，通過建立的校正模型可迅速測定出樣品的組成或性質(zhì)。

⑵ 分析效率高。通過一次光譜的測量和已建立的校正模型，可同時對樣品中的多個組成或性質(zhì)進(jìn)行測定。

⑶ 分析成本低。近紅外光譜在分析過程中不消耗樣品，自身除消耗一點(diǎn)電外幾乎無其他消耗，測試費(fèi)用可大幅度降低。

⑷ 測試重現(xiàn)性好。由于光譜測量的穩(wěn)定性，測試結(jié)果很少受人為因素的影響，與標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比，近紅外光譜一般顯示出更好的重現(xiàn)性。

⑸ 樣品測量一般勿需預(yù)處理，光譜測量方便。

⑹ 便于實(shí)現(xiàn)在線分析。由于近紅外光在光纖中良好的傳輸特性，通過光纖可以使儀器遠(yuǎn)離采樣現(xiàn)場，將測量的光譜信號實(shí)時地傳輸給儀器，調(diào)用建立的校正模型計算后可直接顯示出生產(chǎn)裝置中樣品的組成或性質(zhì)結(jié)果。另外通過光纖也可以測量惡劣環(huán)境中的樣品。

⑺ 典型的無損分析技術(shù)。光譜測量過程中不消耗樣品，從外觀到內(nèi)在都不會對樣品產(chǎn)生影響。

⑻現(xiàn)代近紅外光譜分析也有其固有的弱點(diǎn)。一是測試靈敏度相對較低，這主要是因?yàn)榻t外光譜作為分子振動非諧振吸收的 10 到10000 分之一，這對組分的分析而言，其含量一般應(yīng)大于0.1%；二是一種間接分析技術(shù)，方法所依賴的模型必須事先用標(biāo)準(zhǔn)方法或參考方法對一定范圍內(nèi)的樣品測定出組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)，因此模型的建立需要一定的化學(xué)計量學(xué)知識、費(fèi)用和時間，另外分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與模型建立的質(zhì)量和模型的合理使用有很大的關(guān)系。

近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用

現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用主要有：農(nóng)業(yè)、石油化工和基本有機(jī)化工、高分子化工、制藥與臨床醫(yī)學(xué)、生物化工、環(huán)境科學(xué)、紡織工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，近紅外光譜可用于檢驗(yàn)種子或作物的質(zhì)量，如水分、蛋白含量及小麥硬度的測定等。在食品分析中，近紅外光譜用于分析肉類、奶制品等食品的脂肪酸、蛋白、氨基酸等的含量；分析水果蔬菜中糖的含量等。在制藥領(lǐng)域，近紅外光譜用于無損藥物分析，藥物中活性成分的分析。在生命科學(xué)領(lǐng)域，近紅外光譜用于生物組織的表征，研究皮膚組織的水分和脂肪；并且應(yīng)用于乳腺癌的檢查及血液成分的測定等。近紅外光譜在石油工業(yè)中的應(yīng)用主要是：汽油族組成及性質(zhì)的測定。而在煉油工業(yè)中，該技術(shù)廣泛應(yīng)用于在線分析。