近红外光谱nir分析技术的发展与应用

近红外光谱nir分析技术的发展与应用

近红外光谱分析技术（nir）是近年来分析领域的一项高科技分析技术，越来越受国内外研究者的影响。通过扫描样品的近红外光谱分析,可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息,由此推断样品的成分和结构。随着近红外光谱技术和光谱数据处理软件的发展,近红外光谱技术也开始广泛应用于制浆造纸分析领域。近年来,利用近红外光谱测定纸浆中木素含量和卡伯值等,已经成为制浆造纸工业分析领域的研究热点。1近红外光谱分析技术的应用近红外区域是指波长在780～2526nm范围内的电磁波。近红外光谱区域与有机分子中含氢基团振动的合频和各级倍频的吸收区一致,因此利用近红外光谱可以反映-CH、-OH、-NH、-SH等含氢基团的特征信息,其分析范围可覆盖几乎所有的有机化合物。近红外光照射样品时,利用样品分子对近红外光的吸收,由振动或转动引起偶极矩的变化,产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁,从而得到近红外光谱。近红外光谱记录的主要是样品中含氢基团振动的倍频和合频吸收。如果该近红外光的频率与样品的振动频率相同,该频率的光就会被吸收,反之,则不被吸收。因此,选用连续改变频率的近红外光照射样品时,由于样品对不同频率近红外光的选择性吸收,通过样品后的近红外光在某些波长范围内减弱,而在另外一些波长范围内较强,可以根据得到的近红外光谱推断样品组分和结构的信息。在近红外光谱图上,依据不同种类物质所含化学成分的不同,含氢基团倍频与合频振动频率不同,则近红外谱图的峰位、峰数及峰强不同。样品的化学成分差异越大,图谱的特征性差异越强。如果我们建立了光谱与待测参数之间的分析模型,那么只要测得样品的光谱,通过光谱和上述分析模型,就能很快得出所需要的参数数据。近年来,近红外光谱分析技术在农产品、食品、化工、造纸等多个领域都得到了广泛的应用,它的优点有:分析速度快,可以实现在线定量分析;对样品无污染,分析过程无需任何化学干预,是一种绿色分析技术;仪器操作和维护简单,在整个测量过程中引入的人为误差较小;测量精度较高;分析成本较低,整个测量过程中无需使用任何化学试剂。但是,目前近红外光谱分析技术也存在一些不足,主要在于分析仪器的价格相对较高,以及模型的建立与维护比较麻烦。如何降低仪器成本的同时保持较高的分析精度是现今需要解决的主要问题。2近红外光谱定标原理红外光谱的研究始于20世纪初期,随着1940年商品红外谱仪的问世,红外光谱分析技术在有机化学研究中得到广泛应用。近红外光谱区是1800年Herschel在对太阳光谱可见区红外部分能量测量中发现的,也是人们最早发现的非可见光区域。但是,由于物质在该谱区的倍频和合频吸收信号弱,谱带重叠,解析复杂,受技术水平限制,近红外光谱在过去很长一段时间内并不被人们所重视。直到20世纪60年代,随着红外仪器技术和计算机技术的发展,近红外光谱区才开始作为具有独特信息特征的谱区在农产品成分快速定量检测中得到应用。Norris是近红外光谱分析技术发展的奠基人,他首先提出了多元线性回归算法在近红外光谱定标模型的建立和光谱信息提取解析等方面的优势,并且研制出了世界上第一台近红外扫描光谱仪。20世纪80年代以前,虽然近红外光谱分析通过采用多元线性回归技术建立定标模型,在农业领域得到了应用,但是由于当时的近红外光谱技术还存在灵敏度低、抗干扰性差等缺点,再加上各种新的分析技术的出现,人们对近红外光谱技术的研究并不多。直到20世纪80年代后期,作为化学计量学的重要组成部分——多元统计变量方法在光谱分析领域成功应用,近红外光谱分析技术才解决了光谱信息提取和背景干扰等问题,再加上近红外光谱技术的自身优点,人们开始重新认识到近红外光谱的价值,近红外光谱在除农业外其他领域中的应用研究也陆续展开。进入20世纪90年代,随着计算机技术的进步,近红外光谱开始广泛应用于农产品、食品、制药、石油化工、纺织印染等诸多领域,并取得了较好的效果。近红外光谱分析技术已经成为21世纪最有应用前途的分析技术之一。3近红外光谱分析研究随着近红外光谱技术和光谱数据处理软件的发展,近红外光谱技术在制浆造纸领域的应用也越来越多。近红外光谱分析可以用于测定木材纤维素含量、木素含量、木材的力学性能以及纸张性能的测定等方面;另外,利用近红外光谱技术还可以测量纸页水分、纸板重量、浆料性能、快速预测浆料中胶黏物的含量等。近年来,利用近红外光谱技术来测定纸浆中木素含量和卡伯值,已经成为制浆造纸工业分析领域的研究热点。江泽慧等利用近红外光谱对木材不同含水率下的气干密度和水分进行了测定。吴新生等采用近红外光谱法对不同的造纸木材原料进行了快速分类与评价,该方法可望用作造纸用材育种和培育过程中原料的快速选择和分析。TingFengYeh等利用近红外光谱分析对火炬松和白杨中纤维素和木素的组成成分进行了研究。刘雪云等针对传统纸浆纤维种类鉴别费时、费力等问题,研究了基于近红外光谱技术的纸浆原料快速分类方法。贺文明等研究了利用近红外光谱法快速测定木材中纤维素、聚戊糖和Klason木素含量。王玉荣等研究了近红外光谱分析技术应用于测量木材纤维长度的基本原理及流程,为造纸木材的定向培育及成材的纤维分等提供了新的途径和方法。许瑞雪等将近红外光谱技术用于毛白杨材性的快速分析测定中,为提高不同组分含量的纤维原料在制浆造纸工业的应用提供了科学依据。孟莉莉等研究了欧美杨各组分含量与近红外光谱数据间的相关性,应用近红外光谱法预测欧美杨化学组成。李小梅等采用近红外漫反射测定方式和偏最小二乘回归法,分别对造纸纤维原料中的水分、灰分、木素、纤维素、半纤维素等5种成分进行定量测定并建立数学模型。阎继鹏等对三倍体毛白杨木素和苯醇抽提物的近红外光谱法测定进行了研究。近红外光谱还可以用于浆料组分和纸张性能的测定。Zbonak等利用近红外光谱测定了巨桉KP浆中的纤维素含量。VinhQDang等研究了傅立叶变换红外-光声光谱法测定高得率KP浆的木素含量。曾细玲等探讨了通过对近红外光谱进行偏最小二乘法建模,快速预测浆料中胶黏物的含量的可行性。欧阳春等研究了用近红外光谱无损测定纸张施胶度,为纸张施胶度无损伤、无预处理的快速简便预测提供了新的途径,可望实现纸机的在线检测。谢益民等利用近红外光谱法测量蒸煮过程黑液中木素含量的变化,从而在线测定出纸浆卡伯值。姚春丽等用偏最小二乘法分别建立了卡伯值和得率的近红外光谱的验证模型和预测模型,通过近红外光谱法对欧美杨的制浆性能进行了测定。黎庆涛等研究了近红外漫反射技术在纸浆卡伯值定量分析测定中的应用,研究结果表明,用近红外方法对纸浆卡伯值的测定是可行和有效的,样品不需预处理,分析快速,结果准确。4近红外光谱技术的应用分析技术的发展对于制