近红外光谱技术及其在食品药品分析中应用教学

1、近红外光谱及其在食品药品检测中的应用研究-目录近红外光谱概念近红外光谱发展背景近红外光谱原理近红外光谱分析方法近红外光谱特点近红外光谱仪近红外光谱在药品检测中的应用近红外光谱在食品检测中的应用-近红外光谱概念近红外光谱谱区-近红外光谱概念-近红外光谱概念 电磁波谱根据不同的波长划分为不同的区域，每个波段都有其特点，而近红外区则主要用于成分分析。-近红外光谱概念近红外光（Near infrared，NIR）是介于可见光(VIS)和中红外（MIR)之间的电磁波。美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域，习惯上又将近红外区分为近红外短波区（780nm1100nm）和

2、近红外长波区（1100nm2500nm）。-近红外光谱发展背景 近红外光谱技术是近几年发展起来的一种快速检测技术，目前国外在很多领域已有较广泛的应用。自从Karl Norris 1986年使用近红外光谱技术和多元线性回归分析测定水分、蛋白质和脂肪的含量成功后，推进了人类对于红外技术的应用研究。由于近红外光谱区的信息含量较丰富，且近红外技术本身具有无污染、无前处理、无破坏性、在线检测及多组分同时测定等优点，因此在食品、医药、化工、石油等领域获得了空前的发展。-近红外光谱原理 近红外光谱属于分子振动光谱，主要是由于分子的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。其振动模式有两种，为伸缩振动和弯

3、曲振动。有这两种模式的分子可以吸收近红外光。-近红外光谱原理分子的振动类型 （1）伸缩振动成键原子沿着键轴的伸长或缩短（键长发生改变，键角不变）。-近红外光谱原理(2)弯曲振动引起键角改变的振动 -近红外光谱原理 近红外光谱测量的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息。在该谱区产生吸收的官能团主要是含氢基团X-H键(X为C、O、N、S等的特征信息。因此，几乎所有的有机物的一些主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找到特征信号。由于它们的图谱稳定, 因而获取光谱容易。-近红外光谱原理 不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，NIR光

4、谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质的测量。-近红外光谱分析方法透射光谱法反射光谱法-近红外光谱分析方法透射光谱法透射光谱法就是把待测样品置于作用光（光源发出的光）与检测器之间，检测器所检测到的分析光是作用光通过样品体与样品分子相互作用后的光，若样品是透明的真溶液，则分析光在样品中经过的路程一定，透射光的强度与样品组分浓度由比耳定律决定。-近红外光谱分析方法反射光谱法反射光谱分析时，检测器与光源置于待测样品的同一侧，检测器检测到的分析光是光源发出的作用光投射到物体后，以各种方式反射回来的光。物体对光的反射分为规则反射光（镜面反射）与漫反射。-近红外光谱分析方法a：透

5、射式 b：漫反射式 c：漫透射式1：光源 2：单色器 3：样品 4：检测器透射分析和漫透射分析测定光源与检测器处在样品的两侧；漫反射分析测定光源与检测器处在样品的两侧-近红外光谱分析方法-近红外光谱分析方法定性分析定量分析-近红外光谱分析方法定性分析依靠已知和未知样品谱图的比较来完成的。一般须借助计算机模式识别方法方可完成。近红外光谱定性分析方法主要有:模式识别运算、聚类分析、马氏距离聚类分析、建库判别和人工神经网络等。-近红外光谱分析方法模式识别：即分类。客观存在可以观察的事物，如果可根据一定规则进行相似性判别，都可以称之为模式。模式识别就是通过特定方法将本样本分成有实际意义的类别。它试图用

6、计算机代替人工对各种模式进行描述、分类和决策，从中找出规律，达到识别事物的目的。-近红外光谱分析方法 模式识别基于一个十分直观的基本假设，即“物以类聚”，认为性质相近的样本在模式空间中所处的位置相近，它们在空间形成“簇”。模式识别方法具有明显的优点，它不需要数学模型需要的先验知识很少擅长处理复杂事物和多元数据等。在实际工作中，经常遇到只需要知道样品的类别或等级，并不需要知道样品中含有的组分数与其含量的问题，这时需要应用模式识别法。-近红外光谱分析方法在模式识别运算时需要有一组用于计算机“学习”的样品集，通过计算机运算，得出学习样品在数学空间的范围，对未知样品运算后，若也在此范围内，则该样品属于

7、学习样品集类型，反之则否定。-近红外光谱分析方法 模式识别 一组样品进行比较 方法灵敏 至少需要5个样品 需要借助数学方法进行识别-近红外光谱分析方法定量分析各种多元校正技术如多元线性回归（MLR）、主成分回归（PCR）、偏最小二乘回归(PLS)、人工神经网络（ANN）、和拓扑（TP）等方法是近红外光谱定量分析中常用的校正方法。-近红外光谱分析方法多元线性回归（MLR） MLR方法是从光谱中找出与某种成分或指标相关显著的几个波长点的吸光度进行多元回归得到标准方程，预测未知样品。该方法在1985年以前普遍使用。-近红外光谱分析方法多元线性回归可用于红外光谱定量分析，对于组分比较简单稳定的样品尤其

8、适合，如气体样品、液体样品，固体西药制剂等，该方法已很成熟，在早期的化学计量学研究中，被成功的用于紫外、红外（当然包括近红外和中红外）光谱法多组分定量分析。-近红外光谱分析方法近红外光谱定量分析的八个环节（1）样品的选择（2）样品近红外谱图的扫描（3）谱图的预处理（4）样品中各待测成分化学值的测定（5）剔除异常值（6）分析谱区的选定（7）建立模型（8）检验与评价模型-近红外光谱分析方法-近红外光谱特点优点：1、特征性强：构成化合物的原子质量、化学键、原子的连接次序和空间位置不同都会造成红外光谱的差别。2、适用范围广： 固态、液态或气态都可进行测定。3、作为分子振动能级近红外区域的倍频和合频吸收

9、系数很小，一般较红外基频吸收小1至3个数量级，样品无需用溶液稀释既可以直接测定，便于生产过程的实时测定。-近红外光谱特点4、虽然吸光系数小会妨碍样品中微量杂质的测定，但也保证了微量杂质或在红外吸收弱的组分不至于干扰测定。5、近红外可以在玻璃或石英介质中穿透，所用的样品池容器可以用常用的玻璃或石英制作。6、石英光纤可以用于近红外光谱技术，可以对有毒材料或恶劣环境中样品的远程分析，同时也使光谱仪的设计得以多样化和小型化。-近红外光谱特点7、可以用于样品的定性分析，也可以得到精度较高的定量结果。8、分辨率高可同时对样品多个组分进行定性和定量分析，且检测速度快，在1min内。9、不破坏样品，不用试剂，

10、故不污染环境。-近红外光谱特点缺点：1、建立模型需要大量有代表性且化学值已知的样品； 2、模型需要不断的维护改进 ；3、近红外测定精度与参比分析精度直接相关，在参比方法精度不够的情况下，无法得到满意结果。 -近红外光谱特点与其他光谱的比较：-近红外光谱仪-近红外光谱仪-近红外光谱仪近红外光谱仪器的主要类型滤光片型色散型傅立叶变换型声光可调滤光型其中傅立叶变换型近红外光谱仪与其它类型仪器相比，具有信噪比高、分辨率高、波长准确且重复性好、稳定性好等优点，往往作为研究性仪器的首选。-近红外光谱的应用近红外光谱技术的应用农业与食品行业石油化工工业制药工业烟草与纺织行业生物医学领域-近红外光谱在药品检测

11、中的应用 药物的制备是通过混合、加工、成型及包装等一系列过程统一完成的。要求每一过程中都必须对所有组分进行全面的表征。近红外光谱仪由于具有体积小，分析速度快及温度、压力和振动等外界因素影响小的特点，可以安装在药物生产线上，直接非破坏性地监测每一步加工过程中各个组分的含量和性质，及时发现问题，进行调整，从而避免整批产品的损失。除了速度快以外，还可以监测药品加工过程中可能引入的各种污染物。不影响药品的生产速度，同时还能进行全面的监控。-近红外光谱在药品检测中的应用 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

12、林等1，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2，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96.15。-近红外光谱在药品检测中的应用 钟蕾等3，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4，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。-近红外光谱在药品检测中的应用 近红外光谱在药

13、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5、黄连浸膏粉6、青霉素钠7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-近红外光谱在药品检测中的应用一些药如卡拉霉素胶囊8、甲璜酸加替沙星9、头孢氨苄胶囊10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11、美的康12、甲氧苄胺嘧啶13、阿斯匹林14、璜胺甲基异噁唑15等进行了定量分析，均取得了

14、满意的预测结果。 -近红外光谱在食品检测中的应用 食品中某种成分的含量也是人们最关心的话题之一，食品中成分复杂，不利于检测。传统的检测方法复杂程序多且速度慢。近红外光谱分析具有速度快、成本低以及重现性好等优点，有助于实现食品检测中某种成分的快速检测。为现代分析检测方法提供了极大地便利。 -近红外光谱在食品检测中的应用 在鉴别不同食品种类方面，赵杰文，陈全胜16等采用近红外光谱结合主成分一马氏距离模式识别方法鉴别了龙井、碧螺春、毛峰和铁观音4种茶，鉴别率分别达到98.75和95，为快速准确鉴别茶叶提供了一种新思路。 在检测食品中的某种成分的含量方面，赵杰文，陈全胜等16先后利用近红外光谱方法定性

15、和定量地分析了茶叶中蛋白质、咖啡碱、氨基酸、多酚类以及水分的含量，结果准确可靠。-近红外光谱在食品检测中的应用 近红外光谱分析技术不仅应用于食品成分含量和种类鉴别的研究，而且已用于食品加工过程中组成变化的监控和动力学行为的研究，如用NIR 评价微型磨面机在磨面过程化学成分的变化；在奶酪加工过程中优化采样时间，研究不同来源的奶酪的化学及物理动力学行为；通过测定颜色变化来确定农产品的新鲜度、成熟度，了解食品的安全性；通过检测水分含量的变化来控制烤制食品17的质量；检测苹果、葡萄、梨、-近红外光谱在食品检测中的应用草莓等果汁加工过程中可溶性和总固形物的含量变化18；在啤酒生产线上，监测发酵过程中酒精

16、及糖分含量变化。下表19是NIR 在食品检测上的应用实例。-近红外光谱在食品检测中的应用-参考文献：1.刘国林;蔡金娜;李伟近红外光谱技术在中药蛇床子分类中的应用 20012.汤彦丰;张卓勇;范国强光谱学与光谱分析待发表3.钟蕾;朱斌;宓鹤鸣近红外漫反射光谱聚类分析用于血竭的鉴别期刊论文-理化检验-化学分册 2004(01)4.任瑞雪;李伟;任玉林多变量统计分类技术进行芦丁质量控制的研究期刊论文-数理医药学杂志 2000(01)5.杨玉兰;吴龙奇;王建华用近红外光谱检测银杏叶片中的黄酮的含量期刊论文-河南科技大学学报(农学版)2003(02)-参考文献：6.瞿海斌;刘全;程翼宇近红外漫反射光谱

17、法测定黄连浸膏粉中生物碱含量期刊论文-分析化学 2004(04)7.张中湖;张敬贤;朱斌注射用青霉素钠品质参数的近红外漫反射光谱法测定期刊论文-中国医药工业杂志2003(07)8.孙美玲;相秉仁近红外漫反射光谱法快速、无损定量分析克拉霉素胶囊期刊论文-中国药科大学学报2003(05)9.孙美玲;相秉仁近红外透射光谱法快速无损定量分析甲磺酸加替沙星注射液的主成分期刊论文-中国药科大学学报 2003(03)-参考文献：10.李小燕;藜庆涛近红外漫反射光谱法测定头孢氨苄胶囊的含量期刊论文-中国医院药学杂志 2004(03)11.窦英;邱芳萍;刘培义扑热息痛片剂药品的近红外光谱法非破坏定量分析期刊论文-高等学校化学学报2004(01)12.郭晔;苟玉慧;汤真人工神经网络-近红外光谱法用于粉末药品美的康的非坏定量分析期刊论文-分析化学2001(01)13.刘培义;任玉林;苟玉慧人工神经网络-近红外光谱法用于甲氧苄胺嘧啶粉末药品的非破坏定量分析期刊论文-高等学校化学学报 2000(04)-参考文献：14.田丽容;汤真;刘福强近红外光谱-人工神经神经网络法用于粉末药品阿斯匹林的非破坏定量分析期刊论文-分析试验室 2001(01)15.郭晔;苟玉慧;任玉林粉末药品磺胺甲基异噁唑的非破坏定量分析期刊论文