胡軍--近紅外光檢測應用

1、11.522.5x 10-40.050.10.150.20.250.30.350.40.450.50.55近紅外光譜檢測技術及應用近紅外光譜檢測技術及應用近紅外光譜檢測技術在農業(yè)中的應用近紅外光譜檢測技術在農業(yè)中的應用近紅外光譜檢測技術在食品工業(yè)中的應用近紅外光譜檢測技術在食品工業(yè)中的應用近紅外光譜檢測技術在其他行業(yè)中的應用近紅外光譜檢測技術在其他行業(yè)中的應用凹面反射鏡凹面反射鏡樣品出口樣品出口檢測器檢測器凹面反射鏡凹面反射鏡樣品入口樣品入口分光板分光板可移動鏡可移動鏡M1固固定定鏡鏡M2邁克遜干涉儀結構原理圖邁克遜干涉儀結構原理圖傅立葉變換紅外吸收光譜儀（傅立葉變換紅外吸收光譜儀（FI-IR

2、）時域函數(shù)頻域函數(shù)1 概述（概述（1） 紅外光譜屬于分子振動光譜。 當樣品受到頻率連續(xù)變化的紅外光照射時，分子吸收了某些頻率的輻射，并使得這些吸收區(qū)域的透射光強度減弱。 記錄紅外光的百分透射比與波長關系的曲線，即為紅外光譜，所以又稱之為紅外吸收光譜。1 概述（概述（2）紅外拉曼紅外拉曼 紅外光譜英文為 Infrared Spectrometry (IR) 樣品吸收紅外輻射的主要原因是： 分子中的化學鍵 因此, IR可用于鑒別化合物中的化學鍵類型，可對分子結構進行推測。既適用于結晶質物質，也適用于非晶質物質。2 紅外光區(qū)的劃分（1） 紅外光區(qū)介于可見光與微波之間，波長范圍約為0.76-1000m

3、，為了便于描述，引入一個新的概念波數(shù)(wave number)。波數(shù)： ，波長的倒數(shù)，每厘米的波長個數(shù)， 單位 cm1 1/（cm） 104/ （m） 2 紅外光區(qū)的劃分（紅外光區(qū)的劃分（2）紅外拉曼紅外拉曼近紅外：0.762.5m，131584000cm-1 主要為OH，NH（亞氨基，CH（碳-氫極性共價鍵）的倍頻吸收.中紅外：2.525m，4000400cm-1 主要為分子振動，伴隨振動吸收遠紅外：251000m，40010cm-1 主要為分子的轉動吸收 其中，中紅外區(qū)是研究的最多、最深的區(qū)域，一般所說的紅外光譜就是指中紅外區(qū)的紅外吸收光譜。3 紅外吸收產生的原理（紅外吸收產生的原理（1）

4、紅外拉曼紅外拉曼紅外光的能量： 與一般的電磁波一樣，紅外光亦具有波粒二像性：既是一種振動波，又是一種高速運動的粒子流。 其波長表示為波數(shù)的形式 1/（cm） 104/ （m） 所具有的能量為： Ehc/ hc 紅外光所具有的能量正好相當于分子（化學鍵）的不同能量狀態(tài)之間的能量差異。因此才會發(fā)生對紅外光的吸收效應。 在果蔬品質檢測中主要檢測對象包括黃瓜、大白菜、西紅在果蔬品質檢測中主要檢測對象包括黃瓜、大白菜、西紅柿、鮮辣椒等，具體的檢測指標主要有糖分、維生素柿、鮮辣椒等，具體的檢測指標主要有糖分、維生素C C、粗蛋白中性纖維、糖度、酸度和內部褐變等。在食品安粗蛋白中性纖維、糖度、酸度和內部褐變

5、等。在食品安全方面主要是針對一些有害物質的殘留的鑒別等。全方面主要是針對一些有害物質的殘留的鑒別等。1、 近紅外光譜檢測技術在農業(yè)中的應用近紅外光譜檢測技術在農業(yè)中的應用1.1 在果蔬品質檢測中的應用在果蔬品質檢測中的應用表表 4-4 近紅外光光譜檢測水果的研究工作近紅外光光譜檢測水果的研究工作水果糖度和有效酸度近紅外光在線檢測示意圖v Dull 等等 (1989)利用近紅外光利用近紅外光 880nm和和 913nm兩個波長的單色光檢測甜瓜和哈蜜瓜的可兩個波長的單色光檢測甜瓜和哈蜜瓜的可活性固形物含量活性固形物含量漫反射水果檢測原理簡圖v Kawano 等等(1992)利用近紅外光光進行溫州利

6、用近紅外光光進行溫州蜜柑的透射光譜糖度檢測，光譜范圍為蜜柑的透射光譜糖度檢測，光譜范圍為 680-1235nm，并采用多元線性回歸，并采用多元線性回歸(MLR)和二次和二次微分光譜建模，得出微分光譜建模，得出 r0.989的結論。的結論。透射光譜糖度檢測 v Schmilovitch Zeev 等等(2000)利用近紅外光反射利用近紅外光反射技術和多元統(tǒng)計分析技術和多元統(tǒng)計分析(MLR)， 主成分分析主成分分析(PCA)和偏和偏最小二乘法最小二乘法(PLS)，檢測芒果的可溶性固形物含量、酸，檢測芒果的可溶性固形物含量、酸度和果肉硬度，度和果肉硬度，MLR 分析的相關系數(shù)分別為分析的相關系數(shù)分別

7、為 0.92，0.61，0.82。水果內部品質近紅外光檢測系統(tǒng)v 劉燕德等人劉燕德等人 (2004) 基于近紅外光譜技術建立基于近紅外光譜技術建立了水果糖份含量的測量系統(tǒng)，主要包括了水果糖份含量的測量系統(tǒng)，主要包括 FT-IR 光譜儀、光纖漫反射附件和計算機及數(shù)據(jù)采集卡。光譜儀、光纖漫反射附件和計算機及數(shù)據(jù)采集卡。其具體的檢測方法為：蘋果的近紅外光漫反射光其具體的檢測方法為：蘋果的近紅外光漫反射光譜測量通過一個專門的試驗系統(tǒng)來測定，這個系譜測量通過一個專門的試驗系統(tǒng)來測定，這個系統(tǒng)包括一個寬波段的光源統(tǒng)包括一個寬波段的光源(50W石英鹵素燈石英鹵素燈)，一個固定光纖和水果樣品架。一個固定光纖和

8、水果樣品架。水果可見-近紅外光檢測系統(tǒng)1.2 在植物信息檢測中的應用在植物信息檢測中的應用 v植被的反射光譜特征主要由葉片中的葉肉細胞、植被的反射光譜特征主要由葉片中的葉肉細胞、葉綠素、水分含量和其他生物化學成份對光線的葉綠素、水分含量和其他生物化學成份對光線的吸收和反射形成的，在不同波段，植被的反射光吸收和反射形成的，在不同波段，植被的反射光譜曲線具有不同的形態(tài)特征，它是物體表面粒子譜曲線具有不同的形態(tài)特征，它是物體表面粒子結構、粒子尺度、粒子的光學性質、入射光波長結構、粒子尺度、粒子的光學性質、入射光波長等參數(shù)的函數(shù)。國內外相關學者做了大量的研究。等參數(shù)的函數(shù)。國內外相關學者做了大量的研究

9、。vDeTar 等等(2007)利用高光譜估算棉花的植被利用高光譜估算棉花的植被指數(shù)；指數(shù)；vDirk等等2005年利用光譜成像估算小麥葉綠素含年利用光譜成像估算小麥葉綠素含量；量；vSui等等(2004)利用光譜成像估算棉花的氮素含利用光譜成像估算棉花的氮素含量；量；vBorhan 等（等（2005）利用光譜成像估算土豆葉）利用光譜成像估算土豆葉片的葉綠素和氮素含量。片的葉綠素和氮素含量。v李民贊等李民贊等(2005)在在對溫室栽培黃瓜分析對溫室栽培黃瓜分析的基礎上，提出了利的基礎上，提出了利用規(guī)一化顏色指數(shù)用規(guī)一化顏色指數(shù)（NDCI）診斷溫室）診斷溫室作物長勢的模型，并作物長勢的模型，并在

10、在NDCI基礎上，開基礎上，開發(fā)了基于光導纖維的發(fā)了基于光導纖維的溫室作物長勢監(jiān)測儀。溫室作物長勢監(jiān)測儀。溫室作物長勢監(jiān)測儀示意圖1.3 在畜禽產品檢測中的應用在畜禽產品檢測中的應用 v近紅外光譜由于其自身快速、方便、精確、以及近紅外光譜由于其自身快速、方便、精確、以及無污染危害等優(yōu)點，現(xiàn)如今已被廣泛應用到畜禽無污染危害等優(yōu)點，現(xiàn)如今已被廣泛應用到畜禽產品中來。像肉類、禽蛋、水產品。產品中來。像肉類、禽蛋、水產品。 vBrennan 等等(2003)建立了一個近紅外光譜系建立了一個近紅外光譜系統(tǒng)用來在線檢測牛奶處理過程中的脂肪含量。該統(tǒng)用來在線檢測牛奶處理過程中的脂肪含量。該系統(tǒng)是利用系統(tǒng)是利

11、用 LIGA 技術由光學元件構建的微系統(tǒng)，技術由光學元件構建的微系統(tǒng)，他們將其用于牛奶處理過程中，在他們將其用于牛奶處理過程中，在 8001100nm波長范圍內，對牛奶中脂肪含波長范圍內，對牛奶中脂肪含量的變化的檢測，系統(tǒng)響應敏感。但是這只是對量的變化的檢測，系統(tǒng)響應敏感。但是這只是對這一設備的初步應用，進一步工作應著眼于在過這一設備的初步應用，進一步工作應著眼于在過程控制環(huán)節(jié)中如何程控制環(huán)節(jié)中如何v引入成本低的光學系統(tǒng)以及對檢測進程和裝置設引入成本低的光學系統(tǒng)以及對檢測進程和裝置設計的改善，計的改善， 以期提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。以期提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。夏賀元康小組進行牛奶在線檢測示意圖夏賀元康小組

12、進行牛奶在線檢測示意圖應用應用 ASD便攜光譜儀檢測肉類品質示意圖便攜光譜儀檢測肉類品質示意圖v李慶波等（李慶波等（2002）研究）研究了采用近紅外光譜技術檢了采用近紅外光譜技術檢測牛奶中主要成分。測牛奶中主要成分。v劉蓉等（劉蓉等（2005）綜合利）綜合利用半數(shù)重采樣法和最小半用半數(shù)重采樣法和最小半球體積法對牛奶成分測量球體積法對牛奶成分測量的近紅外光譜進行了奇異的近紅外光譜進行了奇異點的剔除實驗。點的剔除實驗。v劉燕德等（劉燕德等（2007）采用）采用紫外可見光（紫外可見光（200-800nm）透射檢測雞蛋）透射檢測雞蛋的新鮮度。的新鮮度。透射法檢測雞蛋新鮮度 261.4 在經濟作物檢測中

13、的應用在經濟作物檢測中的應用 vLupaert 等（等（2003）、）、Zhang 等（等（2004）先后利用近紅外光譜方法定性和定量地分析了茶先后利用近紅外光譜方法定性和定量地分析了茶葉中蛋白質、咖啡堿、氨基酸、多酚類以及水分葉中蛋白質、咖啡堿、氨基酸、多酚類以及水分的含量。岡本存喜等（的含量。岡本存喜等（1989）對福建烏龍茶和）對福建烏龍茶和日本的玉露、煎茶等蒸青綠茶進行了水份的測定。日本的玉露、煎茶等蒸青綠茶進行了水份的測定。吉川聰一郎等（吉川聰一郎等（1997）用）用NIRS測量茶葉中的測量茶葉中的全氮量、氨基酸、咖啡堿和茶多酚。全氮量、氨基酸、咖啡堿和茶多酚。v 王東丹、李天飛等（

14、王東丹、李天飛等（2001）利用）利用BRUKER VERCTOR22/N型傅立葉變換近紅外漫反射光型傅立葉變換近紅外漫反射光v 譜儀對煙草的總糖、還原糖、總氮、尼古丁含量建模分析。譜儀對煙草的總糖、還原糖、總氮、尼古丁含量建模分析。近紅外光在線檢測煙草質量2 近紅外光檢測技術在食品中的應用近紅外光檢測技術在食品中的應用 v 在酒類產品檢測中的應用在酒類產品檢測中的應用 成分鑒定、產地鑒別分析、生產過程控制和成分鑒定、產地鑒別分析、生產過程控制和 瓶裝酒檢測瓶裝酒檢測 、酒品質專用分析儀、酒品質專用分析儀 。v 在調味品檢測中的應用在調味品檢測中的應用 主要對食醋中的酒精和醋酸進行定量分析、主

15、要對食醋中的酒精和醋酸進行定量分析、摻假醋的鑒別、食醋老化程度。醬油原料、醬油摻假醋的鑒別、食醋老化程度。醬油原料、醬油濾餅、醬油成分的分析等。濾餅、醬油成分的分析等。 v 在谷物檢測中的應用在谷物檢測中的應用 利用近紅外漫反射光譜技術建立了小麥籽粒利用近紅外漫反射光譜技術建立了小麥籽粒硬度、水份、粗蛋白、賴氨酸和粗淀粉指標、有硬度、水份、粗蛋白、賴氨酸和粗淀粉指標、有學者已把光學在線測量系統(tǒng)應用于硬質小麥加工學者已把光學在線測量系統(tǒng)應用于硬質小麥加工產品的質量控制，對小麥蛋白質含量和粉粒粒度產品的質量控制，對小麥蛋白質含量和粉粒粒度進行實時在線測量。進行實時在線測量。 在食用油檢測中的應用在

16、食用油檢測中的應用 通過近紅外反射光譜測定亞麻子含油量，使通過近紅外反射光譜測定亞麻子含油量，使用用 NIR 透射光譜快速測定大豆油（透射光譜快速測定大豆油（SBO）氧化）氧化水平，共軛二烯值（水平，共軛二烯值（CD）和茴香胺值。棉籽油粉）和茴香胺值。棉籽油粉中油含量的測定等。中油含量的測定等。3 近紅外光檢測技術在其它行業(yè)中的應用近紅外光檢測技術在其它行業(yè)中的應用v3.1 在石油化工檢測中的應用在石油化工檢測中的應用 石油化工產品的主要成分是各種烴類化合物，石油化工產品的主要成分是各種烴類化合物，其主要官能團是其主要官能團是C-H，因此特別適合近紅外分析。，因此特別適合近紅外分析。 1989

17、年年 Kelly等人用短波近紅外光譜成功測等人用短波近紅外光譜成功測定了汽油辛烷值標志著近紅外光譜技術開始進入定了汽油辛烷值標志著近紅外光譜技術開始進入石油產品質量分析領域。石油產品質量分析領域。 運用近紅外光譜法測定柴油中的芳烴含量，快速運用近紅外光譜法測定柴油中的芳烴含量，快速測定柴油物理性質，測柴油十六烷值，測定柴油測定柴油物理性質，測柴油十六烷值，測定柴油閃點，測定柴油凝點等。閃點，測定柴油凝點等。 近紅外光譜分析技術在汽油分析中運用較多，如近紅外光譜分析技術在汽油分析中運用較多，如快速測定汽油詳細族組成，測定汽油辛烷值，測快速測定汽油詳細族組成，測定汽油辛烷值，測定汽油中乙醇，對汽油

18、模糊聚類分析，在汽油調定汽油中乙醇，對汽油模糊聚類分析，在汽油調和中的運用運用近紅外光譜法結合各類化學計量和中的運用運用近紅外光譜法結合各類化學計量學方法等等。學方法等等。利用近紅外光譜分析定量分析一般流程利用近紅外光譜分析定量分析一般流程利用近紅外光譜分析術可利用近紅外光譜分析術可以快速、簡便、準確的對以快速、簡便、準確的對潤滑油的理化性質進行檢潤滑油的理化性質進行檢測。但是，近紅外光譜譜測。但是，近紅外光譜譜峰寬并且嚴重重疊，利用峰寬并且嚴重重疊，利用近紅外分析方法測定物質近紅外分析方法測定物質性質必須采用多波長數(shù)據(jù)性質必須采用多波長數(shù)據(jù)及合理的化學計量學方法及合理的化學計量學方法借助計算

19、機方可完成。借助計算機方可完成。3.2 在飼料檢測中的應用在飼料檢測中的應用v NIRS 在飼料檢測中在飼料檢測中, 最初多是用于飼草最初多是用于飼草原料和谷物類原料中水分和蛋白質含量的檢測原料和谷物類原料中水分和蛋白質含量的檢測, 隨后用于油料作物籽實的水分、蛋白質等的檢測隨后用于油料作物籽實的水分、蛋白質等的檢測, 都獲得了滿意的結果。都獲得了滿意的結果。 近年來國外一些研究者提出可以利用近紅外近年來國外一些研究者提出可以利用近紅外漫反射光譜技術（漫反射光譜技術（NIDRS）快速預測飼料中營）快速預測飼料中營養(yǎng)物質的消化率。目前，利用養(yǎng)物質的消化率。目前，利用NIDRS測定青貯測定青貯飼料消化率的研究多集中在對青貯牧草和青貯玉飼料消化率的研究多集中