近红外光谱分析技术掀起分析效率革命

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近红外谱区早在 1 8 0 0 年就被发现。但是 , 受当时光谱仪性能和信息提取技术条件的限制 , 在中红外光谱技术快速发展期间 , 近红外光谱分析技术应用并不多。不过 , 由于早期科学家使用近红外光谱和多元线性回归分析进行水分、蛋白和脂肪含量测定取得的研究结果, 激励人们对近红外光谱分析技术进行不断地研究。随着计算机技术的高度发展和化学计量学学科的诞生 , 近红外与之结合产生了现代近红外光谱分析技术。


近年来 , 尤其是近 1 0 年 , 近红外在仪器、软件和应用技术上获得了高度发展 , 以高效和快速的特点异军突起 , 曾被誉为分析巨人。如在事先建立好校正模型的基础上 , 一个人使用一台近红外光谱仪仅需 2 分种即可完成一个样品的全性质 ( 十几种 ) 的测量。与传统分析方法相比 , 分析工作效率具有划时代的改变。近红外光谱仪除消耗少量电能外 , 不消耗任何试剂、标准物质和设备零件 , 被测样品量仅为几毫升 , 极为经济。


一台近红外光谱仪用于控制分析 , 可以替代多种多台分析仪器 , 节省了大量设备、人力和物力。因此 , 近红外光谱技术的应用将使许多化验室的繁忙状况得以改观。近红外光谱仪用于过程分析 , 可及时反馈分析数据 , 实现装置的平稳运行和质量卡边操作 , 可产生巨大的经济效益和社会效益。近红外光谱为分子振动光谱的倍频和组合频谱带 , 主要是含氢基团 ( C - H , O - H ,N - H , S - H ) 的吸收。


近红外光谱包含了绝大多数类型有机物组成和分子结构的丰富信息 , 不同的基团和同一基团在不同化学环境中的吸收波长有明显差别 , 可以作为获取组成或性质信息的有效载体。近红外吸收系数小 , 样品不经稀释直接测量 , 可分别用 0 . 5 ~ 1 0厘米和 0 . 1 ~ 0 . 5 厘米长的测量池。样品池可用玻璃窗片 , 操作很方便。但近红外各谱带宽和交叠多 , 使用传统方法 ( 工作曲线 ) 难以进行定性和定量分析。现代近红外光谱分析依靠化学计量学和计算机技术有效地克服了这一局限。近红外光谱不仅能够反映绝大多数的有机化合物的组成和结构信息 , 而且对某些无近红外光谱吸收的物质 ( 如某些无机离子化合物) ,也能够通过它对共存的本体物质影响引起的光谱变化 , 间接地反映它存在的信息。


加上近红外光谱可测量形式如漫反射、透射和反射 ,能够测定各种各样的物态样品的光谱 , 因此 , 近红外光谱分析已被广泛地应用到石油化工、农业、食品、生化、医药临床、造纸和环保等领域。石化 : 大多数石油产品组成为碳氢化合物 , 特别适合于作近红外光谱分析。近红外光谱可以快速分析原油、汽油、航煤、柴油、润滑油、渣油和沥青等的组成及各种物化性质 , 如辛烷值 , 馏程 , 密度 , 蒸汽压、冰点、凝点、十六烷值、闪点、蜡含量等。可分析高聚物的组成和平均分子量、物性 ( 拉伸强度、熔融指数、延伸度 ) 等。可以测定尼龙 6 和尼龙 6 6的结晶度 , 生产工艺中多体系的已内酰胺含量 , 表面活性剂羟值等。用常规分析方法分析这些指标需要大量时间 , 并且要把样品破坏 , 而用近红外分析快捷还可在线分析。农业 : 近红外光谱可以快速测定谷物和麦子的蛋白、脂肪和水分含量和硬度等性质。美国官方检测机构在谷物市场采用近红外光谱仪 I n f r a t e c M o d e l s 1 2 2 5 和 12 2 6 作为检测麦蛋白、豆蛋白和油脂含量的标准仪器 , 替代了传统的费时费力的克氏定氮和油脂抽提分析方法 , 每年平均分析 1 6 5 0 0 个豆样品 , 5 0 0 0 0 0 个麦样品。


我国曾在小麦优良品种的筛选工作中使用了近红外光谱快速分析技术 , 大大提高了工作效率。加拿大谷物研究实验室使用近红外光谱快速测定硬质小麦的黄色颜料含量 , 分析结果与标准方法测定结果十分符合 , 对于硬质小麦的筛选可提高工作效率。近红外光谱在农业中的应用最早, 分析的项目种类很多 , 如谷物产品缺陷和污染 ( 杂种、虫害等 ) 分析、家畜饲料品质分析, 作物年龄测定、水果品质 ( 甜度、脆度和口感 ) 和蔬菜等级检验、棉花和木材的等级测定、烟草品质及成分测定等 , 替代传统分析方法 , 大大节约时间和分析费用。


生命科学与医药 : 近年来近红外光谱分析技术在生命化学和医药领域的应用十分活跃 ,其用于人体分析最引人注目的优点是不需要做任何样品处理准备 , 对人身体无任何探伤和损害。可以用于皮肤组织受外界环境影响 ( 如阳光照晒和水洗等 ) 的变化、检测乳癌、血色素测定、临床分析 ( 血清中葡萄糖浓度、总蛋白、白蛋白、球蛋白、胆固醇等 ) 、人体血清中脂蛋白、人体体液成分分析、人体内血液中的氧含量等分析。


近红外光谱可以直接进行活体无探伤检测 , 使过去无法开展的研究工作成为可能 , 对生命化学和临床研究具有重大意义。在制药工业中 , 需测定活性组分含量和其他组分含量进行质量控制。传统使用如薄层色谱、高效液相色谱、原子吸收、质谱和红外等方法检验 , 样品制备过程复杂 , 步骤多 , 需要很多昂贵仪器 , 费时费力。近红外光谱分析技术可以替代许多分析 , 大大简化了常规分析的步骤, 提高了分析工作效率。


现在已经有很多种在线近红外光谱分析技术用到各种制药工艺上。在国际上近红外光谱分析技术发展很快 , 除了一般实验室通用的光谱仪外 , 还有为满足不同的需要设计很多专用近红外光谱测定仪和软件大量面市。由于工业发达国家特别重视提高生产效率 , 近红外光谱分析技术具有显著提高分析效率的潜力 , 对降低人工和生产成本有很大作用 , 因此 , 深受广大用户的青睐 , 技术普及率很高。近年来 , 国内对此认识也在不断地加深 , 从仪器的研制和应用有了很大发展。近红外光谱快速分析技术已经悄然走入各个领域 , 不断地改变着实验室的分析面貌 , 在线近红外光谱分析的应用已给工业带来巨大的经济效益和社会效益 , 随着技术和市场经济的不断发展 , 近红外光谱分析技术正在掀起一场分析效率的革命。


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