胡军--近红外光检测应用

1、11.522.5x 10-40.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.55近红外光谱检测技术及应用近红外光谱检测技术及应用近红外光谱检测技术在农业中的应用近红外光谱检测技术在农业中的应用近红外光谱检测技术在食品工业中的应用近红外光谱检测技术在食品工业中的应用近红外光谱检测技术在其他行业中的应用近红外光谱检测技术在其他行业中的应用凹面反射镜凹面反射镜样品出口样品出口检测器检测器凹面反射镜凹面反射镜样品入口样品入口分光板分光板可移动镜可移动镜M1固固定定镜镜M2迈克逊干涉仪结构原理图迈克逊干涉仪结构原理图傅立叶变换红外吸收光谱仪（傅立叶变换红外吸收光谱仪（FI-IR

2、）时域函数频域函数1 概述（概述（1） 红外光谱属于分子振动光谱。 当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并使得这些吸收区域的透射光强度减弱。 记录红外光的百分透射比与波长关系的曲线，即为红外光谱，所以又称之为红外吸收光谱。1 概述（概述（2）红外拉曼红外拉曼 红外光谱英文为 Infrared Spectrometry (IR) 样品吸收红外辐射的主要原因是： 分子中的化学键 因此, IR可用于鉴别化合物中的化学键类型，可对分子结构进行推测。既适用于结晶质物质，也适用于非晶质物质。2 红外光区的划分（1） 红外光区介于可见光与微波之间，波长范围约为0.76-1000m

3、，为了便于描述，引入一个新的概念波数(wave number)。波数： ，波长的倒数，每厘米的波长个数， 单位 cm1 1/（cm） 104/ （m） 2 红外光区的划分（红外光区的划分（2）红外拉曼红外拉曼近红外：0.762.5m，131584000cm-1 主要为OH，NH（亚氨基，CH（碳-氢极性共价键）的倍频吸收.中红外：2.525m，4000400cm-1 主要为分子振动，伴随振动吸收远红外：251000m，40010cm-1 主要为分子的转动吸收 其中，中红外区是研究的最多、最深的区域，一般所说的红外光谱就是指中红外区的红外吸收光谱。3 红外吸收产生的原理（红外吸收产生的原理（1）

4、红外拉曼红外拉曼红外光的能量： 与一般的电磁波一样，红外光亦具有波粒二像性：既是一种振动波，又是一种高速运动的粒子流。 其波长表示为波数的形式 1/（cm） 104/ （m） 所具有的能量为： Ehc/ hc 红外光所具有的能量正好相当于分子（化学键）的不同能量状态之间的能量差异。因此才会发生对红外光的吸收效应。 在果蔬品质检测中主要检测对象包括黄瓜、大白菜、西红在果蔬品质检测中主要检测对象包括黄瓜、大白菜、西红柿、鲜辣椒等，具体的检测指标主要有糖分、维生素柿、鲜辣椒等，具体的检测指标主要有糖分、维生素C C、粗蛋白中性纤维、糖度、酸度和内部褐变等。在食品安粗蛋白中性纤维、糖度、酸度和内部褐变

5、等。在食品安全方面主要是针对一些有害物质的残留的鉴别等。全方面主要是针对一些有害物质的残留的鉴别等。1、 近红外光谱检测技术在农业中的应用近红外光谱检测技术在农业中的应用1.1 在果蔬品质检测中的应用在果蔬品质检测中的应用表表 4-4 近红外光光谱检测水果的研究工作近红外光光谱检测水果的研究工作水果糖度和有效酸度近红外光在线检测示意图v Dull 等等 (1989)利用近红外光利用近红外光 880nm和和 913nm两个波长的单色光检测甜瓜和哈蜜瓜的可两个波长的单色光检测甜瓜和哈蜜瓜的可活性固形物含量活性固形物含量漫反射水果检测原理简图v Kawano 等等(1992)利用近红外光光进行温州利

6、用近红外光光进行温州蜜柑的透射光谱糖度检测，光谱范围为蜜柑的透射光谱糖度检测，光谱范围为 680-1235nm，并采用多元线性回归，并采用多元线性回归(MLR)和二次和二次微分光谱建模，得出微分光谱建模，得出 r0.989的结论。的结论。透射光谱糖度检测 v Schmilovitch Zeev 等等(2000)利用近红外光反射利用近红外光反射技术和多元统计分析技术和多元统计分析(MLR)， 主成分分析主成分分析(PCA)和偏和偏最小二乘法最小二乘法(PLS)，检测芒果的可溶性固形物含量、酸，检测芒果的可溶性固形物含量、酸度和果肉硬度，度和果肉硬度，MLR 分析的相关系数分别为分析的相关系数分别

7、为 0.92，0.61，0.82。水果内部品质近红外光检测系统v 刘燕德等人刘燕德等人 (2004) 基于近红外光谱技术建立基于近红外光谱技术建立了水果糖份含量的测量系统，主要包括了水果糖份含量的测量系统，主要包括 FT-IR 光谱仪、光纤漫反射附件和计算机及数据采集卡。光谱仪、光纤漫反射附件和计算机及数据采集卡。其具体的检测方法为：苹果的近红外光漫反射光其具体的检测方法为：苹果的近红外光漫反射光谱测量通过一个专门的试验系统来测定，这个系谱测量通过一个专门的试验系统来测定，这个系统包括一个宽波段的光源统包括一个宽波段的光源(50W石英卤素灯石英卤素灯)，一个固定光纤和水果样品架。一个固定光纤和

8、水果样品架。水果可见-近红外光检测系统1.2 在植物信息检测中的应用在植物信息检测中的应用 v植被的反射光谱特征主要由叶片中的叶肉细胞、植被的反射光谱特征主要由叶片中的叶肉细胞、叶绿素、水分含量和其他生物化学成份对光线的叶绿素、水分含量和其他生物化学成份对光线的吸收和反射形成的，在不同波段，植被的反射光吸收和反射形成的，在不同波段，植被的反射光谱曲线具有不同的形态特征，它是物体表面粒子谱曲线具有不同的形态特征，它是物体表面粒子结构、粒子尺度、粒子的光学性质、入射光波长结构、粒子尺度、粒子的光学性质、入射光波长等参数的函数。国内外相关学者做了大量的研究。等参数的函数。国内外相关学者做了大量的研究

9、。vDeTar 等等(2007)利用高光谱估算棉花的植被利用高光谱估算棉花的植被指数；指数；vDirk等等2005年利用光谱成像估算小麦叶绿素含年利用光谱成像估算小麦叶绿素含量；量；vSui等等(2004)利用光谱成像估算棉花的氮素含利用光谱成像估算棉花的氮素含量；量；vBorhan 等（等（2005）利用光谱成像估算土豆叶）利用光谱成像估算土豆叶片的叶绿素和氮素含量。片的叶绿素和氮素含量。v李民赞等李民赞等(2005)在在对温室栽培黄瓜分析对温室栽培黄瓜分析的基础上，提出了利的基础上，提出了利用规一化颜色指数用规一化颜色指数（NDCI）诊断温室）诊断温室作物长势的模型，并作物长势的模型，并在

10、在NDCI基础上，开基础上，开发了基于光导纤维的发了基于光导纤维的温室作物长势监测仪。温室作物长势监测仪。温室作物长势监测仪示意图1.3 在畜禽产品检测中的应用在畜禽产品检测中的应用 v近红外光谱由于其自身快速、方便、精确、以及近红外光谱由于其自身快速、方便、精确、以及无污染危害等优点，现如今已被广泛应用到畜禽无污染危害等优点，现如今已被广泛应用到畜禽产品中来。像肉类、禽蛋、水产品。产品中来。像肉类、禽蛋、水产品。 vBrennan 等等(2003)建立了一个近红外光谱系建立了一个近红外光谱系统用来在线检测牛奶处理过程中的脂肪含量。该统用来在线检测牛奶处理过程中的脂肪含量。该系统是利用系统是利

11、用 LIGA 技术由光学元件构建的微系统，技术由光学元件构建的微系统，他们将其用于牛奶处理过程中，在他们将其用于牛奶处理过程中，在 8001100nm波长范围内，对牛奶中脂肪含波长范围内，对牛奶中脂肪含量的变化的检测，系统响应敏感。但是这只是对量的变化的检测，系统响应敏感。但是这只是对这一设备的初步应用，进一步工作应着眼于在过这一设备的初步应用，进一步工作应着眼于在过程控制环节中如何程控制环节中如何v引入成本低的光学系统以及对检测进程和装置设引入成本低的光学系统以及对检测进程和装置设计的改善，计的改善， 以期提高系统的稳定性。以期提高系统的稳定性。夏贺元康小组进行牛奶在线检测示意图夏贺元康小组

12、进行牛奶在线检测示意图应用应用 ASD便携光谱仪检测肉类品质示意图便携光谱仪检测肉类品质示意图v李庆波等（李庆波等（2002）研究）研究了采用近红外光谱技术检了采用近红外光谱技术检测牛奶中主要成分。测牛奶中主要成分。v刘蓉等（刘蓉等（2005）综合利）综合利用半数重采样法和最小半用半数重采样法和最小半球体积法对牛奶成分测量球体积法对牛奶成分测量的近红外光谱进行了奇异的近红外光谱进行了奇异点的剔除实验。点的剔除实验。v刘燕德等（刘燕德等（2007）采用）采用紫外可见光（紫外可见光（200-800nm）透射检测鸡蛋）透射检测鸡蛋的新鲜度。的新鲜度。透射法检测鸡蛋新鲜度 261.4 在经济作物检测中

13、的应用在经济作物检测中的应用 vLupaert 等（等（2003）、）、Zhang 等（等（2004）先后利用近红外光谱方法定性和定量地分析了茶先后利用近红外光谱方法定性和定量地分析了茶叶中蛋白质、咖啡碱、氨基酸、多酚类以及水分叶中蛋白质、咖啡碱、氨基酸、多酚类以及水分的含量。冈本存喜等（的含量。冈本存喜等（1989）对福建乌龙茶和）对福建乌龙茶和日本的玉露、煎茶等蒸青绿茶进行了水份的测定。日本的玉露、煎茶等蒸青绿茶进行了水份的测定。吉川聪一郎等（吉川聪一郎等（1997）用）用NIRS测量茶叶中的测量茶叶中的全氮量、氨基酸、咖啡碱和茶多酚。全氮量、氨基酸、咖啡碱和茶多酚。v 王东丹、李天飞等（

14、王东丹、李天飞等（2001）利用）利用BRUKER VERCTOR22/N型傅立叶变换近红外漫反射光型傅立叶变换近红外漫反射光v 谱仪对烟草的总糖、还原糖、总氮、尼古丁含量建模分析。谱仪对烟草的总糖、还原糖、总氮、尼古丁含量建模分析。近红外光在线检测烟草质量2 近红外光检测技术在食品中的应用近红外光检测技术在食品中的应用 v 在酒类产品检测中的应用在酒类产品检测中的应用 成分鉴定、产地鉴别分析、生产过程控制和成分鉴定、产地鉴别分析、生产过程控制和 瓶装酒检测瓶装酒检测 、酒品质专用分析仪、酒品质专用分析仪 。v 在调味品检测中的应用在调味品检测中的应用 主要对食醋中的酒精和醋酸进行定量分析、主

15、要对食醋中的酒精和醋酸进行定量分析、掺假醋的鉴别、食醋老化程度。酱油原料、酱油掺假醋的鉴别、食醋老化程度。酱油原料、酱油滤饼、酱油成分的分析等。滤饼、酱油成分的分析等。 v 在谷物检测中的应用在谷物检测中的应用 利用近红外漫反射光谱技术建立了小麦籽粒利用近红外漫反射光谱技术建立了小麦籽粒硬度、水份、粗蛋白、赖氨酸和粗淀粉指标、有硬度、水份、粗蛋白、赖氨酸和粗淀粉指标、有学者已把光学在线测量系统应用于硬质小麦加工学者已把光学在线测量系统应用于硬质小麦加工产品的质量控制，对小麦蛋白质含量和粉粒粒度产品的质量控制，对小麦蛋白质含量和粉粒粒度进行实时在线测量。进行实时在线测量。 在食用油检测中的应用在

16、食用油检测中的应用 通过近红外反射光谱测定亚麻子含油量，使通过近红外反射光谱测定亚麻子含油量，使用用 NIR 透射光谱快速测定大豆油（透射光谱快速测定大豆油（SBO）氧化）氧化水平，共轭二烯值（水平，共轭二烯值（CD）和茴香胺值。棉籽油粉）和茴香胺值。棉籽油粉中油含量的测定等。中油含量的测定等。3 近红外光检测技术在其它行业中的应用近红外光检测技术在其它行业中的应用v3.1 在石油化工检测中的应用在石油化工检测中的应用 石油化工产品的主要成分是各种烃类化合物，石油化工产品的主要成分是各种烃类化合物，其主要官能团是其主要官能团是C-H，因此特别适合近红外分析。，因此特别适合近红外分析。 1989

17、年年 Kelly等人用短波近红外光谱成功测等人用短波近红外光谱成功测定了汽油辛烷值标志着近红外光谱技术开始进入定了汽油辛烷值标志着近红外光谱技术开始进入石油产品质量分析领域。石油产品质量分析领域。 运用近红外光谱法测定柴油中的芳烃含量，快速运用近红外光谱法测定柴油中的芳烃含量，快速测定柴油物理性质，测柴油十六烷值，测定柴油测定柴油物理性质，测柴油十六烷值，测定柴油闪点，测定柴油凝点等。闪点，测定柴油凝点等。 近红外光谱分析技术在汽油分析中运用较多，如近红外光谱分析技术在汽油分析中运用较多，如快速测定汽油详细族组成，测定汽油辛烷值，测快速测定汽油详细族组成，测定汽油辛烷值，测定汽油中乙醇，对汽油

18、模糊聚类分析，在汽油调定汽油中乙醇，对汽油模糊聚类分析，在汽油调和中的运用运用近红外光谱法结合各类化学计量和中的运用运用近红外光谱法结合各类化学计量学方法等等。学方法等等。利用近红外光谱分析定量分析一般流程利用近红外光谱分析定量分析一般流程利用近红外光谱分析术可利用近红外光谱分析术可以快速、简便、准确的对以快速、简便、准确的对润滑油的理化性质进行检润滑油的理化性质进行检测。但是，近红外光谱谱测。但是，近红外光谱谱峰宽并且严重重叠，利用峰宽并且严重重叠，利用近红外分析方法测定物质近红外分析方法测定物质性质必须采用多波长数据性质必须采用多波长数据及合理的化学计量学方法及合理的化学计量学方法借助计算

19、机方可完成。借助计算机方可完成。3.2 在饲料检测中的应用在饲料检测中的应用v NIRS 在饲料检测中在饲料检测中, 最初多是用于饲草最初多是用于饲草原料和谷物类原料中水分和蛋白质含量的检测原料和谷物类原料中水分和蛋白质含量的检测, 随后用于油料作物籽实的水分、蛋白质等的检测随后用于油料作物籽实的水分、蛋白质等的检测, 都获得了满意的结果。都获得了满意的结果。 近年来国外一些研究者提出可以利用近红外近年来国外一些研究者提出可以利用近红外漫反射光谱技术（漫反射光谱技术（NIDRS）快速预测饲料中营）快速预测饲料中营养物质的消化率。目前，利用养物质的消化率。目前，利用NIDRS测定青贮测定青贮饲料消化率的研究多集中在对青贮牧草和青贮玉饲料消化率的研究多集中