現代近紅外光譜分析技術

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更新時間: 2013-09-17

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現代近紅外光譜分析技術是近年來分析化學領域迅猛發展的高新分析技術,越來越引起國內外分析專家的注目,在分析化學領域被譽為分析「巨人」,它的出現可以說帶來了又一次分析技術的革命。

現代近紅外光譜分析技術 -現代近紅外光譜分析技術

  現代近紅外光譜(NIR)分析技術是近年來分析化學領域迅猛發展的高新分析技術,越來越引起國內外分析專家的注目,在分析化學領域被譽為分析「巨人」,它的出現可以說帶來了又一次分析技術的革命。
  近紅外區域按ASTM定義是指波長在780~2526nm範圍內的電磁波,是人們最早發現的非可見光區域。由於物質在該譜區的倍頻和合頻吸收信號弱,譜帶重疊,解析複雜,受當時的技術水平限制,近紅外光譜「沉睡」 了近一個半世紀。直到20世紀50年代,隨著商品化儀器的出現及Norris等人所做的大量工作,使得近紅外光譜技術曾經在農副產品分析中得到廣泛應用。到60年代中後期,隨著各種新的分析技術的出現,加之經典近紅外光譜分析技術暴露出的靈敏度低、抗干擾性差的弱點,使人們淡漠了該技術在分析測試中的應用,從此,近紅外光譜進入了一個沉默的時期。80年代後期,隨著計算機技術的迅速發展,帶動了分析儀器的數字化和化學計量學的發展,通過化學計量學方法在解決光譜信息提取和背景干擾方面取得的良好效果,加之近紅外光譜在測樣技術上所獨有的特點,使人們重新認識了近紅外光譜的價值,近紅外光譜在各領域中的應用研究陸續展開。進入90年代,近紅外光譜在工業領域中的應用全面展開,有關近紅外光譜的研究及應用文獻幾乎呈指數增長,成為發展最快、最引人注目的一門獨立的分析技術。由於近紅外光在常規光纖中具有良好的傳輸特性,使近紅外光譜在在線分析領域也得到了很好的應用,並取得良好的社會效益和經濟效益,從此近紅外光譜技術進入一個快速發展的新時期。
  中國對近紅外光譜技術的研究及應用起步較晚,除一些專業分析工作人員以外,近紅外光譜分析技術還鮮為人知。但1995年以來已受到了多方面的關注,並在儀器的研製、軟體開發、基礎研究和應用等方面取得了較為可喜的成果。但是目前國內能夠提供整套近紅外光譜分析技術(近紅外光譜分析儀器、化學計量學軟體、應用模型)的公司仍是寥寥無幾。隨著中國加入WTO及經濟全球化的浪潮,國外許多大型分析儀器生產商紛紛登陸中國,想在第一時間佔領中國的近紅外光譜分析儀器市場。由此也可以看出近紅外光譜分析技術在分析界炙手可熱的發展趨勢。在不久的未來,近紅外光譜分析技術在分析界必將為更多的人所認識和接受。
  現代近紅外光譜分析是將光譜測量技術、計算機技術、化學計量學技術與基礎測試技術的有機結合。是將近紅外光譜所反映的樣品基團、組成或物態信息與用標準或認可的參比方法測得的組成或性質數據採用化學計量學技術建立校正模型,然後通過對未知樣品光譜的測定和建立的校正模型來快速預測其組成或性質的一種分析方法。
  與常規分析技術不同,近紅外光譜是一種間接分析技術,必須通過建立校正模型(標定模型)來實現對未知樣品的定性或定量分析。具體的分析過程主要包括以下幾個步驟:一是選擇有代表性的樣品並測量其近紅外光譜;二是採用標準或認可的參考方法測定所關心的組分或性質數據;三是將測量的光譜和基礎數據,用適當的化學計量方法建立校正模型;四是未知樣品組分或性質的測定。由近紅外光譜分析技術的工作過程可見,現代近紅外光譜分析技術包括了近紅外光譜儀、化學計量學軟體和應用模型三部分。三者的有機結合才能滿足快速分析的技術要求,是缺一不可的。
  與傳統分析技術相比,近紅外光譜分析技術具有諸多優點,它能在幾分鐘內,僅通過對被測樣品完成一次近紅外光譜的採集測量,即可完成其多項性能指標的測定(最多可達十餘項指標)。光譜測量時不需要對分析樣品進行前處理;分析過程中不消耗其它材料或破壞樣品;分析重現性好、成本低。對於經常的質量監控是十分經濟且快速的,但對於偶然做一兩次的分析或分散性樣品的分析則不太適用。因為建立近紅外光譜方法之前必須投入一定的人力、物力和財力才能得到一個準確的校正模型。
  近紅外光譜主要是反映C-H、O-H、N-H、S-H等化學鍵的信息,因此分析範圍幾乎可覆蓋所有的有機化合物和混合物。加之其獨有的諸多優點,決定了它應用領域的廣闊,使其在國民經濟發展的許多行業中都能發揮積極作用,並逐漸扮演著不可或缺的角色。主要的應用領域包括:石油及石油化工、基本有機化工、精細化工、冶金、生命科學、製藥、醫學臨床、農業、食品、飲料、煙草、紡織、造紙、化妝品、質量監督、環境保護、高校及科研院所等。在石化領域可測定油品的辛烷值、族組成、十六烷值、閃點、冰點、凝固點、餾程、MTBE含量等;在農業領域可以測定穀物的蛋白質、糖、脂肪、纖維、水分含量等;在醫藥領域可以測定藥品中有效成分,組成和含量;亦可進行樣品的種類鑒別,如酒類和香水的真假辨別,環保廢棄物的分檢等。
現代近紅外光譜分析技術 -近紅外光譜分析技術的特點

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  與傳統分析技術相比,近紅外光譜分析技術具有諸多優點,它能在幾分鐘內,僅通過對被測樣品完成一次近紅外光譜的採集測量,即可完成其多項性能指標的測定(最多可達十餘項指標)。光譜測量時不需要對分析樣品進行前處理;分析過程中不消耗其它材料或破壞樣品;分析重現性好、成本低。
無前處理、無污染、方便快捷

  近紅外光線具有很強的穿透能力,在檢測樣品時,不需要進行任何前處理,可以穿透玻璃和塑料
  包裝進行直接檢測,也不需要任何化學試劑。和常規分析方法相比,既不會對環境造成污染,又可以節約大量的試劑費用。近紅外儀器的測定時間短,幾分鐘甚至幾秒鐘就可以完成測試,並列印出結果。
無破壞性

  無破壞性是近紅外技術一大優點,根據這一優點,近紅外技術可以用於果蔬原料及成品的無損檢測。在果品貯藏庫中安裝近紅外裝置,能夠實現果蔬的自動檢測,節省大量的人力和物力。
在線檢測

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  由於近紅外技術能夠及時快捷的對樣品進行檢測,在生產中,可以在生產流水線上配置近紅外
  裝置,對原料和成品及半成品進行連續再現檢測,有利於及時地發現原料及產品品質的變化,便於及時調控,維持產品質量的穩定。光纖導管和光纖探頭的開發應用使遠距離檢測成為現實。且遠距離檢測技術特別適用於污染嚴重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環境應用,為近紅外網路技術的發展奠定了基礎。
多組分同時檢測

  多組分同時測定,是近紅外技術得以大力推廣的主要原因。在同一模式下,可以同時測定多種組
  分,比如在測小麥的模式中,可以同時測定其蛋白質含量、水分含量、硬度、沉澱值、快速混合比等指標,這樣大大簡化了測定操作。不同的組分對測定結果都有一定的影響,因為在測定過程中,其它組分對近紅外光線也有吸收。
測定速度快

  近紅外光譜的信息必須由計算機進行數據處理及統計分析一個樣品取得光譜數據后可以立即得到定性或定量分析結果整個過程可以在不到2min內完成而且可以通過樣品的一張光譜計算出樣品的各種組成或性質數據。
投資及操作費用低

  近紅外光譜儀的光學材料為一般的石英或玻璃儀器價格低操作空間小樣品大多數不需要預處理投資及操作費用較低而且儀器的高度自動化降低了操作者的技能要求。
  當然,近紅外光譜分析也有其固有的缺點:首先,它的測試靈敏度比較低,相對誤差比較大;其次,由於是一種間接測量手段,需要用參考方法(一般是化學分析方法)獲取一定數量的樣品數據,因此測量精度永遠不能達到該參考方法的測量精度,建立模型也需要一定的化學計量學知識、費用以及時間;最後,近紅外光潛的測量範圍,只適合對含氫基團的組分或與這些組分相關的屬性進行測定,而且組分的含量一般應大於0.1%才能用近紅外進行測定。對於經常的質量監控是十分經濟且快速的,但對於偶然做一兩次的分析或分散性樣品的分析則不太適用。因為建立近紅外光譜方法之前,必須投入一定的人力、物力和財力,才能得到一個準確的校正模型。

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