近紅外基礎(chǔ)BRUKER

1、近紅外技術(shù)的基本理論近紅外技術(shù)的基本理論 原子核轉(zhuǎn)變 電磁轉(zhuǎn)動(dòng)分子轉(zhuǎn)動(dòng)分子振動(dòng)外層電子的躍遷 內(nèi)層電 子的躍 遷 -射線X 射線紫外可見(jiàn) 近紅近紅 外外 中紅外遠(yuǎn)紅外電子自旋振動(dòng) 核磁振 動(dòng) 紅外微波Radio, TV 無(wú)線電波 InteractionRegion 108107106105104103102101110-110-210-3 10-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101 Wavelength (cm-1) Wavelength (m) 12,800 cm-1 (780 nm) 3,960 cm -1 (2,526 nm) 什么是近紅外

2、光什么是近紅外光 近紅外的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用發(fā)展里程近紅外的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用發(fā)展里程 1800年近紅外電磁波被發(fā)現(xiàn)，光譜的復(fù)雜性使其“沉睡”了 一個(gè) 半世紀(jì) 20世紀(jì)70年代國(guó)外的農(nóng)業(yè)分析學(xué)家綜合計(jì)算機(jī)技術(shù)、光譜分 析技術(shù)、儀器技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法，首先把近紅外分析技術(shù) 應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品和食品的品質(zhì)分析 進(jìn)入90年代，近紅外分析技術(shù)逐步受到分析化學(xué)家的重視， 應(yīng)用逐步擴(kuò)展到石油化工、醫(yī)藥、生物化學(xué)、煙草、紡織品等 領(lǐng)域。 近紅外現(xiàn)已發(fā)展成為一種獨(dú)立的分析技術(shù)活躍在光譜分析領(lǐng) 域 發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)將近紅外做為質(zhì)量控制、品質(zhì)分析和在線分析 的主要手段，部分方法已經(jīng)成為USP、EP、PASG、EMEA、 AOAC、AACC

3、、ICC的標(biāo)準(zhǔn)。 近紅外波長(zhǎng)表示的度量單位近紅外波長(zhǎng)表示的度量單位 近紅外區(qū)一般用波長(zhǎng)（納米近紅外區(qū)一般用波長(zhǎng)（納米 nm)或（波數(shù)或（波數(shù)cm-1）來(lái)表示來(lái)表示 納米與波數(shù)的換算關(guān)系：納米與波數(shù)的換算關(guān)系： nm= 107/cm-1 或或 cm-1 = 107/ nm 因?yàn)椋阂驗(yàn)椋?cm=107nm 1,000nm處，用波數(shù)表示：處，用波數(shù)表示： 107/ 1,000=10,000cm -1 近紅外光譜的信號(hào)特征近紅外光譜的信號(hào)特征 1、近紅外光的產(chǎn)生：近紅外光源一般用鹵素?zé)?、近紅外光的產(chǎn)生：近紅外光源一般用鹵素?zé)?2、近紅外光的檢測(cè)：近紅外光的檢測(cè)材料是半導(dǎo)體材料，如、近紅外光的檢測(cè)：近紅

4、外光的檢測(cè)材料是半導(dǎo)體材料，如 Si、PbS、 InAs、Ge、InGaAs等等 3、光學(xué)材料：可以使用耐水和便于維護(hù)的材料，如：熔融、光學(xué)材料：可以使用耐水和便于維護(hù)的材料，如：熔融 石英、石英和火石玻璃、石英、石英和火石玻璃、CaF等。等。 輻射光的能量輻射光的能量 被相同振動(dòng)能被相同振動(dòng)能 量的物質(zhì)分子量的物質(zhì)分子 吸收吸收 物質(zhì)表面 振動(dòng)吸收光譜的理論振動(dòng)吸收光譜的理論 物質(zhì) 不同化合物基團(tuán)在近紅外區(qū)的吸收譜帶不同化合物基團(tuán)在近紅外區(qū)的吸收譜帶 吸收 全反射 漫(反)射 透射 散射 scattering transmittance Diffuse reflectance absorpt

5、ion 近紅外光與物質(zhì)的相互作用近紅外光與物質(zhì)的相互作用 specula reflectance SOURCEMONOCHROMATORSAMPLE SAMPLE SAMPLE MONOCHROMATOR MONOCHROMATOR SOURCE SOURCE DETECTOR DETECTOR DETECTOR Near-IR Transmittance (NIT) 透射式透射式 Near-IR Reflectance (NIR) 漫射式漫射式 Near-IR Trans-Reflectance (NITR) 透漫射式透漫射式 DETECTOR 近紅外的采樣方法近紅外的采樣方法 Long p

6、athlength Short pathlength 固體近紅外光譜中的粒徑固體近紅外光譜中的粒徑(particle size)影響影響 煙絲和煙粉末的近紅外光譜煙絲和煙粉末的近紅外光譜 煙絲 煙粉末 q物質(zhì)在近紅外譜區(qū)的吸收主要包括以下基團(tuán)基頻振動(dòng)的合物質(zhì)在近紅外譜區(qū)的吸收主要包括以下基團(tuán)基頻振動(dòng)的合 頻和倍頻振動(dòng)吸收頻和倍頻振動(dòng)吸收 C-H, N-H, O-H, S-H, C=O, C=C q近紅外的合頻振動(dòng)的吸收系數(shù)比中紅外基頻振動(dòng)吸收弱近紅外的合頻振動(dòng)的吸收系數(shù)比中紅外基頻振動(dòng)吸收弱 1- 5個(gè)數(shù)量級(jí)個(gè)數(shù)量級(jí). 0 1 2 3 4 5 9000 8000 7000 6000 5000

7、4000 3000 2000 NIR MIR Absorbance Wavenumber cm-1 Water Spectrum 近紅外吸收光譜特征近紅外吸收光譜特征 近紅外吸收光譜的特點(diǎn)近紅外吸收光譜的特點(diǎn) l 隨著基頻振動(dòng)合頻和倍頻的增隨著基頻振動(dòng)合頻和倍頻的增 加，吸收峰重疊的越嚴(yán)重。加，吸收峰重疊的越嚴(yán)重。 l 多組分復(fù)雜樣品的近紅外光譜多組分復(fù)雜樣品的近紅外光譜 不是各組分單獨(dú)光譜的疊加。不是各組分單獨(dú)光譜的疊加。 l 消光系數(shù)弱，穿透樣品的能力消光系數(shù)弱，穿透樣品的能力 強(qiáng)強(qiáng)( (最深可達(dá)最深可達(dá)5 5cm)cm)。 l 需要需要“化學(xué)計(jì)量學(xué)化學(xué)計(jì)量學(xué)”技術(shù)從復(fù)技術(shù)從復(fù) 雜的光譜中

8、提取信息（世界流行雜的光譜中提取信息（世界流行 算法為偏最小二乘法即算法為偏最小二乘法即PLSPLS）。 煙草樣品的近紅外吸收光譜煙草樣品的近紅外吸收光譜 Beer定律: E = -log Itrans/I0 = -log T = cd d ; c I0Itrans 光源 檢測(cè)器 : 消光系數(shù) c: 濃度 d: 光程 透過(guò)率透過(guò)率: Beer定律定律 定量分析的理論依據(jù)定量分析的理論依據(jù) 1.標(biāo)準(zhǔn)方法分析樣品標(biāo)準(zhǔn)方法分析樣品2. 采集光譜采集光譜3. 建立、優(yōu)化和建立、優(yōu)化和 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蜋z驗(yàn)?zāi)Ｐ?Report Sample #081897-049 Component A81.55% Compon

9、ent B5.38% Component C13.06% 1. 測(cè)定未知樣品光譜測(cè)定未知樣品光譜 2. 調(diào)用模型調(diào)用模型3. 預(yù)測(cè)結(jié)果預(yù)測(cè)結(jié)果 ComponentABC Units% spectrum171.307.0321.67 spectrum279.303.0617.64 spectrum378.408.3413.26 spectrum484.034.3211.65 spectrum1185.021.3413.64 spectrum1278.343.8517.81 定量分析基本原理定量分析基本原理 q建立模型建立模型 q分析樣品分析樣品 近紅外光譜分析的數(shù)學(xué)處理方法近紅外光譜分析的數(shù)學(xué)處

10、理方法 由于近紅外光譜的復(fù)雜性和分析對(duì)象的多元性，決定近由于近紅外光譜的復(fù)雜性和分析對(duì)象的多元性，決定近 紅外光譜分析必須使用多元信息處理技術(shù)，近紅外定量紅外光譜分析必須使用多元信息處理技術(shù)，近紅外定量 分析的常用方法有如下三種。分析的常用方法有如下三種。 1、多元線性回歸、多元線性回歸 2、主成分回歸、主成分回歸 3、偏最小二乘法、偏最小二乘法 內(nèi)部交叉檢驗(yàn)內(nèi)部交叉檢驗(yàn) Differ1 Differ2 Differ3 Differn 內(nèi)部交叉檢驗(yàn)內(nèi)部交叉檢驗(yàn)(cross validation) 外部檢驗(yàn)外部檢驗(yàn) Differ1 Differ2 Differ3 Differn 建模樣品建模樣品

11、 （校正集）（校正集） 預(yù)測(cè)樣品預(yù)測(cè)樣品 （檢驗(yàn)集）（檢驗(yàn)集） 外部檢驗(yàn)外部檢驗(yàn)(Prediction) 模型評(píng)價(jià)指標(biāo)模型評(píng)價(jià)指標(biāo) 2 2 2 1 mi i yy Differ R 2 1 )( i Differ M RMSEPRMSECV 決定系數(shù)決定系數(shù) 均方差均方差 同一組樣品、同一組分，同一組樣品、同一組分，R2越大，越大，RMSECV越小。越小。 決定于模型優(yōu)化的條件、實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析水平和近紅外決定于模型優(yōu)化的條件、實(shí)驗(yàn)室化學(xué)分析水平和近紅外 儀器的性能。儀器的性能。 RMSECV最重要，決定預(yù)測(cè)樣品的誤差大小。最重要，決定預(yù)測(cè)樣品的誤差大小。 q建立模型建立模型 q測(cè)定未知樣品測(cè)定

12、未知樣品 1. 測(cè)定代表性樣品測(cè)試2. 計(jì)算平均光譜和閾值3. 建立和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?1. 測(cè)定未知樣品光譜2. 調(diào)用模型3. 鑒定未知樣品 500060007000800090001000011000 Wavenumber cm-1 0.20.30.40.50.60.70.80.9 Absorbance Units 500060007000800090001000011000 0.20.30.40.50.60.70.80.9 Absorbance Units Sample Identified as Material X 定性分析的基本原理定性分析的基本原理 The sample is posit

13、ively identified only when: Hit Quality Threshold for all other library materials. Hit Quality of the unknown spectrum:0.010943 Threshold for acetyl salicylic acid:0.046744 Hit No.Hit QualityThresholdSubstance 10.010940.04674Acetyl salicylic acid 2 0.18745 0.00888Salicylic acid 3 0.25988 0.02077Sali

14、cylamide 4 0.44652 0.01406Collidon 25 5 0.45558 0.00491Collidon 30 一個(gè)典型的定性分析例子一個(gè)典型的定性分析例子 NIR Overview 近紅外分析是屬于從復(fù)雜、重疊、變動(dòng)復(fù)雜、重疊、變動(dòng)的光譜中來(lái)提取弱信息弱信息的技術(shù) 應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法來(lái)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型來(lái)解決上述困難 建立優(yōu)秀優(yōu)秀數(shù)學(xué)模型存在的一系列困難 好的儀器 優(yōu)秀的分析軟件 建模經(jīng)驗(yàn)豐富的人員 代表性的樣品資源 合理應(yīng)用樣品資源技術(shù) 準(zhǔn)確測(cè)定化學(xué)值水平準(zhǔn)確測(cè)定化學(xué)值水平 - 可靠性、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)適應(yīng)性可靠性、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)適應(yīng)性 模型還要進(jìn)行不斷檢驗(yàn)、修正

15、、轉(zhuǎn)移 缺點(diǎn)缺點(diǎn) 不是不是“原始方法原始方法” 需要大量代表性樣品進(jìn)行化學(xué)分析需要大量代表性樣品進(jìn)行化學(xué)分析 建模建模 檢測(cè)限比較差檢測(cè)限比較差 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn) 分析速度快分析速度快(1分鐘內(nèi)分鐘內(nèi)) 樣品不需預(yù)處理、操作簡(jiǎn)單樣品不需預(yù)處理、操作簡(jiǎn)單 無(wú)浪費(fèi)、無(wú)污染無(wú)浪費(fèi)、無(wú)污染 一次測(cè)試可以測(cè)定多種成分和指標(biāo)一次測(cè)試可以測(cè)定多種成分和指標(biāo) 具有很高的精密度具有很高的精密度 分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確度逼近標(biāo)準(zhǔn)方法分析結(jié)果的統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確度逼近標(biāo)準(zhǔn)方法 可以透過(guò)包裝材料進(jìn)行測(cè)定可以透過(guò)包裝材料進(jìn)行測(cè)定 工業(yè)上可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控工業(yè)上可以做到實(shí)時(shí)監(jiān)控 近紅外光譜分析的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)近紅外光譜分析的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) “多快好省多

16、快好省”、綠色分析技、綠色分析技 術(shù)術(shù) 近紅外儀器的硬件技術(shù)近紅外儀器的硬件技術(shù) 近紅外儀器的硬件介紹近紅外儀器的硬件介紹 濾光片濾光片 光柵光柵 聲光調(diào)制聲光調(diào)制 二極管陣列二極管陣列 偏振干涉偏振干涉 傅立葉變換傅立葉變換 6 6個(gè)濾光片近紅外儀器的光譜個(gè)濾光片近紅外儀器的光譜 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 1919個(gè)濾光片儀器的近紅外光譜個(gè)濾光片儀器的近紅外光譜 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40

17、.60.81.01.2 Absorbance Units 6 6個(gè)和個(gè)和1919個(gè)濾光片儀器近紅外光譜比較個(gè)濾光片儀器近紅外光譜比較 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 光柵型近紅外儀器的光譜光柵型近紅外儀器的光譜 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 濾光片、光柵型儀器近紅外光譜的比較濾光片、光柵型儀器近紅外光譜的比較 12001400160018002

18、00022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 傅立葉變換近紅外儀器的光譜傅立葉變換近紅外儀器的光譜 40005000600070008000900010000 Wavenumber cm-1 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 四種儀器近紅外光譜的比較四種儀器近紅外光譜的比較 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 傅立葉變換與光柵型近紅外儀器光譜比較傅立葉變

19、換與光柵型近紅外儀器光譜比較 5000600070008000 -0.0025-0.0020-0.0015-0.0010-0.00050.00000.00050.0010 Absorbance Units FT Grating 模模 型型 傳傳 遞遞 近紅外分析技術(shù)的難點(diǎn)和技術(shù)策略 近紅外分析是屬于從復(fù)雜、重疊、變動(dòng)復(fù)雜、重疊、變動(dòng)的光譜中來(lái)提取弱信息弱信息的技術(shù) 應(yīng)用化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法來(lái)建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型來(lái)解決上述困難 建立優(yōu)秀優(yōu)秀數(shù)學(xué)模型存在的一系列困難 好的儀器 優(yōu)秀的分析軟件 建模經(jīng)驗(yàn)豐富的人員 代表性的樣品資源 合理應(yīng)用樣品資源技術(shù) 準(zhǔn)確測(cè)定化學(xué)值水平 - 可靠性、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)

20、適應(yīng)性可靠性、穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)適應(yīng)性 模型還要進(jìn)行不斷檢驗(yàn)、修正、轉(zhuǎn)移 q從儀器到儀器 q液體探頭之間 q固體探頭 q透射池 q積分球 q更換主機(jī)部件 模型在儀器之間直接傳輸 33.70 33.75 33.80 33.85 33.90 33.95 34.00 34.05 34.10 34.15 34.20 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 weeks concentration in % wt MPA FranceMPA USMATRIX US #1 A calibration model for dye concentration was de

21、veloped by a manufacturing site in France and distributed to two other sites in the US. A new sample of a stock test solution was analyzed on each instrument once every week and the predicted dye concentrations are plotted above. Direct calibration transfer among the 3 Bruker instruments was success

22、fully demonstrated. The same company now uses 20 Bruker instruments in this application, worldwide. 實(shí)際應(yīng)用中的模型直接傳輸 煙草模型轉(zhuǎn)移的結(jié)果 在上海煙草公司技術(shù)中心的近紅外儀器上測(cè)定57個(gè)樣品，再在倉(cāng)庫(kù)的近紅外儀 器上測(cè)定這57個(gè)樣品，用倉(cāng)庫(kù)的光譜檢驗(yàn)技術(shù)中心的模型，結(jié)果如下： 技術(shù)中心交叉檢驗(yàn)的結(jié)果： R2=98.41% RMSECV=0.0819 倉(cāng)庫(kù)檢驗(yàn)的結(jié)果： R2=98.49% RMSEP=0.0791 油酸PLS校正模型 Range: 63.0 77.8% R2: 0.97 RM

23、SECV: 0.45 % 上述模型在另外五部?jī)x器上的測(cè)試結(jié)果 Range: 63.0 78.6% R2: 0.98 RMSECV: 0.47 % 1、波長(zhǎng)準(zhǔn)確度、波長(zhǎng)準(zhǔn)確度 2、波長(zhǎng)精度、波長(zhǎng)精度 3、吸光度線性、吸光度線性 4、測(cè)試的規(guī)范化條件要一致、測(cè)試的規(guī)范化條件要一致 影響模型直接傳遞的因素 Bruker FT-NIR 波長(zhǎng)準(zhǔn)確度波長(zhǎng)準(zhǔn)確度: q用自然界水蒸汽在 7306. 74 cm-1處的吸收為標(biāo)準(zhǔn) q典型的準(zhǔn)確度: 0.05 cm-1 (0.005 nm) Bruker FT-NIR 波長(zhǎng)精度波長(zhǎng)精度: q用自然界水蒸汽在 7306. 74 cm-1處的吸收為標(biāo)準(zhǔn) q典型的精度: 0.1