近红外光谱分析的应用及前景

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 前言

电磁波按波长递增的分为（图例）近红外光谱是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，是人们最早发现的非可见光区域。近红外光谱技术（NIR）是近年来发展较为迅速的一种高新分析测试技术，是光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测量技术的有机结合。但是由于近红外光谱区吸收峰的特征性差，灵敏度低，受当时的技术水平限制，近红外光谱技术“沉睡” 了近一个半世纪。20世纪80年代,随着计算机技术、仪器硬件的迅速发展,以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得的良好效果，近红外光谱技术飞速发展，成为近十年来发展最为迅速的高新分析技术之一，在众多领域都有广泛应用，其分析应用领域也不断拓宽。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的“巨人”[1].

今天我们主要讲近红外光谱的原理，应用，优缺点和发展前景。

2 近红外光谱分析基本原理及应用近红外光谱仪的基本工作原理:

波长在700nm – 2,500nm (4,000–14,300cm-1) 的光谱为近红外光谱。它是一种既快速(十到二十秒钟) 又简便(不需作样品前处理) 的测试手段, 这种方法的特点是对样品作一步式

组份(需测的浓度大于0.01%) 分析而不需破坏样品。如果产品颜色是质量指标之一、您可选400nm-1,100nm 的图谱数据作鉴定。近红外光谱仪适用于对含有C-H, N-H, O-H 和

S-H 化学键的化合物作组份分析。在700 – 2,500 nm 的近红外波长范围内, 含有上述化合键的物质(药品、烟草、食品、农作物、聚合物、石油化工产品等) 会产生吸收。一些物质除在1,450 nm 到2,050 nm 之间产生第一谐波外，往往还会分别在1,050 nm - 1,700nm 和700 nm - 1,050 nm 谱带内产生第二及第三谐波。这些谐波的组合构成了被测物质在近红外光谱带内的特征吸收谱图-指纹图。相同的近红外谱图(样品的指纹图) 一定是从相同的物质得到。这也是应用近红外光谱仪作质量管理的主导基础原理。有机物在近红外光谱带内的吸收强度比在中红外(如FT-IR) 的吸收强度弱10 到1,000 倍。由于这特殊的弱吸收优点, 近红外射线能很容易地穿透未经研片与稀释等需作预处理的非透明样品，实现透射吸收；而另一部分反射光谱也可很容易地被检测。但是如何利用近红外图谱来对原材料或产品进行质量监控呢? 答案是利用统计学理论建立被测样品的数据库或校正曲线，而统计学

之成败与校正曲线(数据库) 的相互转移性有决定性的关系。在建立校正曲线或数据库之前, 近红外仪器的使用者把日常的测试样品先作近红外扫描, 然后再用传统分析法(如：GC、HPLC、TKN、FIA、折光仪、… …) 准确测定出样品的数值, 具有不同指标的样品在近红外光谱中将产生不同强度的吸收图谱(不是某一吸收峰)，利用专用软件处理, 便可得到校正曲线或数据库，分析人员可利用该校正曲线或数据库方便快速地通过测定未知样品的近红外谱图得知其被测指标的数据。

2、2 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。[3]

(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。[4]

(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。

2、3 近红外光谱分析的应用举例(小麦中蛋白质含量测定)

利用近红外光谱技术作定性/定量分析的基本流程：

3 近红外光谱分析的优点与不足

近红外光谱技术的优势有：

（1）分析速度快，测量过程大多可在1min内完成。

（2）只要有相应的软件模型，通过样品的一张光谱图就可以计算出样品的各种组成或性质数据。不必重复实验。

（3）适用的样品范围广，通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状体等不同物态的样品光谱测量方便。

（4）样品一般不需要预处理，（的原因：由于近红外光谱吸收强度弱，允许样品有更大的测量厚度，它可以使光线深入到样品中，样品不用特别均匀）不需要使用化学试剂或高温、高压、大电流等测试条件，分析后不会产生化学、生物或电磁污染。

（5）分析成本较低（无需繁杂预处理，可多组分同时检测）。

（6）对样品无损伤，可以在活体分析和医药临床领域广泛应用。

（7）仪器操作和维护简单，对操作员的素质水平要求较低。通过软件设计可以实现极为简单的操作要求，在整个测量过程中引入的人为误差较小。

（8）由于近红外光谱可直接获取，分析速度快，操作方便，因此可适用于现场检测和在线分析。

总结：

与传统分析技术相比，具有无损检测、分析效率高、分析速度快、分析成本低、重现性好、样品测量一般勿需预处理、光谱测量方便、适合于现场检测（如大批量抽检）和在线分析等独特优势。

近红外光谱技术存在的问题是：

（1）因为近红外光谱区的吸收较低，不宜做含量过低或微量样品的分析，组分含量应大于0.1%

（2）需要用标样进行校正对比，很多情况下仅是一种间接分析技术。

（3）因为它吸收峰复杂重叠，不宜进行官能团的定性分析。

2.4 近红外光谱分析的发展前景

我国对近红外光谱技术的研究和应用起步较晚，目前能够提供整套近红外光谱分析的公司仍是寥寥无几，随着中国加入WTO及经济全球化的浪潮，国外许多大型仪器生产商纷纷登陆中国，想在第一时间占领中国NIR分析仪器市场，由此也可以看出近红外光谱分析技术在分析界炙手可热的发展趋势，该技术的发展不仅明显地促进我国生产技术水平的提高，而且形成一个前景光明的分析仪器制造产业，预计随着技术和市场的不断完善，5年后国内近红外光谱分析技术的年产值将高达数亿元，而由近红外分析应用给工农业生产带来的间接经济效益更是非常可观的。

我们是学习仪器分析的专业人士，希望你们将来在分析领域有所作为。谢谢[6]

参考文献

【1】高荣强，范世福.现代近红外光谱分析技术的原理及应用〔月.分析仪器，2002，(3):9一12.〕

【2】刘建学实用近红外光光谱分析技术北京：科学出版社，2008

【3】刘建学，吴守一，方如明，近红外光谱分析在农产品方面的应用与展望江苏理工大学学报，1998,19（3）

【4】严衍禄主编. 近红外光谱分析基础与应用. 北京：中国轻工工业出版社，2005 【5】刘蓉，陈文亮等。奇异点快速检测在牛奶成分近红外光谱测量中的应用.光谱学与光谱分析,2005,25(2).

【6】袁洪福，杜泽涵高效近红外光谱分析技术与展望石油化工科学研究院，2007

刘莎莎090703053 游文婕090703054 杜婷婷090703055