（物理化学专业论文）傅利叶变换近红外光谱应用于复杂生化体系的研究分析.pdf

浙江大学博士学位论盅 摘要 随着生物化学的发展，生化体系越来越受到人们的重视。而生化样品较复杂， 不易分析分离，这就使得生化样品的分析技术受到了越来越广泛的关注。常规的 分析方法如g c , h p l c , 毛细管电泳等分析手段存在了相当多的缺点：分析时间长， 样品预处理困难，难以对背景复杂的样品进行定量分析。傅立叶变换近红外光谱 ( 简称f t - - m - r ) 是种新兴的化学分析方法，随藿计算机和化学计量学的发展，它 得到了广泛应用。近红外光谱具有下列优点：液体样品不需稀释等预处理，可直 接进行分析：而漫反射技术可直接测定固体样品，无需破坏样品及制样，操作简 便、快速。因此，近红外光谱技术己被广泛应用于化学、化工、医药、农业、食 品、烟草等行业，是一种理想的质量控制和质量保证的方法。但是应用于生化样 品的例子还不多，本文本着创新生化样品的定量分析技术，采用近红外光谱技术 对几种生化样品体系进行了定性，定量分析的系统性研究。 本文利用近红外光谱技术对单组分生化体系( 液体) 1 一肉碱，烟酸，烟 酰胺进行了定量分析。通过对不同浓度样本的分析，在浓度范围用不同数据处理 方法对样品浓度和其近红外吸收光谱问建立数学模型，并经过模型内外校正选择 最佳数据处理方法：这一方法克服了传统渡相色谱分析复杂费时的缺点，具有创 新意义。 通过傅立叶变换近红外光谱透射技术对多组分生化体系( 液体) 一雌，孕 激素( 雌三醇，雌二醇，安宫黄体酾，雌酚酮) 和高级脂肪醇遮行了定量分析。首次 解决了h p l c 不能同肘测定了多种雌，孕激素的问题，充分显示了近红外光谱技 术的优点。在高级脂肪醇分析中，解决了在高级脂肪醇分析中无法进行c 1 2 醇的 含量印时捡测和控制的问题，并在实际生产成分质量控制范围肉应用偏最小二乘 法建立模型，本文建立的数学预测模型可以有效地应用于高级脂肪醇生产的在线 分析- 具有实际应用价值。 通过傅立时变换近红外光谱漫反射技术j 司对对固体烟酸和烟酰胺进行了定量 分析a 模拟了天然产物的维生素p p ( 包含烟酸和烟酰胺) 的存在形式，首次快速 4 浙江大学博士学位论文 的测定维生素p p 总含量。克服了传统方法的成本高，费时的缺点，其有简便，低成 本，快速的优点。 近红外光谱技术中，光谱数据的数学处理方法的重要性尤为突出，因此尝试 在近红外光谱技术中多种数据处理方法的使用如人工神经网络。在新型神经网络 算法应用于近红外光谱快速测定l 肉碱的研究中，利用改进的动量校正法b p 人 工神经网络将线性校正算法和非线性校正算法结合起来，即将主成分回归模型的 主成分得分作为人工神经网络的输入交量，主成分回归所得2 7 个样品的校验残差 和作为神经网络方法的教师信号。利用2 7 个l 一肉碱样品的近红外光谱吸收建立 了预测模型，并利用该模型对同批2 8 个样本进行预测，优化了预测模型。巧妙 地将线性校正算法和非线性校正算法结合应用于l 一肉碱的近红外光谱的分析中， 提高预测的精度。 中药是我国的瑰宝之，但中药取材多样，产地广泛。很难辨别优劣。同时 成分十分复杂，很难把药效确定在某一组分的含量上。本文在国内首次提出了可 用近红外光谱来作中药指纹图谱的研究，利用近红外光谱的丰富信息量用化学 计量学的方法提取有效信息来分析中药的“地道”性即产地和药效。本文用聚类 分析和p l s 的分析方法对中药前列康原料进行了分析，结果证明了近红外光谱可 以用来对中药的产地和药效进行分析，结果令人满意。 纳米技术是当今世界研究和开发的热点，纳米材料的表面对性质有很大的影 响，因此对纳米材料表面进行分析是非常重要的，当对具有较厚的包裹层的纳米 材料进行分析对常规方法往往只能分析表面数个原子的厚度而不能进行几百个原 子厚度的分析研究，而且由于其视野极窄无法进行衷面大范围的定量分析。在高 分子聚合物包覆纳米级超细碳酸钙的研究中，作者首次利用具有极强穿透力的近 红外光得到漫反射光谱对它表面的包裹层进行定量分析，证实了吸光度的变化与 表面包覆量的关系基本上呈线性关系，此类研究未见报道，属国内创新。 关键词：近红外光谱技术，烟酸，烟酰胺，l 一肉碱，雌激素，孕激素，高级脂肪醇， 聚类分析，中药指纹图谱，表面分析，带动量校正的人工神经网络，纳米级超细 碳酸钙 塑翌查堂竖主兰垡堡苎 a b s t r a c t 下h eb i o c h e m i c a lp r o d u c t sp l a ym o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l e si nm a n y f i e l d s a 】o n g w i t ht h e r a p i d d e v e l o p m e n t o fb i o c h e m i s t r y ，d u et ot h e c o m p l e x it y o fb i o c h e m i c a lp r o d u c t s ，t h e i ra n a l y s i sm e t h o d sa r ee n d u r e d g r e a ta t t e n t i o n s h o w e v e r ，f o rn o r m a la n a l y s i sm e t h o d sl i k eo c ，h p l c ，c e e e t c ，t h e r e a r em a n ys h o r t c o m i n g ss u c h a s c o m p l i c a t e da n a l y t i cs t e p s ， t e d i o u ss a m p l ep r e t r e a t m e n t ，t i m ec o n s u m i n g ，a n dd i f f i c u l t yo fa n a l y z i n g s a m p e sw it hn n k n o _ mb a c k g r o u n d 胛州e a ri n f r a r e ds p e c t r o s c o p y ( n i p ) 。a s an 删a n a l y s i sm e t h o d i sn o ww i d e l yu s e di nf o l l o w i n gf i e l d s1 i k ec h e m i s t r y ， p h a r 啊a c e u t i c a l s ，a g r i c u l t u r e ，t o b a c c oa n d f o o di n d u s t r ya n ds o o na l o n g 耳i t ht h ed e v e l o p m e n to fs t d i c h i o m e t r ya n dc o m p u t e rt e c h n o l o g y c o m p a r i n g w i t ht r a d i t i o n a l t e c h n i q u e s f t n i rh a s m a n ya d v a n t a g e s s u c ha s r a p i d p e r f o r m a n c e ，e a s yp r e t r e a t m e n to fb o t hl i q u i da n ds o l i ds a m p l e s ，d i r e c t a n d1 0 s s l e s sm e a s u r e m e n to fs o l i d s a m p l e s h o w e v e r t k ! rh a sn o tb e e n g e n e r a l l ya d o p t e di nb i o c h e m i c a ls y s t e m sy e t ，s ot h a ti nt h i sw o r kw ef o c u s o n s y s t e m a t i c a l s t u d i e so f a n a l y z i n g b i o c h e m i c a l s a m p l e s w i t hn i r t e c h n i q u e q u a n t i t a t i v ea n a l y s i so fs i n g l e c o m p o n e n tb i o c h e m i s t r ys a m p l e so f l c a r n i t i n e ，n i c o t i n i c a c i da n d n i c o t i n i ca m i d e r e s p e c t i v e l y w e t e p e r f o r m e du s i n gn i rs p e c t r o m e t r yf o rt h ef i r s tt i m ea n d t h ed r e d j c t i o n m o d e l sw e r eb u i l tu pb a s e do nt h es p e c t r ao fs a m p l e sw i t h c o n c e n t r a t i o r s i n8v a r i e t yo f r a n g e s d i f f e r e n td a t am a n i p u l a t i o ns t r a t e g i e sw e t e a p p l i e d t om o d e l t h e m a t h e m a t i c a lr e l a t i o n b e t w e e nn i r s p e c t r aa n dt h e 。o n c e n t r a t i o no ft h es a m p l e s ，a n dt h eo p t i m a lc a n d i d a t ew a st h u s f i g u r e d o u tb a s e do nt h ec o m p a r i s o no fc a l i b r a t i o n a n dp r e d i c t i o np e r f o r m a n c e s t h eb u i l tc a l i b r a t i o nm o d e l c a nh ea p p l i e di n t h eo n f i n e q u a n t t a t i y e a n a ly s i si ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n s ，t h i sm e t h o dc a na v ( ) id t i m e c o n s u m i n 譬 6 堑垩奎兰堡主兰焦堡茎 a n dh i g h c o s tp r o b l e m s ，w h i c h a r et h es h o r t c o m i n g so ft h ec o n v e n t i o n a lt l p i c m e t h o d i no r d e rt ob r o a d e nt h ea p p l i c a t i o no fn i rs p e c t r o m e t r y ，q u a n t i t a t i v e a n a l y s i so fm u l t i c o m p o n e n t 1i q u i d s y s t e m o f o e s t r o g e n s a n d p r o g e s t o g e n s ( i n c l u d i n ge s t r a d i o l ，e s t r i o l ，g e d r o x y p r o g e s t e r o n ea c e t a t e a n de s t r o n e ) a n dh i g h e rf i t t ya l c o h o l s w e r ew o r k e do u tw i t hf o u r i e rt r a n s f e r n i r ( f t n i r ) t h en i rm e t h o dh a sw e l la c h i e v e das i m u l t a n e o u sd e t e z m i n a t i o n f o r t h em u l t i c o m p o n e n ts y s t e mo fo e s t r o g e n sa n dp r o g e s t o g e n sf o rw h i c h h p l ci si n c o m p e t e n t t h ec o n c e n t r a t i o no fc 1 2 a l c o h o li nm i x i n ga l c o h o l s w a sa l s od e t e r m i n e db yn i rt e c h n i q u e c a l i b r a t i o nm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e d u s i n gp l sm e t h o dw i t h i n t h ec o n c e n t r a t i o nr a n g e si ni n d u s t r i a lp r o c e s s m e r i t e da ss i m p l e r a p i da n d1 硎c o s t ，t h i sm e t h o dc a db ea p p l i e di nq u a l i t y c o n t r o l l i n gp r o c e s so fh i g h e rf a t t ya l c o h o l sa n do t h e rc h e m i c a lp r o d u c t s f o rd e v e l o p i n gan e wa n a l y t i c a lm e t h o do fq u i c kd e t e r m i n a t i o no ft o t a l c o n c e n t r a t i o no fv it a m i np p ( i n c l u d i n gb o t hn i c o t i n i ca c i da n dn i c o t i n i c a m i d e ) i 1 3n a t u r a l p r o d u c t s ，d i f f u s e r e f l e c t e dn i rw a su s e dt o q u a n t i t a t i r e l ya n a l y z e s o l i d s a m p l e s o fv i t a m i np pw i t hd i f f e r e n t c o n c e n t r a t i o n s t h i sm e t h o do v e r c o m e sm a n ys h o r t c o m i n g so fc o n v e n t io n a l a n a t y s i sm e t h o d sa n ds h o w sg r e a tp o t e n t i a li no d 一1 i n ep r o c e s s i n ga n a l y s i s i nt h e s t u d y o f r a p i d d e t e r m i n a t i o no fl - c a r n t i n ei naw i d e c o n c e n t r a t i o n r a n g eb yn i rs p e c t r o m e t r y an 神a l g o r i t h mb a s e do i lt h e c o m b i n a t i o no f1 i n e a ra n dn o n 一1 i n e a rm e t h o d sh a sb e e ne s t a b l i s h e di no r d e r t oi m p r o v et h ep r e d i c t a c c u r a c yi nt h i sn o n 一1i n e a rs y s t e m 。i nt h i sa l g o r i t h m ， t h es c o r e ss e t t l e db yp c r ( p r i n c i p l ec o m p o n e n tr e g r e s s i o n ) a r eu s e da st h e i n p u to fam o m e n t u ma d j u s t m e n tm o d i f i e db p - a n n ( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ) m o d e lw i t ht h ec a l i b r a t i o nr e s i d u a l sa st h e t e a c h i n gs i g n a l s p r e d i c t i o n m o d e l sw e r ea c h i e v e db a s e do i l2 7s a m p l e sw i t ho t h e r2 8s a m p l e si n t h es a m e b a t c hs e r v e da sv a l i d a t i o ns e tt oo p t i m i z et h em o d e l t h i sn e wm e t h o d o o g y 7 塑至查兰苎圭堂垡丝塞 r e m a r k a b l yi m p r o v e dt h ep r e d i c ta c c u r a c yo ft h el - c a r n i t i n em e a s u r e m e n t c h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n ei so n eo ft h et r e a s u r i e so fo u rc o u n t r y h o w e v e r ，i t sr a wm a t e r i a l sc o m e f r o mv a r i o u ss o u r c e sa n dw i d ep r o d u c i n g a r e a ss ot h a tt h eq u a l i t yi sd i f f i c u l tt ob ec o n t r o l l e d t h i sp a p e rp r o p o s e s ar e s e a r c hs c h e m et r y i n gt oc r e a t e an i rf i n g e r p r i n ta t l a so fc h i n e s e t r a d i t i o n a lm e d i c i n e sf o r t h ef i r s t t i m e ， w i t hw h i c hw e a d o p t e d s t o i c h i o m e t r i ca n a l y s i st o e x t r a c ti n f o r m a t i o no f p r o d u c i n g a r e aa n d m e d i c a le f f e c to ft h et a r g e tc h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n e sf r o ma b u n d a n t n i rs p e c t r a t h i sp a p e ra n a l y z e dt h er a wm a t e r i a l so fac h i n e s et r a d i t i o n a m e d i c i n e o i a n l i e k a n g ”b yt h ew a yo fc l u s t e ra n a l y s i sa n dp l sr e g r e s s i o n s a t i s f a c t o r yr e s u l t sa r eo b t a i n e dt op r o v et h a tn i ri sav e r yp r o m i s i n g a n a l y z i n gm e a n si n t h es t u d yo fc h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n e s n a n ot e c h n o l o g yi sah o ts p o to fc u r r e n ts c i e n t i f i er e s e a r c h t h es u r f a c e o f n a n o m a t e r i a lh a ss e v e r e dc r j t i c a le f f e c t so ni t sp e r f o r m a n c e ，s ot h a t i ti s v e r yi m p o r t a n t t o a n a l y z e i t ss u r f a c ec h a r a c t e r i s t i c s f o rf l a n o m a t e r i a l sw i t ht h i c k e rc o v e r a g e ，b o t ht r a d i t i o n a lc h e m i c a la n a l y s i sa n d m o d e r n p h o t o e l e c t r o ns p e c t r o s c o p y h a v et h e i ro w nl i m i t a t i o n s n i r a n a l y s i sh a s s p e c i a l b e n e f it si n g e t t i n g i n f o r m a t io nf o ra s e v e r a l - h u n d r e da t o mt h i c k n e s sc o v e r a g es u r f a c e i nt h i sr e s e a r c h ，t h e d i f f u s er e f l e c t i o nn i rs p e c t r ao fc o m p o s e dn a d o c a l c i u mc a r b o n a t ec o v e r e d b yp o l y m e r sh a v eb e e nm e a s u r e d t h i sn o v e lm e t h o dw a se f f e c t j v e yu s e dt o s t u d yt h es u r f a c ec h a r a c t e r so ft h ec o m p o s e dn a n op a r t ie e sf o rt h ef ir s t t i m e k e y w o r d s ：n i c o t i n i c a c i d ， n i c o t i n i c a m i d e ，l - c a r n i t i n e ，e s t r o g e n ， p r o g e s t o g e n ，h i g h e rf a t t ya l c o h o l ，c l u s t e ra n a l y s i s ，f i n g e r p r i n ta t l a so f c h i n e s et r a d i t i o n a lm e d i c i n e , s u r f a c ea n a l y s i s ，a n nw i t hm o m e n ta d j u s t m e n t n a n o m e t e r 一1 e v e e x t r af i n ec a l c i u mc a r b o n a t e 8 塑坚盔兰堕主兰垡丝塞 一一 第一章绪论 电磁波中的近红外谱区指可见谱区到中红外谱区之间的电磁波，其波长范围 为7 5 0 - 2 5 0 0 n m 。近红外光谱n e a r i n h f e d - s p e c 订o s o p “n l | 5 ) 作为迅速倔起的光谱 分析技术在分析调试领域中所起的作用越来越引起人们关注，但是在n i r 区的倍 频和合频吸收弱，谱带复杂，重叠多，早期的技术水平和实验条件无法将n i r 区 的信息充分提取出来，因此n i r 的应用受到了限制。近1 0 余年来由于光学技术、 电子技术和计算机技术发展，使分析科学中弱信号的处理理论和技术愈来愈成熟， 解决了n i r 光谱吸收弱的困难。化学计量学( c h e m o m e t r i c s ) 的发展和计算机广泛使 用，使多组分分析中多元信息处理的理论和技术得到发展，解决了n i r 谱区重叠 的困难。特别是n i r 漫反射光谱分析方法的应用，样品不作任何化学处理，甚至 不需磨碎，便可迅速分析大量样品。近红外的远距离测量可用石英纤维，光纤坚 固便宜，己被广泛采用。与湿法分析相比，f t n 琅光谱分析是迅速的，更应提 出的独特优点是n i r 常常包含许多特殊性能信息，如；粒子大小，热学和力学的 预处理。粘度、密度、湿度等。所以n r 分析受到应用光谱学家重视，如应用 光谱杂志( j a p p l i e ds p e c t r o s c o p y ) 发表了众多有关论文、报告与评论+ 包括有机化 舍物的近红外光谱、n i r 定性定量分析、近红外药物分析和n i r 反射光谱分析进 展，己开过多次n i r 光谱分析国际会议，已有多种n i r 光谱分析酌专著。n i r 光 谱分析在国内也受射重视，应用愈来愈广泛，队伍愈来愈壮大，形势喜人，催人 奋进。 第一节近红外光谱产生的理论基础和技术特点 近红外光谱的波长范围为7 5 0 - 2 5 0 0 n m ，因此近红外光是电磁波，它具有光的 波粒二重性。从光源发出的近红外光照射到由一种或几种分子组成的物质上，如 果分子没有产生吸收，则光透过样品，该物质分子为非红外活性分子，否则，为 红外活性分子。只有红外活性分子才能与近红外光子发生作用，产生近红外光谱 吸收。分子在近红外光谱区内的吸收产生于分子振动或转动的状态变化或者分子 振动或转动状态在不同能级阔的跃迁。这些能量跃迁也可以通过量子力学理论进 浙江大学博士学位论文 行阐述。描述上述几种跃迁常使用谐振予( h a r m o n i co s c i l l a t o r ) 和非谐振子 ( a n h a r m o n i co s c i l l a t o r ) 模型。能量跃迁包括基频跃迁( 对应与分子振动状态在 相临振动能级之问的跃迁) ，倍频跃迁( 对应于分子振动状态在相隔一个或几个振 动能级之间的跃迁) 和合频跃迁( 对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁) 。 所有近红外光谱的吸收谱带都是中红外吸收基频( 4 0 0 1 6 0 0 c m 。) 的倍频及合频。 在一个非线形多原子分子中，会有3 n 6 个简正振动模式( n 为原子数) ，在 这样大量的能级中，常常会出现其中有2 个能级是十分接近的，这种情况称作能 级简并，这时有可艋金产生f e r m i 共振，谱图中会出现新的谱线。出现f e r m i 共振 时，二个能级会相互排斥，一个向上，一个向下，其移动的距离相同，这种排斥 与非谐振值有关。非谐振值越大，则共振现象愈明显，有时即便2 个能级相差达 5 0 e m 1 时也可能会出现共振。例如，二氧化碳分子中o - c - o 的弯曲振动是在6 7 6 c m ， 而c o 的不对称伸缩振动也在相似的位置，结果二氧化碳的倍频振动光谱在 1 3 8 8 c m 。和1 2 8 6 c m 1 处出现2 个谱带，而不是1 3 5 2 c m 。1 或1 3 3 0 e m 。在近红夕卜区 这种现象常常不能分辨，而是藏在一个宽峰或重叠峰下面。能吸收近红外光的分 子主要有两种振动模式：伸缩和弯曲。伸缩振动是指组成化学键的两个原子沿着 键轴方向连续变化的振动。弯曲是指两个原子成键角变化的振动。大多数近红外 光谱有着不同于中红外光谱的信息特征。从频率范围划分，近红外光谱的波数在 4 0 0 0 e r a “以上( 即2 5 0 0 r i m 以下) ，因此，只有振动频率在2 0 0 0 e r a 。以上的振动， 才可能在近红外区内产生一级倍频，而能够在2 0 0 0 c m “以上产生基频振动的主要 是含氢官能团，如c - h ，n h ，s - h 和o - h 的伸缩振动。其它官能团，如羧基碳与 氧原子的伸缩振动，c n 伸缩振动，c c 等的伸缩振动在近红外区仅能产生多级倍 频。如羰基的伸缩振动在1 7 5 0 c m 1 , 一级倍频应在3 0 0 0 n m 左右，较弱的二级倍频 约在2 1 0 0 n m ，三级倍频在1 6 5 0 n m 落在近红外波段。 精确确定近红外谱带的归属很困难，因为每个近红外谱带可能是若干个不同 基频的倍频和合频谱带的组合，没有锐峰和完全分离的谱峰，大量的是重叠谱峰 和肩峰。另外，影响近红外谱带位置变化的因素也较多。如氢键的影响，使谱带 向长波长方向移动：溶液稀释和温度升高，使谱带朝短波长方向移动。可以观察 到移动的幅度在几纳米到5 0 纳米的范围。近红外光谱包含了键强度，化学组分， 】， 塑坚茎塑主兰丝兰苎一 一一 电负性和氢键的信息：对于固体样品，很多其它信息，如散射，漫反射，特殊反 射，表面光泽。折光指数和反射光的偏振等都被加载到样品近红外光谱上。这些 都使近红外光谱的解析复杂化。这也是造成近红外区曾经一度没有得到重视的原 因。这意味着在信息的提取方式及用途上，近红外光谱与中红外光谱将有大的区 别。 表l 近红外能量范围及光谱特征与紫外，可见和中红外光谱的比较 适用于近红外光谱区的光学材料比中红外的多。与中红外相比，可用玻璃和 石英材料做光学材料，不仅降低了材料费用，也有利于光学器件的维护，还可使 用光纤传输，使得近红外光谱测量更容易。 正是近红外光谱具有上述特征，赋予了近红外光谱分析一些独特魅力，如近 红外可以不经预处理，直接检测各种类型的样品，除液体样品外，还可检测粉末， 纤维，糊状，乳状等形式样品。周对，构成近红外谱带的背景非常复杂，从近红 外提取的是弱信息，通常使用化学计量学的方法。 表2 和表3 分别列出了一些近红外谱带归属和谱带吸收的强度数据。图1 是6 种纯化合物的短波7 5 0 1l o o n m 近红外光谱。从图l 和表2 、3 可以看出近红辨光 谱的几个明显特征：( 1 ) 近红外光谱包含了绝大多数类型有机化合物组成和分子 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都有明显 差别，可以作为分析获取信息的一种有效载体。( 2 ) 近红外吸收系数小，可以使 用较长的测量光程，短波近红外可以使用o 5 至1 0c m 长的测量池。长波 ( 1 1 0 0 - 2 5 0 0 n m ) 近红外可以使用1 5 m m 长的测量池。与中红外相比，样品不经 稀释，可直接测量，消除了涂膜和压片等复杂的前处理，操作很方便。长光程更 能够反映样品本体的整体信息。( 3 ) 各谱带很宽，形状也不规则，谱带之间的交 叠多，对于复杂体系，使用传统光谱分析方法( 比尔定律工作曲线) 难以进行定 t t 珊江大学博士学位论文 量分析。需要更有效的信息提取方法克服这困难。 表2 、含氢基团在n i r 区内的倍频吸收谱带归属( r i m ) 浙江大学博士学位论文 谱带波长r l l i l相对强度 表3 c h 的中红外和n i r 谱带强度对比 第二节近红外光谱技术的发展过程 近红外分析技术发展历经曲折。电磁波中的近红外谱区指可见谱区到中红外 谱区之间的电磁波，其波长范围为7 5 0 2 5 0 0 r i m ，波数范围在1 3 3 3 3 c i l l i 4 0 0 0 c m 1 ， 是人们最早发现的非可见光区域，被h e r s c h e l 在1 8 0 0 年所发现，距今已有近2 0 0 年的历史”。 本世纪初，人们采用摄谱的方法首次获得了有机化合物的近红外光谱，并对 有关基团的光谱特征进行了解释【2 _ 3 ，预示着近红外光谱( n e a ri n f f a r e d s p e c t r o s c o p y ，缩写为n i r ) 有可能作为分析技术的一种手段得到应用。 浙江丈掌博士学位论文 到五十年代初在经典定量、定性分析方面近红外谱区已得到相当发展，但是 在n i r 区的倍频和合频吸收弱，谱带复杂，重叠多，当时的技术水平和实验条件 无法将n i r 区的信息充分提取出来，因此n i r 的应用受到了限制。近红外光谱的 研究只限子为数不多的几个实验室中，且没有得到实际应用。 现代n i r 分析是从农业分析研究开始的。五十年代中后期，随着简易型近红 外光谱仪器的出现【4 - s 及美国农业部仪器研究室的n o r r i s 等人在近红外光谱反射技 术上所做的大量工作，掀起了近红外光谱应用的一个小高潮。n o r r i s 等人开始研究 可见光透射与反射技术测定鸡蛋的品质( 鸡蛋的新鲜度等) 以及涮定蔬菜和水果 的品质( 新鲜度，病虫害等) 。但是由于可见区信息量少，研究受到限制。而近红 外谱区包含的信息比紫外，可见区丰富，因此他们从农业分析领域中开始了用近 红外谱区分析农产品的工作，而近红井光谱在测定农副产品( 包括谷物，饲料， 水果，蔬菜，肉，蛋，奶等) 的品质( 如水分蛋白，油脂含量等) 方面得到广 泛使用。由于这些应用都基于传统的光谱定量方法，当样品的背景，颗粒度，基 体等发生变化时，酒量结果往往发生较大的误差。进入六十年代中后期，随着( 中) 红外光谱技术的发展及其在化合物结构表征中所起的巨大作用，使人们淡漠了近 红外光谱在分析测试中的应用。在此后约二十年的时间里，除在农副产品领域的 传统应用之夕卜，近红外光谱技术几乎处于徘徊不前的状态1 6 j 。 进入八十年代后期，近红外光谱才真正为人们所注意，这在很大程度上应归 功于计算机技术的发展和化学计量学方法的应用，再加上过去中红外光谱技术积 蒙的经验，使近红外光谱分析技术迅速得到推广，成为一门独立的分析技术，有 关近红外光谱的研究及应用文献几乎成指数增长【v ”。 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，但1 9 9 5 年以来已受到了多方 面的关注，并在仪器的研制，软件开发，基础研究和应用等方面取得了巨大的进 步，尤其在某些领域如食品、石油和农产品鉴定中的应用已积累了一些实际经验 1 8 - 1 1 。 第三节近红外光谱仪的发展 近红外光谱仪器发展概况 浙江大学博士学位论文 近年来，近红外光谱n e a r - l n f r a r e d - s p e c t r o s o p y ( n i r s ) 作为迅速倔起的光谱 分析技术在分析调试领域中所起的作用越来越引起人们关注，特别是其在工业在 线分析中的应用，使工业控制能以产品性能为参数进行优化，因而创造了可观的 经济效益。由于在样品分析时基本不需处理，且不破坏和消耗样品，自身又无环 境污染，n i r s 堪称是绿色分析仪器的典型代表。n i r s 仪器的发展己走过近5 0 年 的历程，在这近5 0 年时间里，尽管仪器基本原理没有大的变化，但其性能却得到 了很大提高。在现代n i r s 定量分析中，是依靠在多波长下吸光度的很小差别，因 此，光谱的质量就要求仪器具有很好的信噪比和稳定性，现在，n r s 仪器已基本 适合分析的需求。硬件的设计已使仪器具有较高的信嗓比、波长精度和分辨率， 现在n i r s 仪器的信嗓比已接近1 0 0 0 0 ：1 ，嗓音水平降至2 “a u ，波长精度达0 2 r i m ， 重现性达o0 1 r i m 分辨率优于o 2 n m 。各种仪器附件可以很方便地对不同环境下不 同物态的样品进行分析。除此之外，随着化学计量学技术的发展，功能强大的光 谱数据处理软件，采用全谱校正已使用户可以方便地进行定性和定量分析。由于 n i r s 的早期应用主要集中在粮食和食品领域，用户有限，加之n i r s 的光路系统 与u v v i s 光谱的设计基本相同，出于商业利益的考虑，早期近红外调试都是在 u v v i s 区域的延伸，再配一适当的近红外检测器，即形成u v v i s n i r 分光光 度计。这类仪器作近红外调试有两个问题：其一是由于仪器的光谱范围较宽，从 光源到分光元件的配置缺乏对n i r s 区域分析的整体优化：其二是对专门从事 n l r s 分析用户这种设计方式使仪器的造价大大提高。6 0 年代末至7 0 年代初， 随着n i r s 在农产品分析中应用的增多，于1 9 7 1 年d i c k e y j o h 公司推出了第一台 专用于近红外反射分析的商业化仪器。进入8 0 年代中后期，n i r s 的研究和应用 日趋活跃各仪器厂家也开始争先研制专用的n i r s 仪器。国内n i r s 仪器的研制 工作起步较晚一些厂家和科研单位正在积极开展这方面的研究工作，并已取得 初步的成果。石油化工科学研究院与北京第二学仪器厂联合开发研制了付利叶变 换近红外( f t n 墩s ) 辛烷值分析仪【1 2 】石科院还自行研制了采用电荷耦器件( c c d ) 作检测器的多通道n i r s 仪器1 3 l ，并取得了较好的应用结果 1 4 q 5 】。 二近红外光谱的主要仪器类型及进展 n i r s 仪器一般由光源、分光系统、测样部件、检测器和数据处理五部分构成。 1 7 浙江大学博士学位论文 根据光的分光方式n i r s 仪可分为滤光片型、光栅扫描型、固定光路多通道检测、 付利叶变换和声光调谐等几种类型。以下就各类仪器的特点及发展情况做一介绍。 1 滤光片型近红外光谱仪 滤光片型仪器可分为固定滤光片和可调滤光片两种形式。固定滤光片型光谱 仪是光谱仪器的最早设计形式口“。这种仪器首先要根据定样品的光谱特征选择适 当波长的滤光片。测量过程是由光源发出的光经滤光片得到一定带宽的单色光， 通过测样器件与样品作用后由检测器检测。该类仪器的特点是设计简单、成本低、 光通量大、信号记录快、坚固耐用；但这类仪器只能在单一波长下测定。灵活性 较差，如样品基体变换，往往会引起较大的测量误差，所选滤光片的波长也需通 过对样品的全谱扫描确定。为能在多波长下测定，获得更多的样品信息，提高分 析结果的准确性，k a l l o 等设计了有两个固定滤光片、双通道捡测器检测的仪器， 用于土壤中水分的测定。m e c l u r e 曾将8 个滤光片装在一个轮子上构成个滤光轮， 用于糖及烟草中尼古丁的分析 18 】这种仪器可以根据需要比较方便池在一个或多个 波长下进行测定。滤光片型的n i r s 仪器其检测波长一般在长波近红外区域，因而 多用p b s 光敏元件作检测器。定量方法多用一元或多元线性回归分析。 2 扫描型近红外光谱仪 扫描型仪器在目前使用的近红外仪器中占多数。分光的元件可以是棱镜或 光栅。为获得较高的分辨率，现代扫描型仪器中多使用全息光栅作为光元件，通 过光栅的转动，使单色光按波长高低依次通过测样器件，进入检测器检测。根据 样品物态不同可选择不同的测样器件进行透射或反射分析。检测器根据扫描的光 谱范围，一般在长波近红外区域采用p b s 光敏元件，短波近红外采用硅基光敏元 件。这类仪器的特点是可进行全谱扫描，分辨率较高，仪器价位适中，便于维护： 其最的大弱点是光栅的机械轴长时间使用容易磨损，影响波长的精度和重现性， 一般抗振性较差，特别不适于作为在线仪器使用。与滤光片型仪器只能获得几个 确定波长下的光营数据不同，扫描型仪器可以获得一定波长范围内的光谱图，使 得全谱校正技术得以实现。化学计量学技术在n i r s 中的应用正是现代n i r s 的特 征之一。通过全谱校正，可以从n i r s 谱图中提取大量的样品结构信息，通过合理 的计量学方法将光谱数据与校正集样品的组成或性质数据关联可得到一数学模 】8 浙江大学博士学拉论_ 文 型。对未知样品分析时，根据测定的未知祥的谱图和已建立的数学模型即可预测 未知样的组成或性质。从各仪器厂家推出的数据处理软件看，定性分析常用的有 主因子分析( p c a ) 、聚类分析、马氏距离( m a h a l a n o b i sd i s t a n c e ) 等算法。在定量 分析中有逐步多元线性回归( s m l r ) 、主因子回归( p c r ) 、偏最小二乘( p l s ) 等算法， 其中最常用的是p l s 方法。除此之外，为进一步提高光谱信噪比和结果准确性在 谱图的平滑、谱图的基线处理与校正、仪器的标准化处理等方面都作了大量的工 作【1 9 - 2 0 l 。 3