近红外基础知识

2021/5/91原子核转变电磁转动分子转动分子振动外层电子的跃迁内层电子的跃迁-射线X–

射线紫外可见近红外中红外远红外电子自旋振动核磁振动红外微波Radio,TV无线电波InteractionRegion108107106105104103102101110-110-210-310-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101Wavelength(cm-1)Wavelength(m)12,800cm-1(780nm)4,000cm-1(2,500nm)什么是近红外/中红外光？

400cm-1(25,000nm)4,000cm-1(2,500nm)近红外：中红外：2021/5/92近红外的发现和应用发展里程

1800年近红外电磁波被发现，光谱的复杂性使其“沉睡”了一个半世纪20世纪70年代国外的农业分析学家综合计算机技术、光谱分析技术、仪器技术和现代数学方法，首先把近红外分析技术应用于农产品和食品的品质分析进入90年代，近红外分析技术逐步受到分析化学家的重视，应用逐步扩展到石油化工、医药、生物化学、烟草、纺织品等领域。近红外现已发展成为一种独立的分析技术活跃在光谱分析领域发达国家已经将近红外做为质量控制、品质分析和在线分析的主要手段，部分方法已经成为USP、EP、PASG、EMEA、AOAC、AACC、ICC的标准。2021/5/93红外波长表示的度量单位近红外区一般用波长（纳米nm)或（波数cm-1）来表示纳米与波数的换算关系：nm=107/cm-1或cm-1=107/nm因为：1cm=107nm1,250nm处，用波数表示：107/1,250=8,000cm-1中红外区一般用波长（微米μm)或（波数cm-1

）来表示微米与波数的换算关系：nm=104/cm-1

或cm-1=104/nm因为：1cm=104μ

m5μm处，用波数表示：104/5=2,000cm-12021/5/94近红外光谱的信号特征1、近红外光的产生：近红外光源一般用卤素灯2、近红外光的检测：近红外光的检测材料是半导体材料，如

Si、PbS、InAs、Ge、InGaAs等3、光学材料：可以使用耐水和便于维护的材料，如：低OH石英、石英和火石玻璃、CaF等。2021/5/95中红外光谱的信号特征1、中红外光的产生：中红外光源一般用硅碳棒2、中红外光的检测：中红外光的检测材料是半导体材料，如

MCT、DTGS等3、光学材料：可以使用“怕水”的材料如：KBr、NaCl，耐水材料CaF、ZnSe、Si等。2021/5/96红外光谱振动的基本原理hn低能量高能量2021/5/97Fundamental振動基頻1stOvertone一級倍頻2ndOvertone二級倍頻3rdOvertone三級倍頻谐波振动HarmonicOscillation非谐波振动AnharmonicOscillation振动能级水平红外光振动模式的能级图2021/5/98不同的振动形式对称伸缩振动非对称伸缩振动摇摆振动2021/5/99不同的振动形式摇摆振动弯曲振动剪切振动2021/5/910HHOSym-stretchingBendingAsym-stretching3756cm-13657cm-11595cm-1Molecularvibrationmodes2021/5/911CHCl3

在MIR&NIR的吸收光谱200040006000800010000Wavenumber/cm-10.00.20.40.60.81.01.21.41.6AbsorbanceUnits(CH)MIR&NIR(d=25µm)NIR(d=1mm)2(CH)3CH)combinationband近红外与中红外光谱的差异2021/5/9122021/5/913近红外与中红外的区别1、近红外是基频振动的合频与倍频振动信息。中红外是基频振动的信息。2、近红外的谱峰重叠严重，难以肉眼识别分析。中红外谱峰分别好。很容易肉眼识别分析。3、近红外吸收弱。中红外吸收强。4、近红外制样简单。中红外制样麻烦。聚丙烯的近红外/中红外光谱2021/5/914不同化合物基团在近红外区的吸收谱带2021/5/915物质在近红外谱区的吸收主要包括以下基团基频振动的合频和倍频振动吸收

C-H,N-H,O-H,S-H,C=O,C=C近红外的合频振动的吸收系数比中红外基频振动吸收弱1-5个数量级.01234590008000700060005000400030002000NIRMIRAbsorbanceWavenumbercm-1WaterSpectrum近红外吸收光谱特征2021/5/916吸收全反射漫(反)射透射散射scatteringtransmittanceDiffusereflectanceabsorption近紅外光与物质的相互作用speculareflectance2021/5/917光源单色器或干涉仪样品样品样品单色器或干涉仪单色器或干涉仪光源检测器检测器检测器Near-IRTransmittance(NIT)

透射式Near-IRReflectance(NIR)漫射式Near-IRTrans-Reflectance(NITR)

透漫射式检测器近红外的采样方法光源2021/5/91840055070085010001150130014501600175019002050220023502500Wavelength(nm)散射增强透射增强透射深度=0.1-0.5mm透射深度=厘米低散射高散射

散射与穿透深度的变化2021/5/919固体近红外光谱中的粒径(particlesize)影响2021/5/920不同颗粒度大小样品的近红外光谱烟丝烟粉末2021/5/921近红外吸收光谱的特点近红外吸收光谱的特点:随着基频振动合频和倍频的增加，吸收峰重叠的越严重，吸收越来越弱。多组分复杂样品的近红外光谱不是各组分单独光谱的叠加。消光系数弱，穿透样品的能力强(最深可达5cm)需要“化学计量学”技术从复杂的光谱中提取信息（Y=a+bx1+cx2+dx3…）。固体中药样品的近红外吸收光谱2021/5/922什么是定性分析?定性分析是确认分析对象是什么，或者是某种物质（Yes）,还是不是某种物质（No）。2021/5/923近红外的定性分析方法主要包括：聚类分析(ClusterAnalysis)鉴别分析(Identity)一致性测试(ConformityTest)2021/5/924Plotofscoresoffactor2vs.1Factor1Factor2因子分析Factoranalysis2021/5/925树形图诊断柱形图2021/5/926建立模型测定未知样品1.测定代表性样品测试2.计算平均光谱和阈值3.建立和检验模型1.测定未知样品光谱2.调用模型3.鉴定未知样品Sample

IdentifiedasMaterialX鉴别分析（Identity）的基本原理2021/5/927阈值的计算公式：阈值＝最大匹配值＋X*SDev光谱距离的标准偏差阈值最大匹配值2021/5/928选择性是用来考虑模型好坏的一个重要指标:S<1S=1S>12021/5/929Thesampleispositivelyidentifiedonlywhen:HitQuality<Thresholdforonelibrarymaterialand

HitQuality>Thresholdforallotherlibrarymaterials.HitQualityoftheunknownspectrum: 0.010943Thresholdforacetylsalicylicacid: 0.046744HitNo.HitQualityThresholdSubstance10.010940.04674Acetylsalicylicacid20.187450.00888Salicylicacid30.259880.02077Salicylamide40.446520.01406Collidon2550.455580.00491Collidon30一个典型的定性分析例子

NIROverview>2021/5/930目的QA/QC的样品进行定量或定性分析模型的建立太昂贵、麻烦或不可能应用测试每一批或生产周期样品的一直性原则同样成分、一样的近红外光谱算法测定样品光谱与参考光谱的偏差值是否超出某一水平一致性测试2021/5/931参考样品计算参考光谱的平均光谱和每一个波长点（i）标准偏差(s)样品计算样品光谱每个波长点（i）的相对偏差（Q） Qi=(Ai,sample-Ai,average)/si,average一直性指标CI被定义为最大的相对偏差Qi CI=max(Qi)结果绘图一致性测试2021/5/932Preprocessedspectra

Referencespectra

Averagespectrum

Standarddeviationspectra (+/-3s)一致性测试2021/5/933Preprocessedspectraincludingtestspectra

Referencespectra

Testspectra

AveragespectrumStandarddeviationspectra (+/-3s)一致性测试2021/5/934Validationresultsmax.CI一致性测试2021/5/935ValidationresultsSum1一致性测试2021/5/936CIspectra

Referencespectra

Testspectra

Standarddeviationspectrum一致性测试2021/5/937Examples:monitoringofmixingprocess一致性测试2021/5/938Examples:tabletsplacebovsverum一致性测试2021/5/939优点基于少量参考样品基础的简单方法 Ä

无需定量校准和定性库的建立用少量合格批次的产品能够进行简单、快速建立或更新模型快速的QA/QC、简单的Yes/No结果对于不同类型样品的变化非常敏感(如

成分、颗粒大小等）一致性测试2021/5/940Beer定律:A=-log

Itrans/I0=-log

T=cdd;cI0Itrans光源检测器:消光系数c:浓度d:光程定量分析的理论依据2021/5/941

比尔定律:A=-log

Iscatt/I0=-log

R=const.

c适用于近红外.;k;cI0光源检测器I散射:消光系数c:浓度k:散射系数

定量分析的理论依据2021/5/942

单变量建模(QUANT1)单一组分体系的建模，只使用1个光谱点分析含量(2组分=2波数,...)通过峰高或峰面积，进行分析理论背景单变量建模

多变量建模(QUANT2)单组分或多组分体系的建模，通常选用整个波数范围通过化学计量学方法(如PLS)，进行分析2021/5/943单变量建模，遵从Beer’s定律

A=pC+eA:指定波数处的吸光值p: 指定波数处的系数C: 单组分的浓度理论背景单变量建模指定的波数只有一个；对应峰需从重叠峰中分离出来2021/5/944分析1245吸光度浓度1425吸光度波数XX理论背景单变量建模2021/5/945优点：形象、直观，便于理解缺点：非全谱分析的方法不能识别由其它未知组分造成的异常项或干扰探测器噪声引起的统计误差直接表现在含量值中，必须多次重复测量分析多组分体系时，待测组分的信号峰必须完全分开未考虑温度波动或分子内部相互作用理论背景单变量建模2021/5/9461标准方法分析样品2.采集光谱3.优化、检验、建立模型1.测定未知样品光谱2.调用模型3.预测结果定量分析基本原理

建立模型分析样品2021/5/947SpectraofthecalibrationsamplesConcentrationvaluesofcalibrationsamples+=CalibrationfunctionMeasureddataConcentrationdata多元定量分析2021/5/948SpectraoftheunknownsampleConcentrationof

unknownsamples+=CalibrationfunctionMeasureddataResultofanalysis多元定量分析2021/5/949近红外分析的过程数据采集样品集选择校正模型常规分析编辑显示预测评价光谱数据模型优化分析未知样品验证谱区选择光谱预处理选择2021/5/950内部交叉检验

Differ1Differ2Differ3……Differn内部交叉检验(crossvalidation)2021/5/951外部检验（Prediction）Differ1Differ2Differ3……Differn模型检验样品2021/5/952模型内部交叉检验决定系数均方差同一组样品、同一组分，R2越大，RMSECV越小。决定于模型优化的条件、实验室化学分析水平和近红外仪器的性能。RMSECV最重要，决定预测样品的误差大小。2021/5/953如何判定近红外定量分析是否可行?RMSEE、RMSEC或SEC（C：Calibration），RMSECV、SECV（CV：CrossValidation），RMSEP、SEP（P：Prediction）三者的关系：RMSEE与RMSECV:同一模型，RMSEE一定小于RMSECV；但两者不应存在显著性差异，否则，样品代表性不好或模型信息提取不充分。RMSECV与RMSEP:RMSEP远大于RMSECV，建模样品的代表性差、模型信息拟和不够或过拟和；RMSEP远小于RMSECV，验证样品代表性差。文章或方法中只给出校正均方差，不能说明任何问题，要注意。至少要给出交叉检验均方差，当然最好给出预测均方差。RMSECV应该与实验室标准方法的精密度相当。2021/5/954校正交叉检验如何判定近红外定量分析模型的质量外部检验2021/5/955各组分之间出现相关性2021/5/956怎样建立好的近红外定量分析模型？1、确定近红外定量分析的目标准确度。实验室标准方法的准确度和精密度确认。2、选择分析样品的近红外附件、光谱扫描的参数、规范操作步骤。3、选择或配备代表性建模样品集。4、模型优化。5、模型验证（内部交叉验证和外部验证）。2021/5/957确定近红外定量分析的目标准确度近红外定量分析方法是二级方法，利用化学计量学方法将近红外光谱与实验室分析数据进行关联，建立近红外模型对未知样品进行预测。实验室分析数据的准确度非常重要，完全遵循“量子传递”的误差理论。实验室数据越准确，近红外模型的准确度也会越高。目标准确度是评价近红外模型的首要条件。2021/5/958确定近红外定量分析的目标准确度考察实验室数据：方法的可靠性方法的准确性方法的重现性方法的误差范围测试中偶然误差、系统误差2021/5/959实验条件的选择

根据仪器的光谱响应特征1、选择分析样品的近红外附件液体样品要选择不同光程的比色皿：

颜色深、吸收强的样品，光程短；颜色浅、吸收弱，光程长。固体样品要根据粒径大小、均匀程度选择：

粒径大、不均匀的样品应选择扫描面积大的样品附件。粒径小、均匀的样品应选择扫描面积小或大的样品附件。2、光谱扫描的参数分辨率、扫描次数、光谱范围。3、规范操作步骤特别对固体样品要保证装样的一致性。最终目的：得到稳定的高质量光谱。

2021/5/960不同光程比色皿测定的光谱5mm光程2mm光程2021/5/961样品集的选择选择或配备代表性建模样品集。天然样品和反应过程中的样品，选择的代表性样品数量比较大。成分已知样品，选择的代表性样品数量比较少。可使用化学计量学方法对样品进行选择、设计。2021/5/962不同含量样品数的选择不同含量样品数量选择不能以现实的样品变化进行选择，应该在所有含量范围内均匀选择。完美的分布(很少出现的情况)比较合理的分布2021/5/963样品分布