近紅外光譜技術在化學分析方面的應用進展

孔 恒

廣西真龍彩印包裝有限公司

近紅外光譜技術在化學分析方面的應用進展

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近紅外光譜技術目前已在農業、環境、食品、醫療、通信等行業廣泛應用，在糧食領域，已應用于糧油的收獲和儲藏的品質檢測等。近紅外光譜技術已經成為分析有機樣品的主要分析技術，并能夠方便快捷的測量各形態樣品。隨著科學技術不斷更新，近紅外光譜技術將會以其便捷、快速、高效及在線分析技術在更多領域應用發展，推動現代化生產發展。基于此，文章就近紅外光譜技術在化學分析方面的應用進行分析。

近紅外光譜技術；化學分析；應用

1.近紅外光譜分析技術簡介

1.1 基本概念

通常將波長介于可見區與中紅外區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。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動，以漫反射方式獲得在近紅外區的光譜，通過多元線性回歸、主成分分析、偏最小二乘法及人工神經網等化學計量學手段，建立起物質光譜與待測樣品成分間定標模型，最終實現對待測樣品成分的預測。

1.2 近紅外光譜分析技術的特點

近紅外光譜分析技術成功地結合了計算機技術、光譜技術和化學計量學等諸多方面的技術成果，已在許多領域中得以應用，與傳統分析技術相比主要具有以下優點：不需要對待分析樣品進行前處理、不會對環境造成污染且節約大量的試劑費用、投資及操作成本低、分析方便速度快、穩定性好，受干擾小、分析過程中不消耗其他材料或破壞樣品、測試重現性好等(陸婉珍，2006)。隨著微電機系統和微光機電系統技術的發展，國內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勢：(1)體積小、容易實現模塊化，更符合近年來對檢測儀器輕巧、便攜的要求，且實現了現場應用的價值；(2)耐用、結構緊湊、低能耗、校準速度快、對環境溫度和濕度變化適用范圍更寬；當前，國內生產的微型化近紅外光譜儀大多數還處在理論的樣品機狀態，實用化的商品較少，但是，也已在制藥、奶粉生產等現場的監測中廣泛應用，所以微型化近紅外光譜儀的開發不僅是現實的需要，也是一種普遍趨勢。

2.近紅外光譜技術在化學分析中的應用

2.1 近紅外光譜技術在醫藥領域的應用

隨著近紅外光譜光纖技術的發展，配合化學計量學的有效方法，近紅外光譜技術已經滲透到制藥工業的多個領域。近年來，近紅外光譜技術被引入中藥領域，在中藥藥材真偽辨別、產地分析、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因其無損性不僅保證了藥物的質量，還在一定程度上提高了藥物生產過程中質量控制的自動化程度，推動了醫藥產業發展。

2.2 近紅外光譜技術在食品農業科學中的應用

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

2.3 近紅外光譜分析技術在飼料中的應用

由于近紅外光譜分析技術獨特的優勢，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在飼料中的應用已相當成熟，是農業經濟快速發展的新亮點。1960年開始，研究者Norris等(Burns等，1992)率先開始了利用NIRS測定谷物中的常規營養成分含量的研究，同時也進行了將近紅外光譜技術應用于其他農產品組分和質量的研究。隨著近紅外光譜分析技術的熟練應用，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技術不局限于樣品常規成分的分析，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，近紅外預測棉籽粕真可利用氨基酸含量的定標結果是可行的，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 近紅外光譜技術在石油化工中的應用

近紅外光譜技術以其獨特的優勢在石油化工領域被充分應用，囊括了從生產過程質量控制到石化產品質量檢測等石油加工的各個環節。在汽油分析上，近紅外光譜技術主要體現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、在汽油調和中的運用等方面；在柴油分析上，主要體現在對柴油組成和柴油氧化安定性的測定上；潤滑油分析上，則是對潤滑油基礎油的化學族組成、基礎油粘度指數測定等方面。總的來說，近紅外光譜技術已被石化企業廣泛應用在石油性質、品質分析，以及在線分析監控煉油工業、汽油調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，遠紅外光譜技術在各方面都得到了良好的應用，隨著儀器和光譜處理化學計量軟件的國產化和相應各類應用模型的開發，近紅外光譜技術作為一種分析技術將會在越來越多的領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在煙草和煙氣化學成分分析中的研究進展[J].廣東農業科學，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在中藥分析中的最新應用進展[J].中國實驗方劑學雜志，2015，09：223-226.