近紅外光譜技術在化學分析方面的應用分析

＊羅玨 祝媛媛

（湖北大學知行學院生物與化學工程學院 湖北 430000）

作為一種間接分析的方式，近紅外光譜分析方法是化學計量、光譜衡量學、基礎測量學等多種技術的有機合成，其能夠對樣品進行高效、快速的定量或者定性分析。對比傳統的分析技術，目前近紅外光譜技術可以通過近紅外光譜對樣品進行簡單測量，只需要花費短短的幾秒至幾分鐘，就可以對幾種乃至幾十種的樣品性質數據進行測量，而是測量所用的樣品數量較小，不會對其造成破壞，而且沒有污染性，具有綠色、環保、高效等優勢。所以，在石油化工、醫藥、農業等等多個領域之中，近紅外光譜分析技術具有廣泛的應用。

1.現代近紅外光譜技術

(1)近紅外光譜技術發展歷程

最早使用近紅外光譜技術開始于1939年，在隨后的二十年內，由于基礎儀器缺乏，應用的范圍非常有限，直到二十世紀六十年代，美國研究人員提出NIR分析技術，也就是通過近紅外區內的波長和物質含量之間吸收存在相應的關系，利用該技術對農副產品中的蛋白質、脂肪、水分等進行測定，成為實際意義上的應用這種技術。從二十世紀八十年代以來，隨著計算機技術的不斷提升，極大地促進了數字化分析儀器的程度，很好的發展了化學計量科學，再加上這種測量技術對相應的樣品不造成損傷的優越性，讓其廣泛的應用于多個方面，尤其是二十世紀的最后十年，由于在光纖中近紅外線的傳輸特性非常顯著，因此在各個領域之中在線分析成功應用。

(2)近紅外光譜分析技術特點

這種分析技術主要是以下幾個方面的特點：

其一，是具有較快的測試速度，讓測試周期進一步縮短。由于一般情況下在一分鐘內可以完成光譜的測量，甚至有的多通道儀器可以在一秒鐘內完成這些情況，通過校正模型的建立，能夠對樣品的性質、組成等迅速的測定。

其二，具有較高的分析效率，只需要進行一次光譜測量就可以把相應的校正模型予以建立，可以多一個樣品的性質、組成等進行測定。

其三，具有較低的分析成本。在分析過程中，近紅外光譜事實上并不消耗樣品，自身除了消耗一定的電能外并不需要消耗其他內容，對比常用的參考方式和相應的標準來講，可以大幅度降低測試的費用。具有優越的測試重現性，由于光譜測量具有較強的穩定性，人為因素并不會對測試結果造成影響，比較相似參考和標準方法，這種測試方式的重現性效果更好。

其四，一般情況下并不需要預處理測量的樣品，這種測量方式更為方便，可以借助相應的測試設備對固態、液態、半固態等不同狀態的樣品進行直接測量。

其五，分析能夠實時在線進行，因為在光纖之中近紅外光譜的傳輸性能非常優越，在光纖的作用下可以實現遠距離的對樣品進行采集，以光譜信號的形式把測量的結果向儀器傳輸，通過校正后的計算模型可以把測試樣品的性質、組成等結果予以顯示。

其六，該技術是典型的無損分析技術，在測量過程中這種測量方式不對樣品予以消耗，對樣品不管是外觀還是內部都不會影響到樣品，正是由于這種特性，在醫藥領域、活體分析等越來越多的應用這種技術。

(3)近紅外光譜存在的不足

其一，近紅外光區一般在寬峰或者重疊峰下面藏有振動譜，這也就導致近紅外光譜和中紅外光譜具有截然不同的信息特征。要想對近紅外光譜的歸屬加以精確非常的困難，因為每一個近紅外光譜帶可能是多個不同的組合。其二，對近紅外普帶位置造成影響的因素非常多，比如溫度、溶液稀釋、氫鍵等，這些都會移動普帶。其三，作為一種間接測量技術，近紅外快速檢測技術的準確度主要對標準方法提供的數據和相應的數據模型具有較強的依賴性。而數學模型、標準方法數據測定等準確性表示算法是否合理，這對這種技術的精確度有直接的影響。

2.我國近紅外光譜技術研究狀況

國內從二十世紀八十年代開始研究近紅外光譜技術，首選是在分析農產品品質上應用的。當時我國曾經在國家層面把研究近紅外定標軟件列入國家攻關計劃之中，對幾十家研究所進行組織，研究農產品、飼料等上百個項目的定標工作，之后還對濾光片式NIR分析儀進行研究，這些工作為接下來國家研究NIR奠定雄厚的基礎。但是由于受限于軟件技術、硬件技術水平，并沒有廣泛的應用建成的相關模型，也沒有很好的對其進行應用和推廣，因此停滯了NIR的研究，閑置了很多和此相關的相應儀器，浪費很大。直到二十世紀最后的五年時間，北京蔬菜研究中心在分析蔬菜、水果品質上開展很多工作，對幾十個數學模型加以研究，在培育西紅柿、大白菜等新品種上扮演了重要的角色。

相關人員在近紅外光譜的幫助下，對蠶繭性別進行判斷。最近幾年，中國石油化工科學院在監控煉油過程中的多個指標上應用NIR技術，在充分利用現有NIR光譜儀的基礎上，還提出使用固定光路等儀器進行檢測的技術措施，并把樣機研制出來形成自身也有的專利技術。事實上國家對研究和應用NIR技術非常重視。

從整體上來看，雖然國內在研究NIR技術領域某些方面已經處于國際先進水平，但是和國際水平相比，總體情況還有一定的不足。因此需要在全國范圍內強化合作協同，構建研究NIR研發中心，把具有雄厚經驗的學者專家集中起來，對現有的樣品資源、資金等充分的運用，一方面，對數據庫模型進行充實和完善，另一方面，對現場便攜式使用的近紅外光譜儀器加以開發運用，通過現代化完善的網絡技術為基礎，構架更多的共享終端，借此使用更多的數學模型，對終端樣品信息予以深入的豐富，對現有的模型不斷完善和修正，這樣才能真正的提升NIR技術，應用近紅外光譜技術，確保其在各個領域之中廣泛的應用。

3.近紅外光譜技術在化學分析方面的應用

對比傳統化學分析技術，這種分析技術具有較快的分析技術，能夠實現瞬時分析，具有優質的分析效果，能夠全面提升分析的質量，因此在各行各業化學分析方面廣泛的應用。

(1)在石油化工方面近紅外光譜分析技術的應用

不管是煉制石油還是加工使用等多個環節，近紅外光譜的應用非常廣泛，對石油化工行業來講具有較強的促進性，比如通過這種技術可以對石油中各種物品進行相關參數的測量。在處理樣品上，近紅外光譜也具有較強的優越性，其廣泛應用于合成高分析和其加工過程之中，比如借助這種技術對單體的純度進行測量、分析單體在聚合物中殘留的量等。同時，在聚合物工業中，近紅外光譜的應用范圍主要在以下幾個方面：其一，檢測聚合過程；其二，測定聚合物化學組成；其三，測定聚合物的結構；其四，測定聚合物的相關指標；其五，判斷分析聚合物的種類。

(2)在藥物分析方面近紅外光譜分析技術的應用

隨著各項技術的不斷發展和進步，近紅外光譜光纖技術有很大的提升，和有效的化學計量學相配合，在制藥工業的多個領域之中近紅外光譜技術有較強的滲透性。最近幾年，在中藥領域已經開始引入近紅外光譜技術，比如在辨別中藥真偽、分析產地、測定中藥成分等有很大的進展和提升。由于這種分析技術無損的特性，因此通過其檢測不僅可以把藥物的質量予以保留，還能夠自動化控制生產藥物過程中的質量，確保藥物產業獲得快速發展和進步。

事實上早在二十世紀六十年代后半葉在分析藥物過程中就開始使用近紅外光譜技術，當時一般通過萃取液的形式測定藥物的成分。目前，在生產藥物全過程中近紅外光譜技術已經全過程應用。在醫藥分析時應用近紅外光譜技術主要有以下幾個方面：分析藥物中的活性成分，比如分析咖啡因等含量。使用這種技術分析藥物活性成分也有一定的不足，主要是分析過程需要有一定的最低含量要求，一般情況下測量最低限度為0.11%。通過這種分析技術的應用，提升了藥物分析的質量和效果，讓這種技術不再僅僅在實驗室中應用，而是廣泛的參與到生產實踐之中。對成品藥物質量檢驗來講，成品藥物的無損形態計量分析，對檢驗成品藥物的質量非常的重要，由于具有非常容易實現的現場分析技術，從而盡可能降低不合格藥物的批次和數量。

(3)在食品農業科學中近紅外光譜技術的應用

事實上，這種技術最早應用的領域就是農產品分析，主要是對相應的農產品進行分析，測定相關物品的含量。當下這種技術也應用于測量食品質量之中，主要是測定淀粉、水果品質等之中。其實，近紅外光譜技術也是檢測肉類品質的首選方式，通過相應的測量，能夠得出肉中水、蛋白質、脂肪等的含量，不僅準確而且方便。

4.結束語

根據上文的論述，目前在多個領域已經廣泛的應用遠紅外光譜技術，隨著我國技術水平的不斷提升，近紅外光譜技術會在越來越多的領域中應用，檢測速度會進一步加快，質量會切實提升。