近紅外光譜分析技術(shù)的研究與應用

楊 瓊 項 瑜 楊季冬

(1.長江師范學院化學化工學院，重慶涪陵 408100)

(2.重慶廣播電視大學武隆分校，重慶武隆 408500)

(3.重慶三峽學院化學與環(huán)境工程學院，重慶萬州 404100)

1 近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展沿革

近紅外光譜(780～2526 nm)是人類最早發(fā)現(xiàn)的非可見光譜段，距今已有200多年.由于它是C-X(H、N、O、S)鍵的倍頻和組合頻譜，光譜在這個譜段交互重疊，異常繁雜，形似一鍋粥，所以遲遲未能發(fā)展成可用的光譜分析技術(shù)[1][2-3]1-5,1-10.隨著光譜技術(shù)的發(fā)展，近紅外光譜分析儀器不斷得到改進，結(jié)合化學計量學的發(fā)展，尤其是計算機的數(shù)據(jù)分析應用，才使得近紅外光譜分析技術(shù)(Near Infrared Spectroscopy, 即NIRS)真正成為了一種有效的分析手段.20世紀50年代初，Norris等用近紅外光譜漫反射技術(shù)測定了一些農(nóng)副產(chǎn)品的品質(zhì)(水分，蛋白和脂肪等指標)，但由于他們用的仍是傳統(tǒng)的光譜定量分析方法，未能將近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展迅速推進[4-6].三十年來，由于化學計量學有效提取數(shù)據(jù)，計算機迅速進行數(shù)據(jù)分析，拓展了近紅外光譜分析技術(shù)的應用.現(xiàn)在由光譜儀硬件和化學計量學軟件組成的近紅外光譜分析手段在農(nóng)副產(chǎn)品、食品安全、石油化工、醫(yī)藥和環(huán)境等方面的分析應用日益擴展，方興未艾[7,9][8]7.

近紅外光譜分析的優(yōu)勢在于:(1)可用于快速分類鑒別和定量分析.只要將分析對象的性質(zhì)和組成與近紅外光譜建立相關(guān)的定性和定量模型，就可以快速重復鑒別和測量眾多的樣品；(2)可用于同時測定多種組分，通過計量模型的優(yōu)勢可同時測定復雜體系中的多種組分；(3)可用于無損分析，近紅外光譜分析可采取透射方式或漫反射方式，勿須破壞樣品，勿須添加試劑，因此是非常環(huán)境的分析方法；(4)利用光纖探頭可實現(xiàn)實時在線遠程分析[10-12].正是近紅外光譜分析技術(shù)的這些優(yōu)勢逐步開發(fā)，使得這項分析手段得到更為廣泛的拓展.

近紅外光譜分析的劣勢在于:(1)近紅外光譜分析必須建立數(shù)理模型，方能進行有效地快速分析，所以它屬于二次分析方法；(2)由于近紅外光譜區(qū)域的光吸收較弱，滲透力較強，故其檢測限只能在千分之一以上，適于常微量分.該技術(shù)盡管存在這些劣勢，為克服這些劣勢的研究仍在不斷深入.其實這些劣勢形成了近紅外光譜分析技術(shù)與眾不同的特色，目前也有很多人在致力于改變這些劣勢為優(yōu)勢的研究[13-14].

2 “近紅外光譜檢測技術(shù)研究及其應用”創(chuàng)新團隊的建設與發(fā)展

重慶市高校科技創(chuàng)新團隊“近紅外光譜檢測技術(shù)研究及其應用”是由西南大學、長江師范學院、重慶三峽學院、太極集團、涪陵烏江榨菜集團、涪陵區(qū)科委和環(huán)保局聯(lián)合組建的“產(chǎn)學研政”協(xié)同創(chuàng)新體.實驗基地設在長江師范學院和重慶三峽學院，由楊季冬教授領(lǐng)銜建設.目前該團隊共有教授6人，高級工程師2人，副教授2人，博士5人，碩士10人.實驗室主要開展分子光譜分析研究，擁有近紅外、中紅外、拉曼、紫外和熒光光譜儀器，以及高效液相色譜、電化學分析系統(tǒng)、化學發(fā)光分析儀等重要分析手段，同時還掛靠西南大學光譜分析研究實驗室，可借助拓展分子光譜分析的尖高端分析儀器范圍.經(jīng)過多年的努力攀登，與太極集團和涪陵烏江榨菜集團合作，團隊建設形成了高校與企業(yè)結(jié)合的產(chǎn)學研一條龍研究體系，同時打造了一支研究服務地方的，充滿活力的可持續(xù)發(fā)展的研究團隊.

結(jié)合三峽庫區(qū)和烏江流域資源豐富的地方特點，主要形成了三個具有地域特色的研究方向.

3 “近紅外光譜檢測技術(shù)研究及其應用”創(chuàng)新團隊的主要研究方向

3.1 以近紅外光譜分析技術(shù)測定環(huán)境中的多種監(jiān)控指標的研究

利用近紅外光譜技術(shù)具備多組分多指標同時檢測、測定速度快、測試重現(xiàn)性好等優(yōu)點，開發(fā)水環(huán)境中多種監(jiān)控指標的測定的研究.我們試驗以近紅外光譜分析技術(shù)結(jié)合多種分析手段開發(fā)了垃圾處理聲滲濾液中多種組分如金屬離子和有機多苯酚、酸類的快速監(jiān)測.尤以近紅外光譜分析技術(shù)建立同時測定垃圾滲濾液中的COD和BOD指標，經(jīng)《理化檢驗·化學分冊》、《JWARP》報道后得到國內(nèi)外廣泛的轉(zhuǎn)錄引用[15-17].

3.2 以近紅外光譜分析技術(shù)測定天然藥用植物中多種活性成分的研究

利用近紅外光譜分析技術(shù)對各種天然藥用植物進行品質(zhì)和產(chǎn)地鑒定，以及對中成藥的活性成分發(fā)展了快速檢測.根據(jù)近紅外光譜分析技術(shù)的特點，建立天然藥用植物和中成藥的多種活性成分與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間的數(shù)學關(guān)聯(lián)模型，從而建立起其中多種組分的定性鑒別和定量測定的新方法[18].至今為止，我們已經(jīng)建立了近紅外光譜快速分析檢測藿香正氣液、黃芪精口服液、通天口服液等九種中成藥口服液以及藥丸、片劑的活性成分，對三峽庫區(qū)盛產(chǎn)的黃蓮、虎杖等二十多種地方天然藥用植物進行品質(zhì)和產(chǎn)地鑒定，同時開發(fā)集成了天然藥用植物的近紅外光譜圖數(shù)據(jù)庫.為進一步實現(xiàn)中藥現(xiàn)代化的質(zhì)量監(jiān)控研究奠定了基礎，并對中藥化學動力學和藥理學的研究提供科學依據(jù)[19].

3.3 以近紅外光譜分析技術(shù)測定農(nóng)副產(chǎn)品品質(zhì)的多種成分的研究

利用近紅外光譜分析技術(shù)對地方農(nóng)副產(chǎn)品如涪陵榨菜和山地烤煙品質(zhì)進行分析測定，通過實驗采集榨菜和烤煙品質(zhì)指標的近紅外光譜圖數(shù)據(jù)，建立榨菜品質(zhì)指標與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間的關(guān)聯(lián)模型，建立對榨菜中多種指標的定性鑒別和定量測定的新方法，并開發(fā)近紅外光譜分析測定榨菜品質(zhì)的簡便快速、在線及無損檢測的實用技術(shù).對享有中國榨菜之鄉(xiāng)涪陵的榨菜做了深入的研究，利用近紅外光譜技術(shù)評價涪陵榨菜品質(zhì)，同時測定了涪陵榨菜中果膠和總糖的含量，快速鑒別涪陵榨菜品牌的研究[20].

4 “近紅外光譜檢測技術(shù)研究及其應用”創(chuàng)新團隊的研究拓展

目前，創(chuàng)新團隊將繼續(xù)發(fā)展對三峽庫區(qū)生態(tài)的各種環(huán)境指標、區(qū)域天然植物的藥用成分和地方農(nóng)副產(chǎn)品質(zhì)地檢測的研究工作，并致力于更深入的與太極集團、涪陵烏江榨菜集團合作，力爭盡快把近紅外在線檢測推廣應用到制藥和農(nóng)副產(chǎn)品加工的生產(chǎn)線上.拓展近紅外光譜的研究工作如下:

①加強基礎研究，攻克近紅外光譜分析理論上的局限.如近紅外光譜與分子結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)，近紅外光譜與其它光譜的聯(lián)系，近紅外光譜技術(shù)與其它分析技術(shù)的聯(lián)用.這些研究工作的突破都有可能推進近紅外光譜分析技術(shù)更加完美和更為廣泛的應用.

②加強應用推廣，促進近紅外光譜分析的實際應用.結(jié)合我們已在環(huán)境監(jiān)測分析、中成藥活性成分分析和榨菜品質(zhì)分析上做了大量的前期研究工作，期待把近紅外光譜分析的實用技術(shù)真正推廣到實際生產(chǎn)線上，建立一些實際分析模式，利用近紅外光譜分析的優(yōu)勢，切實解決實際應用上的難題.

③加強自主創(chuàng)新，開發(fā)和改進近紅外光譜分析的軟硬件.要加快推廣近紅外光譜分析應用，發(fā)展普適的近紅外光譜儀器和便攜式分析儀器，以及對某些專門特殊的儀器的改進；建立適宜篩選各種算法的建模軟件，建立普適的分析模型；研究改進適應各種分析對象的光譜采集手段.

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