近红外光谱分析的应用与发展综述
近红外光谱分析的应用与发展综述
摘要
现代近红外光谱（NIR）分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。近红外光谱是一种快速、无损、可实现多组分同时测定的分析技术。本文简要介绍了近红外光谱的发展、测量原理、技术特点，并对近年来近红外光谱技术在各个领域的应用及前景进行了总结。随着近红外光谱技术的不断成熟，除了应用范围将不断拓宽之外，相信对于目前较为空白的应用机理的研究也将越来越深人、细致及严谨。
关键词 近红外光谱分析技术 原理 应用 发展前景
1.引言
近红外光谱技术的发展大体上可分为5个阶段。在发现近红外谱区后的150年中，其应用极为有限，被行内人士称为“被遗忘的谱区”。直到20世纪50年代，由于近红外仪器的进步和Norris等人所做的大量研究工作，近红外光谱分析技术首先在农产品品质快速分析中得到广泛应用。由于经典近红外光谱分析的灵敏度低、抗干扰性差，该项技术的研究和应用进入了一个沉默时期。 80年代以后，计算机技术的飞速发展，带动了仪器数字化和化学计量学（Chemometrics）学科的发展，也使以弱信号和多元信息处理为基本特征的近红外光谱分析获得了技术支持和依靠。90年代以后，近红外光谱技术步入快速发展时期。计算机技术、数字化仪器和化学计量学方法的有机结合，形成了现代近红外光谱技术。化学计量学方法和分析软件成为现代近红外光谱技术的重要组成部分。在欧美等发达国家中近红外光谱分析仪已成为品管实验中必备的仪器。
2. 近红外光谱原理
近红外（NIR）光谱区是指介于可见（VIS）和中红外（MIR）区之间的电磁波。根据美国实验和材料协会规定，其波长范围为800~2500nm，近红外光谱为分子振动光谱的倍频和组合频谱带，主要指含氢基团C-H，O-H，N-H，S-H的吸收，包含了绝大多数类型有机物组成和分子结构的丰富信息。由于不同基团或同一基团在不同化学环境中吸收波长有明显差别，因此可以作为获取有机化合物组成或性质信息的有效载体。对某些无近红外光谱吸收的物质（如某些无机离子化合物），也能够通过其对共存的本体物质的影响引起的光谱变化，间接地反应其信息。近年来，红外光谱法在仪器软件和应用技术上获得了高度发展，以高效和快速的特点异军突起，被誉为分析巨人。在事先建立好校正模型的基础上，一个人使用一台近红外光谱仪仅需两分钟即可完成一个样品的全性质的测量，近红外光谱仪除消耗少量电能外，不消耗任何试剂、标准物质和设备零件，被测样品仅为几毫升，极为经济。一台近红外光谱仪用于控制分析，可以替代多台分析仪器，节省了大量设备、人力和物力。与传统分析方法相比，其工作效率大大提高。
3.近红外光谱技术的特点
与传统化学分析方法相比，近红外光谱分析技术有鲜明的技术特点。
（1）、分析速度快。扫描速度快，可在数十秒内获得一个样品的全光谱图，通过数学模型既可快速计算出样品的浓度。
（2）、多种成分同时分析。一次全光谱扫描，可获得多种成分的光谱信息，通过建立不同的数学模型，就可定量分析样品的多种物质成分。
（3）、无污染分析。样品不需特别的预处理，不使用有毒有害试剂。根据样品的物质状态和透光能力采用透射或漫反射方式测定，可直接测定不经预处理的液态、固态或气态样品。
（4）、无损伤分析。测定过程不破坏或消耗样品，不影响外观、内在结构和性质。（5）、实时分析和远距离测定。实时在线分析特别适合工业生产上应用。利用光导纤维技术远离主机取样，将光谱信号实时传送回主机，直接计算出样品成分的含量。
（6）、操作简单，分析成本低。除需要电能外，不需要任何耗材，大大地降低测试费用。操作上不需要专门技能和特别训练。
近红外光谱分析技术也有其固有的弱点。该项技术是一种间接的分析技术，它必须依赖常规的化学分析方法，测定出特定背景范围内多个标准样品成分的化学值，利用化学计量学方法建立数学模型，并通过数学模型计算待测样品的成分含量。数学模型预测的准确性与常规化学分析的准确性、建模样品的代表性、模型使用的合理性有很大关系。另外，近红外光谱分析的测试灵敏度较低，待测样品的成分含量一般不少于0.1%。
4.近红外光谱分析的应用
主要的应用领域包括：石油及石油化工、基本有机化工、精细化工、冶金、生命科学、制药、医学临床、农业、食品、饮料、烟草、纺织、造纸、化妆品、质量监督、环境保护、高校及科研院所等。
(1 ) 农业中的应用。农产品分析是NIR 的传统应用领域。NIR 可以测定谷物中的水分、淀粉、蛋白质、脂肪、糖分及食用纤维含量等；饲料中蛋白质、纤维、木质数、活体和离体消化度、灰分及消化摄入量等；水果和蔬菜的水分、酸度、甜度、成熟度分析；此外还有烟草作物和木材中的应用。
(2 ) 食品工业中的应用。从肉类、奶制品到各种液体饮料及食用油，测定的参数包括水分、蛋白质、脂肪、糖分、纤维、灰分等营养成分含量。
(3 ) 石油化工领域的应用。汽油炼制中辛烷值、芳香烃含量、苯含量、乙醇、蒸馏值、挥发值、添加剂、粘度、闪点、相对密度等的测定；柴油、润滑油的组成及性质分析；高分子成及加工中单体纯度、残余单体量、聚合度、相对分子质量、交联度、密度等性质指标的测定。
(4 ) 制药工业及临床医学的应用。制药工业中原料和活性组分的测定，固体药剂的湿度、含量均一性、颗粒大小分布、片剂膜衣厚度、结晶度及硬度的定量表征；临床医学中用于估测组织中氧合血红蛋白和无氧血红蛋白的含量、血液的体积、血液流速、组织耗氧量、血糖含量等，还可离体测定血浆和尿中蛋白质、葡萄糖、胆固醇、甘油三酸酯及其他类脂化合物的含量。
(5 ) 其他应用。NIR 还广泛应用于纺织、造纸、生物化工、天体学及地理、地质学等领域。美法联合发起的CPOCP 计划中，将NIR 应用于含能材料生产线上产品质量的在线检测与控制；国内北京理工大学也在开展发射药挥发分近红外光谱法检测方面的研究工作，并取得一定进展。
4.结论及展望
随着近红外光谱仪技术的不断提高和化学计量学的发展，近红外光谱在制药过程中的应用全面展开，有关近红外光谱的研究及应用迅速增加，成为发展最快、最引人注目的一门独立的分析技术。它在制药过程控制中的应用愈加广泛，发达国家已将近红外方法使用在质量控制、品质分析或在线分析中，作为快速、无损、绿色、环保的分析手段。来自美国航天技术的AOTF近红外光谱技术倍受人们注目和青睐，其独有的光学分光系统和强大的光谱采集软件及化学计量学软件，使分析技术更加准确、快速，并可进行微量、痕量分析，在液体制剂生产、无菌监控、光学异构体拆分等方面有着光明的前景。
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