淺談近紅外光譜分析技術(shù)在飼料成分分析中的應(yīng)用

郭維軍

引言

近紅外光譜（NIRS）分析技術(shù)對(duì)飼料樣品的測(cè)定主要是依據(jù)飼料樣品中的有機(jī)成分對(duì)近紅外光的吸收。在飼料成分分析中，具有分析速度快、檢測(cè)成本低、易操作性等方面優(yōu)勢(shì)。

1 基本原理

近紅外光譜（NIRS）是一種電磁波譜，在紫外可見(jiàn)光和中紅外光之間，其波長(zhǎng)范圍是700-2500nm，具有光的波粒二象性。近紅外光譜 （NIRS）分析技術(shù)的主要信息來(lái)源是有機(jī)物分子中C-H、N-H和O-H等含氫基團(tuán)的倍頻與合頻振動(dòng)，不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基，苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯差別，因此非常適合用于碳?xì)溆袡C(jī)物質(zhì)的組成與性質(zhì)測(cè)量。但在近紅外區(qū)域，吸收強(qiáng)度弱，靈敏度相對(duì)較低，吸收帶較寬且重疊嚴(yán)重。因此，依靠傳統(tǒng)的建立工作曲線方法進(jìn)行定量分析是十分困難的，化學(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展為這一問(wèn)題的解決奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。近紅外光譜技術(shù)是由光譜儀硬件、化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)三部分構(gòu)成。近紅外光譜儀硬件用于測(cè)定樣本的光譜，化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件用于建立數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)庫(kù)用于待測(cè)樣本定量或定性分析。其工作原理是，如果樣品的組成相同，其光譜也相同，反之則不同。如果我們建立了光譜與待測(cè)參數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系（稱為定標(biāo)模型或數(shù)據(jù)庫(kù)），那么，只要測(cè)得樣品的光譜，就能很快得到所需要的質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。

2 在飼料成分分析中的應(yīng)用

我國(guó)是飼料大國(guó)，確保飼料優(yōu)質(zhì)安全是實(shí)現(xiàn)動(dòng)物性食品安全的關(guān)鍵。傳統(tǒng)的飼料檢驗(yàn)前處理過(guò)程復(fù)雜，檢測(cè)成本較高，需要專業(yè)人員操作。近紅外光譜分析技術(shù)在分析速度、檢測(cè)成本、操作性等方面具有明顯優(yōu)勢(shì)。

近紅外分析儀在飼料成分分析中的應(yīng)用包括水分、粗蛋白、粗纖維、粗脂肪、氨基酸、維生素、鈣、磷、粗灰分、酸性和中性洗滌纖維等。其對(duì)飼料樣品的測(cè)定主要是依據(jù)飼料樣品中的有機(jī)成分對(duì)近紅外光的吸收。目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上生產(chǎn)的近紅外光譜分析儀的軟件功能都較為完善，選用適合的儀器，可以使檢驗(yàn)過(guò)程快速，便捷。上機(jī)檢測(cè)前需對(duì)樣品進(jìn)行研磨粉碎，粉碎粒度會(huì)直接影響檢測(cè)結(jié)果。樣品分析過(guò)程中要控制環(huán)境溫度及濕度，操作條件和過(guò)程根據(jù)儀器制造商或供應(yīng)商的儀器使用說(shuō)明執(zhí)行。在檢驗(yàn)過(guò)程中，如果樣品檢驗(yàn)誤差超出規(guī)定范圍，說(shuō)明該樣品不適應(yīng)此定標(biāo)，可將此類樣品收集進(jìn)數(shù)據(jù)庫(kù)，（此過(guò)程可聯(lián)系近紅外分析儀技術(shù)工程師進(jìn)行遠(yuǎn)程操作）。樣品分析結(jié)果應(yīng)該在所使用的定標(biāo)模型范圍內(nèi)方可為有效結(jié)果。

3 優(yōu)點(diǎn)和局限性

近紅外光譜分析測(cè)量速度快，分析效率高，分析結(jié)果的重復(fù)性和再現(xiàn)性好，適用于大批量檢測(cè)，可多組分同時(shí)測(cè)量，采用化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立模型測(cè)量準(zhǔn)確性高，不需要化學(xué)試劑，不破壞樣品，因此對(duì)環(huán)境無(wú)污染，可采用光纖傳輸技術(shù)（適用于在線環(huán)境較為苛刻的場(chǎng)合），儀器耗損小。因此，開(kāi)展近紅外光譜分析方法為飼料檢測(cè)提供了一種新型快速、無(wú)損、環(huán)保并且適用于現(xiàn)場(chǎng)分析的檢測(cè)方法。近紅外分析與常規(guī)的標(biāo)準(zhǔn)分析方法配合使用，起到雙方互補(bǔ)的作用，不僅能夠快速提供分析數(shù)據(jù)，同時(shí)也節(jié)省了分析化驗(yàn)費(fèi)用（包括人力、設(shè)備，和試劑等），為科研、教學(xué)以及生產(chǎn)過(guò)程控制提供了一個(gè)十分廣闊的使用空間。

近紅外光譜分析技術(shù)在應(yīng)用中也受很多因素的影響，有其局限性。近紅外光譜定量和定性分析幾乎完全依賴于校正模型（即數(shù)據(jù)庫(kù)），儀器配備的模型數(shù)目越多，得到的數(shù)據(jù)就越多。比如測(cè)量一張光譜圖，如果僅有一個(gè)模型，就只能得到一個(gè)數(shù)據(jù)，如果有10 種數(shù)據(jù)模型，那么，僅憑測(cè)量的一張光譜，就可以同時(shí)得到 10 種分析數(shù)據(jù)。因此，在日常分析過(guò)程中，要及時(shí)選用具有代表性的樣品，不斷完善擴(kuò)充飼料模型數(shù)據(jù)庫(kù)，使檢驗(yàn)更具廣泛性。

綜上所述，近紅外光譜分析技術(shù)尤其適合高度頻繁重復(fù)測(cè)量的快速分析場(chǎng)合，即分析對(duì)象的組成具有相對(duì)強(qiáng)的穩(wěn)定性、一致性和重復(fù)性。目前，很多飼料企業(yè)都投資配備了近紅外光譜分析儀，近紅外光譜技術(shù)結(jié)合各種化學(xué)計(jì)量分析技術(shù)，已經(jīng)在飼料行業(yè)的多成分分析及摻假識(shí)別方面進(jìn)行了廣泛的應(yīng)用。

作者單位：遼寧省錦州市動(dòng)物疫病預(yù)防控制中心endprint