红外检测与诊断技术.doc

近红外光谱技术在医药领域应用的新进展摘要近红外光谱技术是20世纪90年代以来发展最快、最近引入注目的光谱分析技之一,该技术在许多领域有着广泛的应用,尤其在医药领域.本文简要介绍了近红外光谱技术的特点,综述了近几年该技术在药物和临床分析中新的应用,初步探讨了该技术在医药领域应用中存在的局限性和今后发展的方向,并对该技术在医药领域中的应用前景进行了展望. 关键词: 近红外光谱, 药物分析, 临床应用, 局限性, 综述 .引言近红外光( NIR)是介于可见光( Vis) 和中红外(MIR)之间的电磁辐射波, 美国材料检测协会(ASTM)将近红外光谱区定义为 780 2 526 nm 的区域, 是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区 1.近红外光谱区与有机分子中含氢基 团( OH、NH、CH) 振动的合频和各级倍频的收区一致,通过扫描样品的近红外光谱, 可以得到样品中有机分子含氢基团的特征信息,而且利用近红外光谱技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低, 不破坏样品, 不消耗化学试剂, 不污染环境等优点, 因此该技术受到越来越多人的青睐. 近红外光谱技术量测信号的数字化和分析过程的绿色化又使其具有典型的时代特征, 20 世纪 90 年代以来, 近红外光谱技术已成为发展最快, 最引人注目的光谱分析技术,在许多领域( 农业和食品等) 检测中已作为官方认证的检测技术, 同时在纺织、聚合物、药物、石油化工、生化和环保等领域也得到了广泛的 应用 2 9. 除了早期的应用外, 近几年人们又利用该技术检测物质的纯度, 解释物质的结构, 预测、评价生物的某些生理现象及变化, 监测一些天体的变化等 10, 11. 本文主要介绍了近红外光谱技术的特点; 综述了近几年该技术在医药分析中新的应用; 探讨了其在医药应用中存在的局限性和今后发展的方向; 并对其在医药领域应用的前景进行了展望.红外检测技术基本原理红外技术的原理是基于自然界中一切温度高于绝对零度的物体，每时每刻都辐射出红外线，同时，这种红外线辐射都载有物体的特征信息，这就为利用红外技术探测和判别各种被测目标的温度高低与热分布场提供了客观的基础。红外线是波长在0.761000m之间的一种电磁波，按波长范围可分为近红外、中红外、远红外、极远红外四类，它在磁波连续频谱中的位置是处于无线电波与可见光之间的区域。红外线辐射在真空中的传播速度C299792458m/scm/s红外辐射的波长式中：C:速度 ：波长 ：频率 红外线辐射是自然界存在的一种最为广泛的电磁波辐射，它是基于任何物体在常规环境下都会产生自身的分子和原子无规则的运动，并不停的辐射出热红外能量，分子和原子的运动愈剧烈，辐射的能量愈大，反之，辐射的能量愈小。温度在绝对零度以上的物体，都会因自身的分子运动而辐射出红外线。其中黑体频谱辐射能流密度对红外辐射波长的关系，根据普郎克定律： （瓦厘米微米）式中： 波长，热力学温度为T时，黑体的红外辐射功率。 光速度（cm/s）第一辐射常数=（瓦厘米微米） 波长（微米），T热力学温度（K）温度辐射的能量密 度峰值对应的波长，随物体温度的升高波长变短。根据维思定律：（m）式中：峰值波长，单位：mT物体的绝对温度单位K物体的红外辐射功率与物体表面绝对温度的四次方成正比，与物体表面的发射率成正比。物体红外辐射的总功率对温度的关系，根据斯蒂芬波尔兹曼定律：P=（W/） 式中： T物体的绝对温度 P物体红外辐射功率（辐射能量） 物长表面红外发射率（辐射系数） R斯蒂芬波尔兹曼常数（J/K）物体表面绝对温度的变化，使的物体发热功率的变化更快。物体产生的热量在红外辐射的同时，还形成物体周围一定的表面温度分布场这种温度分布场取决于物体材料的热物性，物体内部的热扩散和物体表面温度与外界温度的热交换。通过红外探测器将物体辐射的功率信号转换成电信号后，成像装置的输出信号就可以完全一一对应地模拟扫描物体表面温度的空间分布，经电子系统处理，传至显示屏上，得到与物体表面热分布相应的热像图。红外线辐射的特点，除了具有电磁波的本质特性外，还同时具有两个重要的特性。其一，物体表面红外线辐射的峰值波长与物体表面分布的温度有关，峰值波长与温度成反比。温度越高，辐射的波长越短；温度越低，辐射的波长越长。与红外线辐射峰值波长对应的温度见表。表11与红外线辐射峰值波长对应的温度类别峰值波长范围 m温度 近红外0.761.53540165中红外1.5151658-80远红外15750-80-269极远红外7501000-269-270 因此，物体红外辐射的能量大小及波长分布与表面温度有十分密切的关系。根据红外线辐射的这一特性，通过对被测物体红外辐射的探测，便能实现对目标进行远距离热状态图像成像和测温并进行分析判断。其二，红外辐射电磁波在大气中传播要受到大气的吸收而使辐射的能量被衰减，但空间的大气、烟云对红外辐射的吸收程度与红外线辐射的波长有关，特别对波长范围在（22.5m）, （35m）及（814m）的三个区域相对吸收很弱,红外线穿透能力较强,透明度较高,这三个区域被称之为“大气窗口”, “大气窗口”以外的红外辐射在传播过程中由于大气、烟云中存在的二氧化碳、臭氧和水蒸气等物质的分子具有强烈吸收作用而被迅速衰减，利用红外辐射中“大气窗口”的特性，使红外辐射具备了夜视功能，并能实现全天候对目标的搜索和观察。 红外辐射的探测是将被测物体的辐射能转换为可测量的形式，对被测物体的热效应进行热电转换来测量物体红外辐射的强弱，或利用红外辐射的光电效应产生的电性质的变化来测量物体红外辐射的强弱，由于电量的测量最方便、最精确，因此一般红外辐射的探测总是把红外辐射量转换成电量进行测量，而红外辐射的探测是通过红外探测器来实现的。红外探测器种类繁多，根据不同的功能已覆盖整个红外波段，按其性质可分为两大类：其一是依据物体辐射特性进行测量和控制，其二是依据材料的红外光学特性进行分析和控制。目前，我国电力行业所使用的红外探测器可分为红外测温仪、红外热电视、红外热像仪三种，以下是三种红外设备的基本工作原理及其性能比：红外测温仪的基本原理是将目标的红外辐射能量经仪器透镜会聚，并通过红外滤光片进入探测器，探测器将辐射能转换成电能信号，经放大器放大电子电路处理，由液晶显示器显示出被测物体的表面温度。 红外热像仪是利用光学系统收集被测目标的红外辐射能，经光谱滤波、空间滤波、使聚焦的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，利用光学系统与红外探测器之间的光机扫描机构对被测物体红外进行扫描，由探测器将红外辐射能转换成电信号、经放大处理转换成标准视频信号通过电视屏显示红外热像。表3-1红外诊断设备的种类与特性机型主要技术特点红外热像仪光机扫描式可稳定成像，具有彩色、定格、图像分析功能，测温准确。图像质量，温度分辨力、空间分辨力、帧频良好。适合外部、内部故障诊断。焦平面式可稳定成像，测温准确。图像质量，温度分辨力、空间分辨力、帧频性能好，功能十分强大。适合外部、内部故障诊断。红外热电视平移式工作时必须不停摇动摄像机。平移有严重拖尾信号失真。图像质量较差、测温误差较大，无彩色、定格、图像分析功能。适合查找接头过热，但不适合内部故障诊断。瞬变式平移时仍有拖尾，但瞬变工作时无拖尾。图像质量略有改善，本机有彩色、定格、图像分析功能。适合查找接头过热，也可用于简单的内部故障诊断。折波式工作时无须摇动摄像机即可稳定成像。完全无拖尾，图像质量好、测温准确。有较强图像分析功能及彩色、定格、图像存储功能。适合外部、内部故障诊断。红外测温仪激光瞄准式不能成像、只能测温、功能简单。只能用于接头过热故障的监视和初略查找。光学望远瞄准式不能成像、只能测温、功能简单。只能用于接头过热故障的监视和初略查找。近红外光谱技术在药物分析中的应用随着制药工业的发展和壮大, 迫切需要建立药物分析与质量评估的科学体系, 这需借助于先进的仪器和科学的分析技术相互印证、相互补充和完善,因此需要建立一种快速、高效、准确的新型检 测技术. 用近红外光谱法进行药物的非破坏分析, 目前在国际上正成为热门课题. 计算机软件的开发, 多变量统计分类及光纤技术的发展, 信噪比已达 106 的先进近红外光谱仪的出现, 都促进了药品非破坏性、快速分析. 近几年来, 近光谱分析技术已被应用于原料药、药品包装材料、药物中光学异构体的测定以及药物的定性鉴别和定量分析等方面.近红外光谱技术应用于药物的鉴别和定性、定量的分析不仅具有快速、方便、准确、非侵入式分析、易于实现生产过程的在线控制等优点而且可以鉴定某些药物( 如光学异构体、具有光学活性物质) 的纯度, 因此在药物的定性鉴定、定量分析、质量控制及在线检测等方面显示了巨大的作用. 利用近红外光谱和多变量统计分类技术( 系统聚类分析、逐步聚类分析、主成分分析和逐步判别等) 可很好地对药材和成药进行定性判 别和分类. 刘国林等 12, 利用了近红外光谱技术对不同产地和类别的 42 种中药蛇床子进行了 类 别 分析, 取得 了 满意 的 效 果. 汤 彦丰等 13 将近红外光谱和人工神经网络相结合对 52 种正品和非正品大黄进行了鉴别, 正确率达 9615% .钟蕾等 14 利用近红外光谱结合聚类分析方法对不同产地 的血竭 类中药 进行了 研究, 近 红外 光谱法(NIRS) 聚类分析的结果与 经典的分类结果基本吻合. 任瑞雪等 15 研究了近红外一阶导数光谱进行芦丁粉末药品质量控制的可能性, 用多变量统计分类技术从芦丁的近红外一阶导数光谱成功地鉴别出真药、劣药和假药, 该技术为药物的质量控制提供了新的检测方法.近红外光谱在药物的定量分析及在线检测等方面也取得了一定的成果. 人们根据近红外光谱同计算机科学和化学计量学相结合可对药物进行非破坏分析这一可能性, 非侵入地测量了银杏叶 片 16 、黄连浸膏粉 17 、青霉素钠 18 等药品中活性成分的含量和分布. 在对药物的定量分析方面, 人们除了将近红外光谱与偏最小二乘法( PLS) 、主成分分析( PCA) 相结合对一 些药如 卡拉霉 素胶 囊 19 、甲璜酸 加替沙星 20 、头孢氨苄胶囊 21 等分析外, 近几年又将近红外光谱技术与处理非线性体系的人工神经网络方法相结合, 对许多固体药品如: 扑热息痛片剂 22 、美的康 23 甲氧苄胺嘧啶 24 、阿斯匹林 25 、璜 胺甲基异唑 26 等进行了定量分析, 均取得了满意的预测结果. 由于近红外光在固体中穿透较深以及容易采取漫反射技术等特点, 使近红外光谱在线检测技术成功地应用于固体药剂各种物理化学性质( 湿度、均一性、颗粒大小、硬度等) 的定量表征 27 和不同生产阶段的检测 28.目前大约有 40 多个国家和地区开展了 NIR 的研究和应用工作, 特别是一些发达国家, 他们早已将近红外光谱技术应用于农产品的检测中. 近几年随着近红外漫反射技术的发展, 该技术在药物的无损分析中已得到了广泛的应用. 国外许多文献都证明了这一点. 该技术己被广泛地应用于药物生产过程的在线检测如形成颗粒过程中水分的含量 29, 药物的组成和硬度 30, 药物粉末的混合程度 31 等方面; 同样利用该技术非破坏地测定了药品中某一种或几种活性成分及有效成分的含量 32 34; 且利用近红外光谱结合化学计量学方法对不同产地不同种类的药材进行了鉴别 35 36, 对药品的真假进行了认证 37,均取得了满意的结果.近红外光谱技术在医药领域应用中存在的局限性( 1) 近红外光谱技术存在分析浓度的下限. 因谱带吸收较弱, 分析组分的灵敏度相对较低, 所分析的组分含量一般应大于 01% . 这就限制了该技术在药物中有效化学成分及生物组织某些有效成分测量中的应用. 今后应该进一步的提高光电技术, 以提高光谱信号强度, 来扩大近红外光谱的检出范围.( 2) 近红外光谱分析技术在医药领域中应用的基础研究还比较薄弱. 近红外光谱分析技术是一种间接的分析技术, 需要事先以标准方法测定一定范围的大批样品的质量参数, 再以样品的光谱和质量参数进行关联, 建立一定的数学模型, 然后利用该模型预测样品的组成和性质. 目前, 对于大多数药物和生物组织, 由于其研究基础还比较薄弱, 尚无法找到能够表征它们质量的一些参数, 所以也就失去了近红外光谱法分析研究的对象. 因此推进近红外光谱技术在医药领域的应用, 首先必须加强相应的医药基础研究工作.谱图中蕴含了非常丰富的信息, 对分析体系而言目标成分的含量淹没在大量的无效信息中, 因此只有发展近红外光谱的特征信息提取和处理技术, 才能进一步拓展近红外光谱在医药领域中的应用.( 4) 近红外光谱技术无创式地对生物组织的一些参数如脑血氧饱和度的监测不能得到其绝对值,只能通过观察脑血氧饱和度随时间的变化趋势来获得关于病人脑血氧状态的信息, 而不能测出脑血氧饱和度. 如何进一步利用光电法提供的信号分解、提取更多的全面反映组织血氧状态的信息, 这是有待解决的问题.( 5) 利用近红外光谱法对组织的血糖和血氧的定量检测都是假定组织为均一、半无限的单层介质,而没考虑表层组织对它们的影响, 因而利用这些方法算出的组织的血糖和血氧或它们的变化量, 只是待测组织的等效测量 而并非实际组织的血氧 的含量. 因此考虑介在组织影响的组织血氧、血糖定量检测是目前及今后有待解决的问题.( 6) 近红外光谱法对生物组织的在体监测重现性较差, 且易受检测部位的影响, 因此今后需要提高各方面的技术, 研究和发展更灵敏、更稳定的仪器设备.结 论近几年来, 近红外光谱仪器生产技术及处理复杂信号所用方法等各方面的突破, 都加速了近红外光谱技术在各个领域中新的应用. 近红外光谱技术与其它技术的联用, 也开扩了该技术的监测范围和应用领域, 尤其是医药领域, 如光纤材料和光纤技术的发展使得近红外光谱技术和中红外波长范围的光纤的联用成为可能, 成功地实现了化学反应和药物工业过程的在线、实时遥控控制和遥感监测; 结合光纤探针, 利用近红外光谱技术可以非侵入式地对人体体表、腔体及体内等各种疾病实现实时、在体、原位检测. 随着近红外光谱仪各方面不断的发展, 软件的数理统计方法的进一步的完善, 从复杂、重叠的光谱信号中提取有效信息效率地快速提高, 近红外光谱技术在医药领域中将具有更广阔的应用前景。参考文献 1 瞿海斌,刘全,程翼宇. 近红外漫反射光谱法测定黄连浸膏粉中生物碱含量J. 分析化学. 2004(04) 2 韩素敏,王裕清,张登攀. 基于近红外的组织血流监控技术研究J. 激光与红外. 2004(02) 3 李小燕,黎庆涛. 近红外漫反射光谱法测定头孢氨苄胶囊的含量J. 中国医院药学杂志. 2004(03) 4 刘伟玲,张思祥,虞启琏,冉多钢,赵学玲. 近红外光谱法用于尿液多成分分析J. 分析仪器. 2004(01) 5 徐国栋,陈刚,周超彦,骆清铭. 血氧含量的近红外测定及其在运动实践中的应用J. 武汉体育学院学报. 2004(01) 6 谢欲晓,沈抒,孙启良,大西幸子,敖纯