近红外光谱理论教案课件

1、近红外光谱理论FOSS 近红外技术在农业/食品应用举例第1页/共72页NIR技术目前所获得的国际认可AACC39-21 (大豆中的蛋白,油份 , 水分)39-21A (小麦中蛋白、水分) Foss TecatorAOAC 989.03 (蛋白, 酸性洗涤纤维,水分)Foss NIRSystemsUSDA89-01 (大豆中的蛋白，油份)90-101 (小麦中的蛋白) Foss TecatorACCC小麦中的蛋白,硬度，水分Foss NIRSystems第2页/共72页近红外定量分析在饲料质量分析中的地位1975年加拿大谷物委员会正式确定NIR为该国官方的蛋白质分析方法1979年NIR成为官方分

2、析油料中单葡萄糖苷的快速测定方法1983年成为快速测定油料中不饱和脂肪酸的官方分析方法第3页/共72页近红外定量分析在饲料质量分析中的地位1984 美国公职分析家学会(AOAC) 989.03: NIR成为分析饲料中蛋白，酸性洗涤纤维，中性 洗涤纤维 的标准方法1985年国际谷物技术协会采用NIR技术测定蛋白第4页/共72页近红外技术在我国饲料研究与应用进展七五期间，近红外定标软件的研制列入国家攻关计划。在此期间以中国农科院畜牧研究所为首，全国近20家研究所联合完成了饲料用玉米等九个能量饲料大豆粕等4个蛋白饲料苜蓿粉等7个粗饲料蛋鸡配合料干物质，粗蛋白，粗纤维，和灰分组分的定标数据库建立和定量

3、分析工作第5页/共72页近红外技术在我国的研究与应用进展6个饲料的消化能和代谢能含量分析大麦等4个饲料原料的氨基酸分析米糠饼等6个饲料的植酸磷分析饲料添加剂中喹乙醇分析的定标工作这些工作为NIR技术在我国农业上的应用提供了大量的基础数据第6页/共72页NIR技术已正式列入我国饲料国标GB /T 18868-2002 饲料中水分、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨酸、快速测定近红外光谱法Method for determination of moisture, crude protein, crude fiber, crude fat , lysine and methinione馔写人 国家

4、饲料质量监督检验中心 杨曙明 宋荣第7页/共72页近红外光谱理论第8页/共72页近红外光谱波长范围紫外可见近红外中红外25004,000官能团定性分析分子光谱成分定量分析分子光谱表观颜色分析定量分析分子光谱80014,28540025,000200 50,00025,000 nm400cm-1第9页/共72页近红外是如何工作的?近红外光谱研究物质分子对近红外光（能量）的吸收界于电磁波谱800-2500nm光谱区段它属于分子光谱的研究范畴，即研究物质分子与电磁波的相互作用. 第10页/共72页光谱理论广义的红外光谱（包括中红外光谱及近红外光谱）是由分子振动吸收引起的红外活性分子(包括对中红外及近

5、红外谱区能量吸收分子）可理解为 一振动双极的机械模型（双极具有 电荷分离），每一双极模型其振动具有特殊的频率及振幅。第11页/共72页伸缩振动第12页/共72页弯曲 振动- 面内弯曲 (1)第13页/共72页弯曲振动 面外弯曲 (2)第14页/共72页光谱理论.频率 是指单位 时间的振动数目振幅 是 振动双极的振动距离第15页/共72页光谱理论.当光能与分子振动能量相匹配时，分子将吸收光能，振动能级将跃迁为新能级，表征为振动振幅的增加在新能级时，分子振动频率保持不变第16页/共72页分子振动能级跃迁第17页/共72页 近红外区吸收近红外光谱主要是由分子中O-H, N-H, C-H, S-H 键

6、的振动 吸收引起的是这些振动的组频和倍频吸收带近红外区光谱测试成分须含有 O-H, C-H, N-H 或 S-H 键- CH- OHNH-SH第18页/共72页光谱理论红外活性分子其振动的基频吸收发生在中红外区，在近红外区，表征为合频吸收及倍频吸收。倍频吸收带约发生在基频吸收2 - 3 倍基频吸收频率处（或波长的约 1/2 及1/3 处）当倍频级别增加时，吸收强度将减弱第19页/共72页倍频吸收带位于基频吸收频率的倍数积处 第20页/共72页合频吸收带约位于两个或三个基频吸收频率之和处第21页/共72页第22页/共72页= Protein= Oil= Moisture近红外2级，3级倍频第23

7、页/共72页光谱理论小结R-H 键振动在近红外区有较强的倍频吸收近红外光谱主要是由O-H, N-H, C-H, S-H 键的振动 吸收引起的在近红外谱区能量照射下，氢分子中的氢-氢键由于振动双极没有发生任何变化，因此没有近红外吸收R-H 的伸缩振动或 R-H的伸缩/弯曲振动构成了近红外区的主要吸收带研究近红外区光谱吸收，测试成分须含有 O-H, C-H, N-H 或 S-H 键第24页/共72页脂肪在NIR的对应基础第25页/共72页 蛋白质在NIR的对应基础第26页/共72页糖在NIR光谱的对应基础第27页/共72页典型的近红外吸收第28页/共72页近红外吸收重要的波长 92139CH/CO

8、组合吸收峰蛋白/蛋粉102180NH键伸缩振动一级倍频蛋白质82190CH/CO组合吸收峰蛋白/淀粉72208CH/CO组合吸收峰尿素/乳糖52270OH/CO组合吸收峰淀粉/糖42310CH键伸缩一级倍频油份22336CH/CH弯曲振动一级倍频纤维素/灰份32348CH键伸缩振动一级倍频纤维素62230参比第29页/共72页近红外吸收重要的波长 191445OH键二级倍频水分181722CH键二级倍频淀粉/纤维素171734SH键二级倍频蛋白质151759CH键二级倍频油份131778CH/HOH组合吸收峰淀粉/纤维素121818CO键一级倍频纤维素161940OH键一级倍频水分111982

9、NH/酰胺组合峰尿素142100COO一级倍频淀粉/蛋白第30页/共72页WATEROILPROTEINSTARCH第31页/共72页第32页/共72页700100013001600190022002500波长 (纳米)00.20.40.60.81吸光度 (Log 1/R)三级倍频吸收带二级倍频吸收带一级倍频吸收带合频吸收带尼龙纤维样品的近红外光谱第33页/共72页第34页/共72页近红外检测技术分类NIR= 近红外漫反射技术 Near Infrared ReflectanceNIT= 近红外透射技术 Near Infrared Transmittance第35页/共72页近红外透射/漫反射技

10、术透射技术 (NIT)漫反射技术 (NIR)ITEC169AITEC168ALight sourceLight sourceDetectorDetector第36页/共72页漫反射检测器检测器第37页/共72页常规分析UNKNOWNSSPECTRUM0.04 0.09 0.14 0.16 0.26 0.54 0.55 .059第38页/共72页有关近红外技术定标采用近红外测定某一产品的成分，首先需要对这个产品的各种成分定标。定标建立将采用样品的扫描数据，然后和某一成分的传统分析方法数据相关连(通常是化学分析法数据）。一旦某成分定标建立，就可以分析未知样品中此成分的浓度，分析时间只需40秒。 第

11、39页/共72页近红外技术的定标过程图例第40页/共72页近红外光谱分析定标技术介绍近红外光谱分析是间接的（第二手）分析方法，所以 需要定标样品集 利用定标样品集的参比分析数据与近红外光谱建立定标 近红外分析准确度与参比方法数据准确度高度相关 近红外分析精度优于参比方法分析精度第41页/共72页近红外光谱分析定标技术介绍实验室分析 蛋白 脂肪水分多变量统计模型 预处理模型验证（化学计量学）未知样品预测 蛋白 脂肪水分近红外光谱定标样品集第42页/共72页比尔定律吸光度与样品浓度间的关系通过比尔定律描述： A = abc 在这里: A = 某一波长的吸光度 a = 摩尔吸光系数 b = 吸收介质

12、的光程 c = 样品浓度第43页/共72页97% OH47%57%85%68%77%吸光度大小与样品浓度成正比.C = B0 + B1X1Concentration % = 0.222 + -1065.8 * Abs at 2064 C B0 B1 X1 第44页/共72页简单的线性回归Beer-Lambert 定律吸收强度与样品浓度成正比(对漫反射技术，吸光系数和光程是固定的常数)定标模型可描述为:C = k0 + k1A1k0 = 截距 k1 = 斜率 A1 = 吸光度第45页/共72页近红外定量分析方法常规分析模型验证散射校正定标回归技术建立定标模型 样品收集 线性定标模型Cnirs=

13、B0+ B1*A1+B2*A2+. +Bk*Ak第46页/共72页建立近红外分析方法建立近红外定量模型的最终目标是一个长期稳定的和可预测的模型。第47页/共72页建立近红外分析方法.I.定标样品集A.样品数目-根据检测成分的数目B. 产品本身的变异程度而定C. 样品浓度的分布状态D.定标系列必须包含样品变化 1.经常收集样品 (不是只在一天) 2.结合不同的过程变化 (不同的供应商，季节，颗粒度等)E.浓度范围需5-倍于标准方法的标准偏差。第48页/共72页建立近红外分析方法.II.标准方法A. 什么是标准方法准确度?B. 什么是标准方法精度?C.近红外方法的准确度标准偏差SD是标准方法的1.

14、2-1.倍D.近红外方法的精度标准偏差SD比经典高倍（显著特点）E.尤其对于浓度极端的样品，需采用标准方法进行双平行 或三平行分析第49页/共72页建立近红外分析方法.III. 验证样品集A.类似于定标样品集样品收集 包含相同的变化B.如果样品许可，可保存高，中，低浓度三种样品作为“标准样”定期分析，用于仪器定标检查的控制样第50页/共72页近红外定标方程的开发和扩展所需的湿化学标准值 1.在做湿化学分析前，须先进行样品扫描2.扫描过的样品（同一份样）送交实验室进行湿化学分析.送交实验室样品必需放置于密封的容器中 （最好用样品储藏罐且罐口需用胶带密封；封口样品袋也可接受），以防止水份和挥发物的

15、损失。第51页/共72页近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值 3.样品需及时分析。4.所使用的实验室分析方法需官方认可的标准方法第52页/共72页近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值 5.如果分析样品需要制备（研磨，萃取等），必须在实验室报告中注明。如果样品制备需要磨，那么样品磨的类型和筛的尺寸有记录。 注释用于分析的样其物理状态必须知道。如果分析前被研磨或分析样品与实验室接收的状态一致，这些都必须注释（研磨者和筛的尺寸）第53页/共72页近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值 6.报告每一个方法和产品类型的实验室分析方法的误差 *盲样分析平行样，其编号方式不显示两个样品间的关系第54页/

16、共72页NIR是二手方法，需要用传统方法结果校正! 第55页/共72页传统分析 近红外分析准确度无论如何也不会比对定标样品集传统分析分析的准确度高.第56页/共72页传统方法评估10 样品浓度分布均匀包括高、中、低浓度段样品.分样，然后随机编号.采用传统方法分析这20个样品计算SDD (Standard Deviation of Difference) for the 20 samples.将SDD作为评估仪器分析准确度的参考值 .第57页/共72页第58页/共72页影响近红外定标准确性的主要因素参与定标的样品量不足，不具代表性定标样品几乎一致造成定标不具代表性样品近红外扫描数据误差定标所使用

17、的实验室数据分析不准确非线性因素对定标的影响第59页/共72页NIR- 统计术语解释N 定标样品个数Mean 定标样品集平均浓度SEC 定标标准偏差RSQ, Correlation 定标相关系数SECV交互验证标准偏差1-VR, Correlation交互验证相关系数SEP预测标准偏差Standard Deviation标准偏差SEP(C) (扣除系统偏差的预测标准偏差） Slope斜率 Bias系统偏差第60页/共72页Mean value平均值第61页/共72页标准偏差根据正态（高斯）分布，有 68% 的结果落在此误差范围内第62页/共72页误差分布样品分析误差符合高斯分布 (Gaussian) :100 样品 ，验证样品平均浓度为4%, CV=1%:32 误差落在 0.04%5 误差落在 0.08%1 误差超过 0.12%3.83.94.04.14.268%95%99%第63页/共72页Slope斜率k 为斜率， m 为截距第64页/共72页Bias系统偏差第65页/共72页WIN ISI II - Scatter plot第66页/共72页Correlation 相关系数表征x,y之间的相关关系如果x,y共变化，则可获得好的相关第67页/共72页Correlation相关