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芦永军 博士学位论文 摘要 近红外光谱分析技术及其在人参成份分析中的应用研究 研究生部芦永军 导师：陈星旦院士 摘要 作者攻读博士学位期间在导师陈星旦院士指导下长期从事近红外光谱分析技术的研究和 仪器的研制开发工作。分立型近红外光谱仪( 如滤光片型、二极管列阵型、l d 列阵型等) 目 i u 仍然是商用近红外光谱仪的主流产品，本文就该型仪器研发目前存在的主要问题给予了较 为深入的研究和探讨，论文中着重体现了该分立波长型近红外光谱分析仪研发过程中存在的 主要问题的解决办法，其中在样品优选算法、波长优选方法、定标模型优化等问题上提出了 自己独特的想法并予以实验验证，结果是比较满意的。提出了定标和预测样品集优选算法解 ：决了超大样品集定标模型的简化问题，该算法的引入可以有效提高仪器调试的效率，可以通 l ：j = 大定标样品集的优选来提高定标效率。首先提出了将组合数学中的组合生成算法引入到近 芝 外光谱分析技术中来实现了计算机定标波长优选和定标模型自动优化思想，由于采用了以 堪有代表性的预测样品集所给出的预测标准差最小为判据，得到的定标模型可以保持长期的 急定性而且给出了较高的预测精度，是定标过程方法的较大改进和完善。 为了拓展近红外光谱分析技术的应用领域，论文中另一重点将近红外光谱分析技术用于 参成份定量检测和定性分析中，对人参这个在我国产量很大的中药品种进行了详尽的光谱 浮析和定标分析以挖掘人参各成份的化学信息与近红外光谱信息之间的相关关系，对于研制 l 参成份近红外分析仪工作提供了实验依据和理论指导。 关键词：近红外，人参，定量，光谱 a b s t r a c t ( o p tc s ) m a s t e rd e p a r t m e n tl uy o n g j m r d ir e t t e db ya c a d e m i o i a nc h e nx in g d a n f o rs e v e r a ly e a r st h ea u t h o rh a sb e e ne n g a g e di nt h ew o r ko fr e s e a r c ht ot h en e a r - i n f r a r e d s p e c t r o s c o p ya n di n s t r u m e n t a t i o nd i r e c t e db ym yr e s p e c t e dt u t o ra c a d e m i c i a nc h e nx i n g d a nw h o h a sm a j o r e di nt h i sf i e l df o rt w e n t yy e a r so rs o d u et ot h ef a c tt h a tt h es p e c t r o m e t e r sw h i c hd o n to p e r a t ei nt h ec o n s i s t e n t l ys c a nm o d es u c h a sf i x f i l t e rs p e c t r o m e t e r , d i o d ea r r a y ss p e c t r o m e t e r ，l da r r a y ss p e c t r o m e t e ra n ds oo na r es t i l l v e r yp o p u l a ra n dt h ep r i m a r yp r o d u c t si nt h ec o m m e r c i a lm a r k e ta tp r e s e n t ，i nt h i sp a p e rd e e p e ra n d e x t e n s i v er e s e a r c ha n dd i s c u s s i o ni sm a d et ot h ep r i m a r yp r o b l e m st h a tc o n f u s i n gc u r r e n tn i r a p p l i c a t i o n b e t t e rs o l v e si n c l u d i n gt h es a m p l ea n dl 。a v e l e n g t ho p t i m i z a t i o na l g o r i t h mt ot h e s e p r o b l e m sa r ep r e s e n t e da n dv e r i f i e db ys e r i o u se x p e r i m e n t s ，s a t i s f i e dr e s u l t sa r ep r o d u c e d t h e a l g o r i t h mo fo p t i m i z a t i o nf o rc a l i b r a t i o na n dp r e d i c t i o ns a m p l e ss i m p l i f i e st h ep r o b l e mo fc h o o s i n g e f f e c t i v es a m p l e sf r o mt h ee x h a u s ts a m p l es e t t h ee f f i c i e n c yo fc a l i b r a t i o na n dd e b u g g i n gt h en i r i n s t r t u n e n t a t i o ni s g r e a t l yi m p r o v e dc o r r e s p o n d i n g l t h ec o m b i n a t i o n m a k i n ga l g o r i t h mi n c o m b i n a t o r i c si sf i r s t l yi n t r o d u c e di nt h en e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p ys ot h a tt h eo p t i m i z a t i o no f w a v e l e n g t h sc a l lb ep r o c e e d e da u t o m a t i c a l l yb yc o m p u t e rp r o g r a m m i n gc o n v e n i e n t l yd u et ot h e f a c t t h a tt h ec r i t e r i o no fj u d g i n gt h er o b u s t n e s so fc a l i b r a t i o nm o d e li sb a s e do nt h er o o tm e a n s t a n d a r de r r o ro fp r e d i c t i o n ，t h ec a l i b r a t i o nm o d e lo b t a i n e dc a nb er o b u s ti nt h el o n gr u na n db e t t e r a c c u r a c yo fp r e d i c t i o nc a nb eo b t a i n e d ，a sar e s u l t ，t h i si d e ai sag r e a t e ri m p r o v e m e n tt ot h em e t h o d o fc a l i b r a t i o n i no r d e rt ob r o a d e nt h ea p p l i c a b l ef i e l do fn e a r - i n f r a r e ds p e c t r o s c o p yt h ea n o t h e r p o i n tt h a tm yp a p e rp a ya t t e n t i o nt oi st ob r i n gn i rt e c h n o l o g yt oq u a n t i t a t i v ea n a l y s i st ot h e i n g r e d i e n t s o fc h i n e s eg i n s e n g s p e c t r a la n dc a l i b r a t i o n a n a l y s i s i sm a d et o i n v e s t i g a t et h e c o r r e l a t i o nb e t w e e nt h es p e c t r a la n dc h e m i c a li n f o r m a t i o n ，i ts e r v e sa sat h e o r e t i c a lg u i d et ot h e m a n u f a c t u r eo f s p e c i a ln i ri n s t r u m e n t a t i o nt oc h i n e s eg i n s e n gi n g r e d i e n t s k e y w o r d s ：n i r ，g i n s e n g ，q u a n t i t a t i v e ，s p e c t r a i i 未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本 论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得 对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制m - 、修 改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使 用( 但纯使用不在此限) 。否则，应承担侵权的法律责 任。 长春光学糟密机械与物理研究所 博士学位论文原创性声明 本人郑重声聪：所呈交的学位论文，是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取褥的成果。 除文中已经注疆引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写过始作忍成架。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本文完全意识到本声明的法律结果由本 人承扫。 学位论文作者签名： 2 0 0 3 年月圈 芦永军博士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 近红外光谱分析技术的发展史与展望 近红外光谱区是介于中波红外谱区( m i r ) 和可见光谱区之间且光谱波长范围位于7 0 0 2 5 0 0 h m 的一段谱区，它是h e r s c h e l 在1 8 0 0 年进行太阳光谱可见区红外部分能量测量中发 现的 1 ，为了纪念h e r s c h e l 的历史性发现人们将近红外谱区中介于7 8 0 1 l o o n m 的波段 称为h e r s c h e l 谱区 2 。红外光谱分析技术作为一种有效的分析手段在二十世纪三十年代 就得到了认可，当时红外仪器主要用于分子结构理论的研究。近红外区的光谱吸收带是有 机物质中能量较高的化学键( 主要是c h 、o h 、n h ) 在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频 和差频吸收带叠加而成的。由于近红外谱区光谱的严重重叠性和不连续性，物质近红外光 谱中的与成份含量相关的信息很难直接提取出来并给予合理的光谱解析。而有机物在中红 外谱区的吸收带较多、谱带窄、吸收强度大及有显著的特征吸收性，传统的光谱学家和化 学分析家习惯于在中红外基频吸收波段进行光谱解析，所以近红外谱区在很长一段时间内 是被人忽视和遗忘的谱区 3 。 随着红外仪器技术的发展，更加稳定的电源、信号放大器、更灵敏的光子探测器、微 型计算机等的发展使得近红外光谱区作为一段独立的且有独特信息特征的谱区得到了重视 和发展。k a r ln o r r i s 作为近红外光谱分析技术发展的奠基人，于二十世纪五十年代在美 国农业部的支持下开始进行近红外光谱分析技术用于农产品( 包括谷物、饲料、水果、蔬 菜等) 成份快速定量检测的探讨研究 4 卜 9 。n o r r i s 的早期工作主要是探求合理的近红 外光谱分析方法 1 0 卜 1 3 用于研究物质在近红外光照射下所体现出的光谱吸收特性和散 射特性，他首先提出了多元线性回归( m l r ) 算法在物质成份近红外光谱定标模型建立和光 谱信息提取解析方面所体现出的优势，这为后来系统的近红外光谱技术理论体系的形成起 到了很重要的作用。二十世纪六十年代，n o r r i s 领导的课题组进行了大量的光谱学方法论 证，其中包括可见和近红外波段透射、反射及透反射等测量方法比较，在这一阶段的工作 中最大的成果莫过于得到了植物叶子 1 4 和谷物 1 5 的反射吸收光谱，这为近红外光谱技 术的发展提供了更大的优势和方便。与此同时，n o r r i s 研制出世界上第一台近红外扫描光 谱仪，这台光谱仪是在c a r y1 4 单色仪的基础上改进得到的，拥有与微型计算机进行数据 传输的功能，也就是在这台扫描光谱仪上，多元线性回归分析方法在提取与成份相关的光 谱信息方面的优势得到了演示，这台仪器就成为了后来近红外光谱分析仪器发展的雏形。 芦永军博士学位论文 近红外光谱分析技术及其在人参成份分析中的应用研究 谷物水份近红外分析仪 1 6 1 7 的研制成功及大范围的推广使用是近红外分析技术发展的 一个里程碑。水份在任何生物中都存在且有较大的比重，而且水份的近红外吸收光谱有很 强的特征性、吸收强度很高，其倍频、合频吸收带相互分离、光谱分辨率高，所以近红外 水份分析仪的分析性能较为稳定且精度很高，在近红外光谱分析仪器家族中最早得到了农 业和工业界的认可。但是事物总有两面性，水份中0 h 的强吸收特征对于物质中其它成份的 光谱分析及含量测定则形成了很强的干扰，如何排除水份吸收对各成份及其它各成份之间 的相互干扰就成为近红外光谱分析技术中的一个关键问题被提了出来，相关光谱定标分析 方法的提出有效地解决了这一问题 1 8 。s h e n k 、h o o v e r 1 9 、m c c l u r e 、h a m i d 2 0 在n o r r i s 的领导下在七十年代设计完成了可以用于草料和烟草成份定量分析的近红外光谱分析仪 器。基于前人所总结的近红外光谱分析技术经验积累以及仪器研制技术的成熟，多家公司 ( 如d i c k i e j o h n 、b r a n + l e u b b e 、t e c h n i c o n ) 加入了近红外分析仪器商业化的队伍，其中 d i c k i e j o h n 公司生产了世界上第一台商用滤光片型近红外光谱仪，b r a n + l e u b b e 生产了世 界上第一台商用光栅扫描型近红外光谱仪，在整个农业领域的各个应用方面进行近红外分 析技术的推广使用，使得该技术在农业应用领域进入了成熟期。 近红外仪器技术和定标技术的发展过程中，诸多的疑难问题被一一解决，其中包括仪 器自身的工作稳定性、待测样品的物理及化学特征对定标模型的影响、样品制备影响、环 境因素( 如温度、湿度、环境光照、振动等) 等，这些问题通过大量的实验和应用讨论已 经得到了比较满意的解释。在二十世纪八十年代前，虽然近红外分析仪器采用多元线性回 归技术建立定标模型在农业应用领域得到了较为满意的结果，但是多回归变量如何能够在 特定的组合下完成待测成分近红外光谱吸光度数据与参考化学数据之间的相关计算、各个 光谱变量与待测成分之间有如何的特征关系、样品颗粒度及散射影响所导致的不稳定性等 问题仍是急需得到合理解释的。长期以来，虽然近红外分析仪器的分析性能已经在农业领 域得到了认可，对于研究者和用户双方都把近红外分析技术作为一个较为成型的“黑匣子” 技术。直到多元统计变量方法( 化学计量学) 在八十年代得到了发展并将该方法引入到近 红外光谱解析及定标技术中来，近红外分析技术才真正达到了定标理论与实践的统一，促 进了该技术与化学计量学的并肩发展，所以八十年代被称为是“化学计量学的时代” 2 1 。 在这一时期掀起了一个采用化学计量学用于数据预处理以实现近红外光谱解析和定标模型 优化的高潮，其主要针对问题是样品颗粒度、装填密度等因素所导致的散射问题。l a nc o w e 2 芦永军博士学位论文第一章绪论 题。l a nc o w e 和j i mm c n i c o l 2 2 首先将主成份回归分析方法用于近红外光谱的数据降维 压缩处理以实现定标模型稳定，通过对回归主因子的优选达到了排除非测量因素( 如颗粒 度尺寸及分布) 和非线性因素影响的目的，达到了很好的效果。同时令他们惊奇的是，稳 定的定标模型所采用的主因子与待测成份的主要近红外光谱吸收带有很强的对应关系，对 定标模型合理性可以给出满意的解释。k a w a l s k i 和他的研究生们则首先将偏最小二乘回归 技术 2 3 应用于光谱学技术中来，但直到最近几年该技术才在近红外分析技术中得到应用 和推广。经过理论与实践的并行发展，化学计量学现在已经形成较为完整的体系，其中主 要分为定性和定量分析两个模块，h m a r k 等 2 4 2 7 对其进行了较为详细地论述。化学计量 学这一时期在近红外领域的应用和探讨可以主要集中在以下几个方面： 1 )非线性回归定标方法如人工神经网络、局部权重回归等用于多变量非线性定标 模型的探讨。 2 ) 最优定标样品集的选定方法。 3 ) 基于小波变换数据压缩技术的大定标样品集探讨。 4 )偏最t j 、- - 乘回归和其它因子回归方法在最佳因子数选取原则比较的探讨。 5 ) 定标波长通道的优选问题。 6 ) 同类型仪器的定标模型转移问题。 伴随着化学计量学技术在近红外光谱分析领域的不断发展，研究人员可以更加准确地 掌握了近红外光谱吸光度信息与物质化学成分信扈、之间的线性相关性，虽然化学计量学方 法本身的改进并没有在定量分析结果准确性方面有多大的改善 2 8 。 近红外光谱分析仪器的性能随着光学技术、电子技术、硬件技术以及计算机和软件技 术的不断进步也有了极大地改善，高信噪比的傅立叶变换型、光栅扫描型光谱分析仪研制 成功并开始进入仪器市场，滤光片型近红外分析仪的研制则进入了成熟期并成为了近红外 仪器中的主流产品。与此同时，近红外光谱分析技术在除农业以外的其他领域( 如纺织业、 化工业、制药业、造纸业等) 也进入了实际应用阶段，尤其是在工业现场分析、在线质量 监控等方面该技术显示了其独有的优势。进入九十年代，许多基于不同分光原理的新型近 红外分析仪器如二极管列阵型、声光调制型、成像光谱型等出现了，这些仪器在快速现场 实时测量方面有很好的发展潜力，是当代近红外光谱分析仪器发展的典型代表。 近红外光谱分析技术经过了近半个世纪的发展历程现已经成为新世纪里的最有应用前 芦永军博士学位论文 近红外光谱分析技术及其在人参成份分析中的应用研究 途的分析技术之一，许多国家现已建立了专门的科研力量进行相关应用领域仪器设备的研 发，降低仪器成本且保持足够的分析性能成为当今近红外仪器研制的主导方向。欧洲的许 多发达国家已经在多个领域内将该技术作为行业产品质量评定的标准技术，几乎完全替代 了先前广泛使用的化学分析方法，在生产效率和产品质量方面得到了很好的效果。近红外 光谱分析技术相对于其它分析方法有以下公认的优点： 分析速度快。近红外光谱分析仪一旦经过定标后在不到一分钟的时间内即可完 成待测样品多个组分的同步测量，如果采用二极管列阵型或声光调制型分析仪 则在几秒钟的时间内给出测量结果，完全可以实现过程在线定量分析。 对样品无化学污染。待测样品视颗粒度的不同可能需要简单的物理制各过程 ( 如磨碎、混合、干燥等) ，无需任何化学干预即可完成测量过程，被称为是 一种绿色的分析技术。 仪器操作和维护简单，对操作员的素质水平要求较低。通过软件设计可以实现 极为简单的操作要求，在整个测量过程中引入的人为误差较小。 测量精度高。尽管该技术与传统理化分析方法相比精度略逊一筹，但是给出的 测量精度足够满足生产过程中质量监控的实际要求，故而非常实用。 分析成本极低。由于在整个测量过程中无需任何化学试剂，仪器定标完成后测 量是一项非常简单工作，所以几乎没有任何损耗。 我国在近红外光谱分析技术方面的研究起步较晚，八十年代后期长春光机与物理研究所 承担了国家粮食局下达“八五”科技攻关项目，研制成功滤光片型饲料近红外分析仪，之后 的十年旱又相继开发出可以分析玉米、小麦、大豆等粮食作物的滤光片型近红外分析仪器， 现阶段正在从事人参、人体血糖、煤炭、蜂蜜、茶叶 2 9 3 0 等方面的研究和仪器开发工作。 与此同时，我国在石油化工领域开发出了光栅扫描型近红外分析仪用于石油成份的快速定量 检测，取得了喜的成果 3 1 卜 3 2 。目前国内近红外光谱分析技术的研究也已经相对成熟，估 计在未来几年内即可完成近红外分析仪器在各个领域的应用推广。 1 2 近红外光谱分析技术现阶段面临的主要问题 近红外光谱分析技术现阶段已相对成熟，各种不同类型和型号的近红外分析仪在国外市 场上都有销售，但是分析仪器的价格相对较高，尤其是傅立叶变换型( 如美国n i c o l e t 公司) 、 光栅扫描型( 美国f o s s 公司) 等高精度分析仪，普通商业用户难以承受，无法大面积推广。 4 ) ) ) ) ) l 2 3 4 一b 芦永军博士学位论文 第一章绪论 所以如何降低仪器研制成本并保持足够的分析精度是目前研究人员关心的主要问题之一。滤 光片型近红外光谱分析仪成本相对较低，而且定标模型的长期稳定性较好以及仪器的操作和 维护很方便，是近红外光谱仪器市场中的主流产品，该型仪器研制中定标模型的优选 3 1 3 2 以及同型号仪器间定标模型的转移问题一直以来是近红外工作者讨论的热点。近红外光谱分 析仪器的定量分析精度除了与自身的信噪比及稳定性有关外，参考理化分析方法的精度也直 接影响了定标模型所给出的测量结果精度，所以如何进步提高理化参考分析方法的精度以 提高仪器测得的近红外光谱吸光度数据与理化分析值的相关性需要等待理化学科的发展。尽 管化学计量学的发展成功地解释了定标模型波长通道信息与物质化学信息之间相关性，同时 对定标数据的前处理提高了模型的稳定性和精度，但是与直接采用光谱数据l o g ( 1 r ) 所计算 得到的结果相比较精度提高较小而且极大地增加了数据处理的复杂性，所以只有通过对物质 与光作用机制的进一步研究和理解来从根本上解决物质成份光谱之间以及外界因素对定标模 型的干扰问题。 1 3 本文研究的内容及实际意义 作者攻读博士学位期间在导师陈星旦院士指导下长期从事近红外光谱分析技术的研究 和仪器的研制开发工作，论文中着重体现了该分立波长型近红外光谱分析仪研发过程中存在 的主要问题的解决办法，其中在样品优选算法、波长优选方法、定标模型优化等问题上提出 了自己独特的想法并予以实验验证，结果是比较满意的。提出了定标和预测样品集优选算法 解决了超大样品集定标模型的简化问题，该算法的引入可以有效提高仪器调试的效率，可以 通过大定标样品集的优选来提高定标效率。首先提出了将组合数学中的组合生成算法引入到 近红外光谱分析技术中来实现了计算机定标波长优选和定标模型自动优化思想，由于采用了 以具有代表性的预测样品集所给出的预测标准差最小为判据，得到的定标模型可以保持长期 的稳定性而且给出了较高的预测精度，是定标过程方法的较大改进和完善。论文中另一重点 在于将近红外光谱分析技术用于人参成份定量检测和定性分析中，对人参这个在我国产量很 大的中药品种进行了详尽的光谱解析和定标分析以挖掘人参各成份的化学信息与近红外光谱 信息之间的相关关系，对于研制人参成份近红外分析仪工作提供了实验依据和理论指导。 论文第二章介绍了近红外光谱分析技术的物理机制及化学表征，是整个近红外光谱分析 技术的基础理论。第三章主要介绍了近红外光谱定量分析技术中现阶段常用到的光谱预处理 方法和定标回归方法，对于每一方法作者都给出了较为完整细致的阐述并运用实验方法验证 芦永军博士学位论文 近红外光谱分析技术及其在人参成份分析中的应用研究 其优缺点，其中包含了作者自己提出的一些新的定标优化方法和实验验证。第四章介绍了近 红外光谱分析技术在人参成份定量及定性分析方面的应用，通过多种光谱解析方法分析了人 参成份化学结构信息与光谱信息之间的物理相关性，运用多种定标回归分析算法对人参的三 个主要成份( 水份、总糖、总皂甙) 进行建模分析，其中包括分立波长组合优选和全光谱定 标建模分析，比较了各个模型的稳定性和定标精度。通过定标建模分析可以在全光谱范围内 解析所有波长通道对于定标模型的贡献，依据贡献量的大小可以利用组合方法或逐步多元线 性回归方法针对特定成分得到数量较少( 不超过5 ) 的波长通道组合所构建的定标模型，同 时要求模型所给出的定标和预测标准差最小，这样的建模分析是研制滤光片型近红外光谱分 析仪必备的前期工作。第五章是论文的结论部分。 参考文献 ：1 h e r s c h e lw ，p h i l o s o p h i c a lt r a n s a c t i o n so ft h er o y a ls o c i e t y ，1 8 0 0 ，9 0 ：2 5 5 2 8 3 1 2 d a v i e sfmc ，a p p l i e ds p e c t r o s c o p y ，1 9 9 0 ，4 4 ：1 4 a 3 w e t z e l ，d l t ，a n a l c h e m 1 9 8 3 ，5 5 ，l1 6 5 a 4 w h e t s e lkb ，a p p l i e d s p e c t r o s c o p yr e v i e w ，1 9 6 8 ，2 ：1 5 b i r t hgsa n dz a c h a r i a h ，t r a n s a m s o c a g r i c e n g ，1 9 7 3 ，1 6 ：3 7 1 6 w a t s o nc a n a l c h e m ，1 9 9 7 ，4 9 ：9 4 9 7 w i l lj a m spc ，s t e v e n s o nsga n di r v i n egn c e r e a lc h e m ，1 9 7 8 ，5 5 ：2 6 3 8 b i r t hga ，j f o o ds c i ，1 9 7 9 ，4 4 ：9 4 9 9 m c c l u r ew fa n dh a m i da ，a m 1 a b ，1 9 8 0 ，1 2 ：5 7 1 0 n o r r i skh ，a g r i c e n g i n e e r ( o c t ) ，1 9 5 8 ，6 4 0 6 5 7 11 n o r r iskh ，a m e r i c a ns o c i e t yo fa g r i c u l t u r a le n g i n e e r s s t j o s e p h ，m i ，1 9 6 0 ， a s a ep a p e rn o 6 0 8 1 5 1 2 n o r r i skh ，a n db u t l e rwl ，i r et r a n s b i o m e d e l e c t r o n ，1 9 6 7 ，8 ：1 5 3 1 5 7 1 3 n o r r i skh ，t r a n s a m s o c a g r i c e n g ，1 9 6 4 ，7 ：2 4 0 2 4 3 1 4 b u l t e rwl 。n o r r i skh ，a r c h i v e so fb i o c h e m i s t r ya n db i o p h y s i c s ，1 9 6 0 ，8 7 ( 1 ) ： 3 1 4 0 1 5 m a s s i edr ，n o r r i skh ，t r a n s a c t i o n so f t h ea m e r i c a ns o c i e t yo fa g r i c u l t u r e 6 芦永军博士学位论文 第一章绪论 1 6 2 0 2 l 2 2 2 3 2 4 e n g i n e e r s ，1 9 6 5 ，8 ( 4 ) ：5 9 8 6 0 0 n o r r i skh ，t r a n s a c t i o n so f t h ea m e r i c a n s o c i e t y o f a g r i c u l t u r e e n g i n e e r s ，1 9 6 2 ，5 ：1 7 - 2 0 n o r r i skh ，a g r i c u l t u r ee n g i n e e r s ( s tj o s e p h ，m i c h i g a n ) ，1 9 6 4 ，4 5 ：3 7 0 3 7 2 d a v i e samc ，g e emg ，f o s t e rpw ，l a b o r a t o r yp r a c t i c e ，1 9 8 4 ，3 3 ：7 8 8 0 s h e n kjs ，h o o v e rmr ，a d v a n c e si na u t o m a t e da n a l y s i s ，1 9 7 6 ，1 2 2 1 2 5 m e c l u r ewf ，h a m i da ，h a r d w a r e a m l 曲，1 9 8 0 ，1 2 ：5 7 6 9 r e g i n a i dhw s p e c t r o s c o p i ct e c h n i q u e s f o rf o o da n a l y s is ，1 9 9 4 ，1 6 一1 7 c o w eia ，m c n i c h o ljw ，a p p l s p e c t o s c ，1 9 8 5 ，3 9 ：2 5 7 g e l a d ip k a w a l s k ibr ，a n a l c h i m a c t a ，1 9 8 6 ，1 ：1 8 5 h m a r k ，p r i n c i p l e sa n dp r a c t i c eo fs p e c t r o s c o p i cc a l i b r a t i o n ，7 0 b nw i l e y s o n s ，n e wy o r k ，1 9 9 l 2 5 h m a r ka n dj w o r k m a n ，j r ，s t a t i s t i c si ns p e c t r o s c o p y ，a c a d e m i cp r e s s ，n e wy o r k ， 1 9 9 1 2 6 h m a r k ，“d a t aa n a l y s i s ：m u l t i l i n e a r r e g r e s s i o na n dp r i n c i p a lc o m p o n e n t a n a l y s i s ”、i n h a n d b o o ko fn e a r i n f r a r e d a n a l y s i s ( d b u r n s a n d e c i u r c z a k ， e d s ) ，m a r c e ld e k k e r ，n e wy o r k ，1 9 9 2 2 7 h r b j o r s v i ka n dh m a r t e n s ，“d a t aa n a l y s i s ：c a l i b r a t i o no fn i ri n s t r u m e n t sb y p l sr e g r e s s i o n ”i nh a n d b o o ko fn e a r i n f r a r e da n a l y s i s ( d b u r n s a n de c i u r c z a k ， e d s ) ，m a r c e ld e k k e r ，n e wy o r k ，1 9 9 2 2 8 m i l l e tce ，a p p l s p e c t o s c ，1 9 8 9 ，4 3 ：1 4 8 5 2 9 芦永军，陈华才，吕进，陈星旦，茶多酚中总儿茶素的近红外光谱分析，分析化学，已 录用 3 0 芦永军，陈华才，茶多酚中咖啡因的近红外光谱分析，光谱学与光谱分析，已录用 3 1 袁洪福，陆婉珍，石油炼制与化工，1 9 9 8 ，2 9 ( 9 ) ：2 7 3 2 袁洪福，陆婉珍，现代科学仪器，1 9 9 8 ，5 ：6 s 3 芦永军，曲艳玲，张军，朴仁官，光谱学与光谱分析，v 0 1 2 4 n o 6 p p 7 4 4 7 4 7 3 4 芦永军，张军，朴仁官，陈星旦，分析化学，已录用 7 芦永军博士学位论文 近红外光谱分析技术及其在人参成份分析中的应用研究 第二章近红外光谱学原理基础 2 1 引言 光谱学是十九世纪人类的重大发现之一，它真实地反映出物质微观结构和光相互作用的 客观规律，进而可以通过对光的研究来间接了解物质的微观结构。物理学家为了揭示光谱的 内在规律提出了分子简谐振动和非简谐振动两种模型，从经典力学和量子力学两个方面论证 了光与物质微观结构进行能量转移所必须满足的物理规律一选择吸收定则( s e l e c t i o n r u l e ) 。光谱仪可以记录在特定波长范围内的入射光信号经过与物质相互作用后的变化，这种 与波长或波数相对应的光强变化被称为吸收光谱。经典化学家习惯于在分辨率较高、微观结 构吸收具有较强特征性的中红外光谱区( 2 5 0 0 2 5 0 0 0 n m 或4 0 0 0 4 0 0 c m l ) 进行定性分析，这一 段谱区反映了物质分子简谐振动所导致的基频吸收，但是物质在这一波段对光有很强的吸收， 需要对待测物质样品进行特殊的制备过程( 如溶解、稀释、萃取等) 以保证经过物质吸收的 光信号足够强且有很高的信噪比。即便如此，在经过了辛苦的样品制备过程及繁琐的经验计 算之后，化学家们总是能够看着自己得出的正确结论而欣喜不己。近红外光谱区的光学信息 是物质分子在中红外基频的倍频、合频及差频吸收产生的，是由于分子的非筒谐振动引起的。 分子在这一谱区的吸收峰较宽且相互重叠，很难定性地得出结论，但是物质在这一谱区的吸 收系数较小，更多的光能量可以在与物质分子作用后携带信息逃逸，而且可以从倍频、合频、 差频三个层面反映物质与光作用的相互规律，信息量较大。在近红外光谱区的工作往往总是 实践经验超前于理论验证，所以对于近红外工作者来说，更深入的研究物质的化学表征与光 谱之间的相关关系以及物质微观结构与光作用的机理对于近红外光谱分析技术的发展有重要 作用。 2 2 近红外吸收光谱产生的物理机制 2 2 1 简谐振动模型 为了合理地解释光与物质相互作用产生光谱的物理机制，物理学家建立了多种理论模型 如刚性转子、简谐振子( 线性谐振子) 、非刚性转子、非谐振子、转动模型及多原子分子振动 及转动模型等，其中双原子分子线性简谐振动模型所给出的分子振动频率位于中红外波段区， 刚性转子模型和转动模型一般是用来研究气态分子与光相互作用机理。下面就给出双原子分 子线性谐振子振动模型分别在经典力学和量子力学表述下如何解释光与分子相互作用产生光 谱的理论推导过程。 芦束军博士学位论文 第二霉近龌井光遘学擞琏基碡 在疑典力学中，对于这种两体问题一般在质心坐标系中将其简化为艇有折合质量l | 和相 对位移x 的单体闯磁。箕运动方褥可戬写为： x = 一k x 1 1 ) 式中， = i 啊m ：，( 蚋+ 7 t 。) 为折合质爨。- 令( 0 2 = k “，则可求得遮动方程为： 釜= 一2 x， 魏方程豹瓣为：羔= a c o s ( o n t + 多) ，这是一个经典豹毫磁波裘达式，其振动频率为 0 91 厉 2 瓦2 瓦万 ( 1 - 2 ) 采用这个较为筒翠的振动频率公式可以解释许多红外区出现的光谱吸收特征。例弛，含 有羰基c = 0 基团的化合物通过红外光谱分析实验发现在；一1 5 0 0 c i n - 1 到1 9 0 0 c m 一1 的区域存在 一个圈嚣静特征啜收带。由牛顿繁二定律f = , u x 得到照双簌子弹往系统静筢量转换表达式 为： z w = 一只蛾= 奴缸 ( i 3 ) 依据能娥守恒定律，系统内的原予的动能与势在发生福曩转化，当双蹶子运动到最大振幅 x 处时系统的动能为零，势能表达式可以通过对上式两边积分得到： e ：譬 ( 1 4 ) 2 “ 圈2 。l 给出了弹性系统豹势能图。从图中可以溪出，随着双蹶子分子振蠛抟连续变化势栽豹 变化也怒连续的。 芦承军博士学位论文近红外光谱分析技术及篡在人参成份分析中的应用研究 阁2 】双原予分子弹性系统的势能图 瞧是在丸瞧纪寒遭j 鎏赛验蕊察褥至瓣数据显示翡藿著不是连续寝渡翡，这与菇上经典 的结论是难以吻合的，1 9 0 0 年普朗克提出了光的量子域论合理地解释了这一实验现象。他指 出能量与原子体系的相互作用是非连续的，能量的变化只能通过粒子在两个分立购能量状态 之润懿蹉迂啜缎域辕射来竞藏，这些麓堂状态是量子纯彝冬，每个l 缀豹艟量是确定豹，能缀 之间的跃迁a e = e 一巨，只有在粒子与外界光能量作用减自发辐射的情况下才能发生电磁波 的吸收与发射。簧朗克进一步绘出了系统辐射和吸收的电磁波的g 爨变化与频率之闯的相互 关系： e = h v ( 1 5 ) 式中h 是普麓赢常数。款式中霹嚣看窭，麴暴入骞| 必豹频率蓬嚣缀宽，壶子各麓缀之闻静筢 量鼹确定的，只有特定频率的光辐射可以改变现有的能爨状态而发缴跃迁，如果采用一个光 电探测器来探测疑过与分予榻互 乍用的光辐射时，在y 。竿处的光辐射强度减小了，两在其 羟 它频率处先辐射强度没有经俺变化，如图2 2 所示，这就形成了最简单的吸枝光谱。但是这 只是一种较为理想的实验模测，真正的分予能级是无限多的，如果没有跃迁选择定则的约束 即馕这样的簿攀模型所形成豹吸收光谱墩楚极其复杂豹。空闻中斡转予峦于本身壤心静鱼旋 转幼以及周期性偏离平衡位鬣的振动而产生许多能级，在红外波段驹吸收主要魁斑于分子中 芦永军博士学位论文 第二章近红外光谱学原理基础 不同的振动和转动能级之间的相互跃迁产生的。然而转动能级之间发生跃迁需要的能量相对 于振动能级要小很多，由于光谱仪器探测的灵敏度限制，转动吸收带只有在气体的吸收光谱 中才可以观察到，所以对于研究液体和固体的红外吸收带而言，只考虑分子的振动吸收模式。 图2 - 2 理想单振动模式模型的吸收光谱 振动吸收模式能级以及其它形式分子能级都是量子化的，任何特定系统所允许的振动模 式能级都可以通过求解量子力学态表象中的薛定谔方程得到能量本征值求得，依据各能量本 征值所对应的本征函数所特有的正交性求得能级跃迁的选择定则。求解双原子线性谐振子模 式体系的薛定谔方程得到的能量本征值为： e = ( v + o 5 ) h v( 1 6 ) 其中1 ，= 0 ，1 ，2 ，表示振动量子数，从上式可以看出，当v = 0 时，即分子处于最低的能 量状态基态时磊= 竽，这表明分子没有零振动能量，分子总是在作永不停息的热运动，民的 二 大小主要取决于分子化学键的力常数以及分子的质量。当分子从基态跃迁到第一激发态或任 一f 意相邻的两个能级之间的跃迁都可以得到公式a e ：h v ：一h 毕，由此可以得知分子化学键各能 2 疗vu 级之间的跃迁是对入射光频率有选择性的，所以可以通过对经过与分子相互作用的光能量进 行探测实现确定分子特性和结构的目的，这就是红外吸收光谱用于物质成份定性分析的机理。 下面给出分子各能级之间允许发生跃迁的选择定则： 1 ) 量子力学中，只有量子数相差为1 ，即a v = 1 时各能量本征值所对应的本征函数在能量 表象中的偶极跃迁矩阵元不为零，才可以发生能级跃迁。由此定则决定的简谐振子系统的能 芦永军博士学位论文 近红外光谱分析技术及其在人参成份分析中的应用研究 级是等间隔分布的，而且理论上只存在一个振动吸收带，其中心频率为由式1 2 所确定的。 2 ) 光谱吸收带只有在分子与入射光能量发生相互作用，即光能量可以耦合到分子的振动模式 中才可以发生跃迁，能量的耦合是通过不等核电荷之间的电偶极矩的变化完成的。所以对于 等电荷即同核的双原子分子即使存在振动能级也无法完成能量转移而形成跃迁。 2 2 2 非简谐振动模型 尽管线性谐振子的量子模型可以解释在红外区域中所观察到的由于分子的基本振动模式 所产生的特征吸收带，但是实验发现在特征吸收带所对应的基频的二倍、三倍等频率位置出 仍有较强的吸收带，这就表明把分子作为简谐振动模型只是一种较为粗略的近似，难以解释 在近红外区所出现的倍频现象。这些倍频吸收带所允许的跃迁选择定则为 v = 2 ，3 ，这与基频吸收带所允许的跃迁定则是截然违背的。空间中分子由于其它 分子以及自身的自旋影响，模型并不完全满足线性谐振子条件，原子之间的弹性振动并不遵 循胡克定律，这就导致原子可以获得更大的跃迁几率而到达倍频位置，这也正是近红外光谱 分析技术所依托的光谱机理。当分子中的双原子相互接近或远离而偏离平衡位置时，由于原 子核间库仑力的作用分子系统的势能将以很快的速度增加，如图2 1 所示，在较低频率处， 非线性谐振子所给出的势能曲线与线