近红外光谱技术原理与应用研究.doc

近红外光谱技术原理与应用研究摘要 近红外光学高通量无损检测是本人研究生阶段的研究课题，它是基于近红外光谱分析技术实现对作物单籽粒化学成分进行无损、高通量分析。这项技术是近年来发展较快的光学检测技术之一，和其他光电检测技术存在一些原理、方法上的联系。本文对近红外光谱技术近年来的发展情况进行了调研，并从原理、优缺点两个方面对这项技术进行了研究，最后对近红外光谱技术以后的发展以及将会面临的问题进行了展望。关键字： 近红外、光谱、化学计量、建模1. 近红外光谱技术的发展历程近红外光谱技术是一种高效快速的现代分析技术，它综合运用了计算机技术、光谱技术和化学计量学等多个学科的最新研究成果，以其独特的优势在多个领域得到了日益广泛的应用。近红外区域是波长在7802526nm范围内的电磁波。由于物质在该谱区的倍频和合频吸收信号弱，谱带重叠，解析复杂，受当时的技术水平限制，近红外光谱的发展也一直停滞不前。直到20世纪50年代，随着商品化仪器的出现，近红外光谱技术曾经在农副产品分析中得到广泛应用。到60年代中后期，随着各种新的分析技术的出现，近红外光谱技术和经典近红外光谱分析技术相比，暴露出的灵敏度低、抗干扰性差的弱点，该技术在分析测试中的应用再次被淡漠。直到80年代后期，计算机技术的迅速发展，带动了分析仪器的数字化和化学计量学的发展，使得通过化学计量学方法解决光谱信息提取和背景干扰取得了良好效果；加上近红外光谱在测样技术上所独有的特点，近红外光谱的价值被重新认识，近红外光谱在各领域中的应用研究陆续展开。进入90年代，近红外光谱在工业领域中的应用全面展开，有关近红外光谱研究及应用的文献也大幅增加，成为发展最快、最引人注目的一门独立的分析技术。由于近红外光在常规光纤中具有良好的传输特性，近红外光谱在在线分析领域也得到了很好的应用，并取得良好的社会效益和经济效益，近红外光谱技术全面发展起来。无论是在定性方面还是定性方面，近红外光谱技术在食品、医药、石油工业、高分子领域等各个领域都得到了很好的应用，并且在在很多领域利用近红外光谱的标准方法以及接近成熟。2. 近红外光谱技术原理及特点2.1 近红外光谱技术的原理随着人们对食品安全的日益重视，粮食作物的检测技术不断发展，除传统的化学方法外，一些先进的新技术或者其他领域的技术也都有所引入，如计算机视觉、液相色谱、随机扩增多态性DNA技术等。而其中一些检测方法和检测仪器因检测速度慢、有损、效率低、成本高等原因不能满足粮食作物检测的要求。近红外光是波长在7602 500nm范围内的电磁波，介于可见光与中红外光之间。当近红外光照射到由一种或多种分子组成的物质上时，如果物质分子为红外活性分子，则红外活性分子中的键与近红外光子发生作用，分子振动、转动的状态变化，分子振动或者转动状态在不同能级间的跃迁产生近红外光谱吸收。在近红外光谱范围内，测量的主要是分子中含氢官能团振动的倍频及合频吸收。根据各含氢基团的近红外吸收特点就可以来检测农产品中含有氢基团的蛋白质、脂肪、水分、氨基酸、淀粉、糖、酸等成分。在农业领域该技术不但可用于谷物和水果的蛋白质、有机酸、脂肪、淀粉、糖、水分以及其他营养成分的分析，还适用于其他各种农副产品品质分析，如饲料、食品、蔬菜、烟叶等。2.2 近红外光谱分析技术的优缺点近红外光谱分析技术之所以能在短短的10年内，在众多领域得到应用，进而在数据处理及仪器制造方面有如此迅速的发展，主要是因为它在有机化合物的分析测定中有诸多独特的优越性；当然，近红外光谱分析技术同样存在固有的缺点。2.2.1近红外光谱分析技术的优点（1）分析速度快光谱的测量过程一般可在12 min内完成，通过建立的定标模型可迅速测定出样品的化学成分或性质。（2）分析效率高通过一张光谱的测量和已建立的多个定标模型，可同时对样品的多种成分和性质进行测定。（3）非破坏性分析技术近红外光谱测量过程中不损伤样品，从外观到内部都不会对样品产生影响，鉴于这一点该技术在活体分析和医药临床领域正得到越来越多的应用。（4）分析成本低、无污染在样品分析过程中不消耗样品本身，不使用任何化学试剂，分析成本大副度降低，且对环境不造成任何污染。（5）样品一般不需预处理，操作方便由于近红外光较强的穿透能力和散射效应，根据样品物态和透光能力的强弱可选用透射和漫反射测谱方式。通过相应的载样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状类等不同物态的样品。（6）测试重现性好由于光谱测量的稳定性，测试结果较少受人为因素的影响，与标准或参考方法相比，近红外光谱一般显示出更好的重现性。（7）便于实现在线分析由于近红外光谱在光纤中良好的传输特性，通过光纤可以使仪器远离采样现场，很适合于生产过程和恶劣、危险环境下的样品分析，实现在线分析和远程监控。2.2.2近红外光谱分析技术的不足（1）近红外光谱分析测试的灵敏度相对较低这主要是因为近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低，一般近红外倍频和合频谱带强度是其基频吸收的十万分之一。所以对组分的分析而言，其含量一般应大于0.1%才适合采用近红外光谱分析技术。当然这个数值并不是理论限值，随着近红外分析技术的不断发展，相信它的最小检出限还将会有所突破。（2）近红外光谱分析技术属于一种间接分析技术，且前期投入较多因为需要选取大量代表性样品进行化学分析，提供其组分或性质的已知数据来建立和维护模型，所以需要较多的化学分析知识、分析费用和时间。另外，近红外光谱分析结果的准确性与定标模型建立的质量和模型的合理使用有很大关系。（3）由于分析必须要依赖模型，所以近红外光谱分析技术不适合作为样品和所测项目经常变化的分散性样品检测的手段。3. 近红外光谱技术的发展趋势及难点展望近红外光谱分析技术可快速、准确分析多组成分的含量，是对农产品组成成分定性、定量分析的有效手段之一。在粮食作物的检测中，近红外光谱分析技术较人工和其他方法有其快速、易用、准确、低成本等优势，因而该技术在粮食作物品质品种检测等方面有广阔的应用前景。但在实际应用时尚存在一些难点，针对这些问题，需进行更加深入的研究:近红外光谱检测技术结合了光谱技术与化学计量学方法。光谱数据能提供待检样品丰富的光谱信息，可用来对样品进行判别、分类、识别、量化分析。但是，需要针对不同检测对象选用合适的光谱数据的预处理方法。建立检测模型一般需要有经验的专业人员和来源丰富的有代表性的样品，并配备精确的化学分析手段，每一种模型只能适应一定的时间和空间范围，因此需要不断对模型进行维护，用户的技术会影响模型的使用效果。农作物的品种多样性、形状各异性、内部成分的复杂性等因素，都不同程度地限制了近红外光谱检测技术的发展和推广应用，实现作物在线检测分析工作难度大。建立标准统一化模型，消除模型的不同带来的检测不统一，逐步实现网络化，突破不同地域的空间限制。相对于其他检测仪器，近红外仪器的价格比较高，不利于推广应用，因此需开