NIR-近红外光谱技术

近红外光谱技术

近红外光谱技术：QualityControlattheSpeedofLight如光速般快的质量管理技术

引言引言“Formanyapplicationsitwillbetheonlyanalyticalbase…Thescantakesamatterofaminuteorso,whereanalytically,itwouldtakedaystodosomethinglikethat,andyouwouldn’thavethereliabilityofthedata.”ThomasLayloff-USFDA“对于许多应用领域来说，NIR是唯一只需要花费一分钟的时间就可以完成其它方法需要花费几天才能完成的任务的分析方法……”ThomasLayloff

——美国FDA主要内容近红外光谱技术基础（原理，特点，历史，采样技术）近红外光谱的应用，基于近红外光谱分析原理所开发的食品专用检测仪器简介NIR仪器简介近红外光谱在食品、药品工业中的应用实例

Part1

近红外光谱技术基础

近红外光谱区域电磁波谱CosmicGammaXUVIRMicroUHFShortMediumLongUltravioletInfraredNearMidFar14007502500160001000000nmRadioVis

TheNIRspectrumextendsfrom≈760nm–2500nm.近红外光区是分子在中红外光区振动转动基频的倍频或合频近红外发展历史1800，TheFirstNIRSpectrumrecorded(Herschel)20世纪50年代，KarlNorris，近红外之父Wetzelin1983deemedita“sleeperamongspectroscopictechnique”onaccountofitshighpotential,butscantuse(D.L.Wetzel,Anal.Chem.55(1983)1165A);80年代以后，随着计算机技术、化学计量学技术及仪器分析技术的发展和应用，人们重新认识了近红外光谱的价值，并使其发展成为了一门独立的分析技术，1988年成立了国际近红外光谱协会（CNIRS）。Mclurein1994publishedapaperentitled“thegiantisrunningstrong”becauseofitsincreasingnumberofapplicationsindifferentfields(W.F.Mclure,Anal.Chem.66(1994)43A)Daviesin1998,puttingforwardfuturepossibleadvancesandapplications,aptlydescribeditspotentialastakingit“fromsleepingtechniquetothemorningstarofspectroscopy”(T.Davies,Analusis26(1998)M17)近红外光谱技术特点1、信息分布：NIR光谱的谱峰较宽，重叠严重，背景复杂，需用化学计量学软件技术来解析谱图。2、吸收强度：比中红外区低若干个数量级，信噪比较中红外高，样品无需稀释等前处理，可直接测定。3、穿透深度：NIR光散射效应大，穿透深度大，便于检查各部位或每一颗粒的质量；对分析样品的外观宽容度大，样品可为清澈的气态、液态、各种不规则形状的固态和悬浮液等。4、与传统的分析方法相比NIR分析技术有着非常优异的性能：制样简单，无破坏，无污染，分析速度快，准确、重现性好、可靠，可用于在线检测。5、不适合痕量样品的分析和测定700100013001600190022002500波长(nm)0.00.20.40.60.81.0吸收度三级倍频845-878二级倍频1127-1270一级倍频1690－1755合频2200~尼龙纤维的NIR

光谱

C-H

键振动强度近红外采样技术TransmissionLiquidanalysisQuantitativeQualitativeFilmsTabletsSemi-solidsIntegratingSphereModule近红外采样技术DiffusereflectancePowdersSolidsTabletsFibersPastesSuspensionswithhighsolidscontentsOpaquesemi-solidsTabletAnalyzerModuleContentuniformity-transmissionCoatinginformation-reflectanceBetterinformationthaneithertechniquealoneTransmissionDiffuseReflectance近红外采样技术近红外采样技术NIR–AOTF采样NIR–AOTF采样Currentlyworkingto

calibrateNIRforuseinwineries.PotentialcalibrationsforEtOH,wineacids

andtotalphenolics.NIR分析与常规方法对比Near-Infraredvs.HPLC

HPLC分析时间：16小时有机溶剂消耗量：4.8L产生的污染物量：9.6L

Near-Infrared分析时间：1.5小时有机溶剂消耗量：0L产生的污染物量：0L50Samples-5lotsx10tablets/lot以药片分析为例

Part2

应用NIR光谱分析技术的应用领域1950年代，近红外光谱技术的发展是在农产品中的应用开始的，最早的应用是农副产品中水分的测定，以后又用于谷物及饲料中的蛋白、水分、纤维、糖分及脂肪等项目分析，且都取得了满意的结果。1977年，NIR测定烟草中尼古丁含量和有关烟草中糖、水分、甲醇及总氮含量的测定。1978年，NIR测定羊毛上的脂类1982年，NIR开始在制药工业中应用，目前在制药工业应用已十分成熟，并在等待NIR作为标准方法的实现1985年，在高聚物中应用被接受1989年，在石油化工领域应用，90年代中期近红外光谱结合光导纤维在石油加工过程中实现在线控制分析，并取得了明显经济效益。80年年代中后期，在食品工业（尤其是奶制品及饮料、酒类等），木材加工，生命科学以及天体科学研究才不断得到人们的重视及应用。NIR光谱分析技术的应用领域FinalProductTestingRawMaterialIDQCLabProcessMonitoring

NIR技术在食品领域中的应用专用食品质量控制近红外光谱仪－油品分析仪全新的数字式光栅透射检测技术在1-2分钟内，即可准确测定出油脂中碘价、游离脂肪酸、磷值等多项指标。

取代了传统的油脂厂化验手段，从而实现了油脂厂生产过程的实时监控

透射型系列分析仪采用大面积全息光栅扫描、透射检测技术完全整粒无损测试；快速分析（只需1分钟）

同时检测多项指标

肉类分析仪采用近红外全光栅透射技术主要用于各类肉类加工厂进行原料定价、生产控制以及成品控制同时适用于各超市、商场、肉类贸易商进行质量检测。

近红外选种机利用AOTF-NIR技术组成信息如油、蛋白质、淀粉、水分、低/高油酸含量同时被测量，并依据分析结果进行分拣

最快60粒种子/分钟的分拣能力。

NIR快速品质分析仪样品可全方位旋转作多面测定，解决混合不均匀问题完成样品的测定小于2min。

便携式我校的NIR仪药片分析光纤积分球透射透射分析液体或薄膜适用于不同的样品管、样品皿、样品卡等温度可控积分球固体粉末悬浊液用于积分球漫反射测量内部参考背景自动采集药片分析Part3应用实例近红外光谱定量分析的一般流程与步骤

甘草GAP种植质量控制(自然科学基金和福建省中药材重点项目)（1）近红外在甘草质量控制中的应用東北甘草

青海甘草寧夏甘草甘肅甘草內蒙甘草

甘草的分类判别及定量研究－甘草简介新疆甘草2000多年的历史食品添加剂我国是甘草生产大国，内蒙古、甘肃、新疆、青海甘草的生境不同部位药用价值不同

项目中拟用近红外光谱道地性快速判别甘草酸含量快速测定甘草质量传统评价方法：甘草的分类判别传统的方法是目视评价甘草的优劣指标－甘草酸含量，使用色谱法，费时，不适合大量检测和在线质量控制。甘草道地性判别－定性样本采集：不同产地、不同生境、不同部位样本前处理光谱采集模型建立、评价：主成分分析

SIMCA(训练集，验证集)未知样品定性甘草的NIR光谱PCA分析结果不同产地、不同生境和甘草不同部位的样品在主成分空间得到了很好的分离。SIMCA模型判别结果甘草中甘草酸含量近红外测定模型建立标准分析方法（色谱法）;近红外光谱采集;模型（PLS）建立（校正集，验证集）、评价.分析样品未知样品光谱采集，调用模型预测，预测结果甘草酸定量分析结果以HPLC分析数据为基础建立PLS校正模型（2）干燥过程在线检测药物材料的干燥过程

实时NIR结果NIR特点总结

优点

缺点1.非侵入式采样，不破坏样品1.选择性差2.对固体、液体