第一部分近紅外光譜分析基礎(chǔ)知識

1、NuclearTransitionsSpinOrientation in MagneticFieldMolecularRotationsMolecularVibrationsValanceElectronTransitionsInnerShell Electronic Transitions-RayRadio, TV WavesMicrowaveInfraredNMRESRFIRMIRX RayvisibleNIRUltravioletInteractionRegion10-310-210-11101102103104105106107108101110-110-210-310-410-510

2、-610-710-810-910-10Wavelength(cm-1)Wavelength(m)12,500 cm-1 (800 nm)4,000 cm -1 (2500 nm)（一）定義：（一）定義：（二）近紅外光譜的產(chǎn)生（二）近紅外光譜的產(chǎn)生 近紅外譜區(qū)的吸收是由于分子振動(dòng)的近紅外譜區(qū)的吸收是由于分子振動(dòng)的倍頻或合頻吸收造成的，但分子中只有基倍頻或合頻吸收造成的，但分子中只有基頻振動(dòng)的波數(shù)在頻振動(dòng)的波數(shù)在20002000cmcm-1-1以上時(shí)，其倍頻吸以上時(shí)，其倍頻吸收才能處于近紅外譜區(qū)，因此物質(zhì)在近紅收才能處于近紅外譜區(qū)，因此物質(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)外譜區(qū)的吸收主要

3、包括以下基團(tuán)基頻振動(dòng)及其合頻和倍頻振動(dòng)吸收：及其合頻和倍頻振動(dòng)吸收： C-H, N-H, O-H, S-HC-H, N-H, O-H, S-H振動(dòng)吸收振動(dòng)吸收基頻譜帶：由基態(tài)（基頻譜帶：由基態(tài)（v=0v=0）躍遷到第一振動(dòng)激發(fā)態(tài)）躍遷到第一振動(dòng)激發(fā)態(tài)（v=1v=1）所產(chǎn)生的譜帶稱為基頻譜帶；）所產(chǎn)生的譜帶稱為基頻譜帶； 倍頻譜帶：由基態(tài)直接躍遷到第二振動(dòng)激發(fā)態(tài)（倍頻譜帶：由基態(tài)直接躍遷到第二振動(dòng)激發(fā)態(tài)（v=2, 3, 4v=2, 3, 4）以上所產(chǎn)生的譜帶稱為倍頻譜帶；）以上所產(chǎn)生的譜帶稱為倍頻譜帶；合頻：如果一個(gè)光子的能量同時(shí)激發(fā)二種基頻的躍合頻：如果一個(gè)光子的能量同時(shí)激發(fā)二種基頻的躍遷遷,

4、 ,則分子在光譜中的吸收峰位置等于這種基頻振則分子在光譜中的吸收峰位置等于這種基頻振動(dòng)頻率的和動(dòng)頻率的和, ,稱這種吸收為合頻。稱這種吸收為合頻。油酸的近紅外和中紅外光譜圖油酸的近紅外和中紅外光譜圖 吸收度吸收度波波數(shù)數(shù) cmcm-1-1近紅外近紅外中紅外中紅外（三）獲得近紅外光譜的方法（三）獲得近紅外光譜的方法吸收吸收全反射全反射漫反射漫反射透射透射散射散射scatteringtransmittanceDiffuse reflectanceabsorption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光源單色器樣品樣品單色器光源檢測器檢測器Near

5、-IR Reflectance (NIR) 漫反射式Near-IR Trans-Reflectance (NITR) 透反射式（液體）不同的采樣方法不同的采樣方法近紅外吸收光譜近紅外吸收光譜 近紅外吸收光譜近紅外吸收光譜 是指在一定近紅外譜區(qū)范是指在一定近紅外譜區(qū)范圍和一定掃描分辨率條件下，物質(zhì)在所有波圍和一定掃描分辨率條件下，物質(zhì)在所有波長點(diǎn)的吸收值連接成的線，表征為該物質(zhì)在長點(diǎn)的吸收值連接成的線，表征為該物質(zhì)在以上測試條件下的近紅外吸收光譜。以上測試條件下的近紅外吸收光譜。遵循遵循Lambert-Beer定律定律A = -log(I/Io) or A = -log T= log(1/r)（

6、四）近紅外光譜包含的基本信息（四）近紅外光譜包含的基本信息活性成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息活性成分的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息輔料的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息輔料的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息活性成分的工藝信息（如晶型、旋光度、密活性成分的工藝信息（如晶型、旋光度、密度等）度等）制劑的工藝特征（如制粒的大小、硬度等）制劑的工藝特征（如制粒的大小、硬度等）部分包裝材料的結(jié)構(gòu)信息部分包裝材料的結(jié)構(gòu)信息（五）近紅外光譜的特點(diǎn)（五）近紅外光譜的特點(diǎn)1、信息范圍：分子中只有基頻振動(dòng)的頻率在信息范圍：分子中只有基頻振動(dòng)的頻率在2000cm2000cm-1-1以上的振以上的振動(dòng)（主要含有動(dòng)（主要含有C-HC-H、N-HN-H、O-HO-H等的伸縮振動(dòng)）其倍頻吸

7、收才能處等的伸縮振動(dòng)）其倍頻吸收才能處于近紅外譜區(qū)。于近紅外譜區(qū)。2 2、信息量：近紅外譜區(qū)除有不同級別的倍頻譜帶外，還包含不、信息量：近紅外譜區(qū)除有不同級別的倍頻譜帶外，還包含不同形式組合的合頻吸收，譜帶復(fù)雜，信息豐富。同形式組合的合頻吸收，譜帶復(fù)雜，信息豐富。3 3、信息強(qiáng)度：倍頻與合頻躍遷的幾率比基頻躍遷小的多，有機(jī)、信息強(qiáng)度：倍頻與合頻躍遷的幾率比基頻躍遷小的多，有機(jī)物在近紅外區(qū)的摩爾吸光系數(shù)比中紅外區(qū)小物在近紅外區(qū)的摩爾吸光系數(shù)比中紅外區(qū)小1-51-5個(gè)數(shù)量級，比紫個(gè)數(shù)量級，比紫外可見區(qū)小外可見區(qū)小2-42-4個(gè)數(shù)量級。個(gè)數(shù)量級。4 4、信息品質(zhì)：近紅外譜區(qū)的譜帶比中紅外譜區(qū)的譜帶寬

8、，近紅、信息品質(zhì)：近紅外譜區(qū)的譜帶比中紅外譜區(qū)的譜帶寬，近紅外譜區(qū)的譜帶重疊嚴(yán)重，常規(guī)方法解析困難。外譜區(qū)的譜帶重疊嚴(yán)重，常規(guī)方法解析困難。（六）近紅外光譜的基本分析方法（六）近紅外光譜的基本分析方法 現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)不是通過觀察供現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)不是通過觀察供試品譜圖特征或測量參數(shù)直接進(jìn)行定性或定試品譜圖特征或測量參數(shù)直接進(jìn)行定性或定量分析量分析,而是首先通過測定訓(xùn)練集的光譜、而是首先通過測定訓(xùn)練集的光譜、利用組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)（通過其它認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)利用組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)（通過其它認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)方法測定），采用合適的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建方法測定），采用合適的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立校正模型，在通過建立的校正模型

9、與未知立校正模型，在通過建立的校正模型與未知樣品進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)定性定量分析。樣品進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)定性定量分析。發(fā)展史：發(fā)展史：50年代以前年代以前,初步認(rèn)識初步認(rèn)識50年代以后年代以后,農(nóng)副產(chǎn)品農(nóng)副產(chǎn)品60年代中期年代中期,沉睡期沉睡期80年代年代,成長期成長期90年代年代,快速發(fā)展快速發(fā)展（七）近紅外分析的發(fā)展及應(yīng)用（七）近紅外分析的發(fā)展及應(yīng)用近紅外分析的特點(diǎn)近紅外分析的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：樣品預(yù)處理簡單或無需預(yù)處理，適用于樣品預(yù)處理簡單或無需預(yù)處理，適用于各種固體、液體和氣體樣品分析。各種固體、液體和氣體樣品分析。分析時(shí)間短，每張光譜的掃描時(shí)間小于分析時(shí)間短，每張光譜的掃描時(shí)間小于一分鐘。一分鐘

10、。1. 一次全光譜掃描，可以獲得各類化學(xué)成一次全光譜掃描，可以獲得各類化學(xué)成分定性或定量的數(shù)據(jù)，因此具有同時(shí)分分定性或定量的數(shù)據(jù)，因此具有同時(shí)分析多種化學(xué)成分的能力。析多種化學(xué)成分的能力。4. 可以透過玻璃和一些塑料包裝直接進(jìn)行可以透過玻璃和一些塑料包裝直接進(jìn)行測量，屬于非破壞性分析方法，通過測量，屬于非破壞性分析方法，通過光纖探頭等輔助設(shè)備，使其可以進(jìn)行光纖探頭等輔助設(shè)備，使其可以進(jìn)行生產(chǎn)過程的在線監(jiān)測并且適用于不同生產(chǎn)過程的在線監(jiān)測并且適用于不同的測試環(huán)境。的測試環(huán)境。5. 維護(hù)費(fèi)用及分析成本比普通色譜分析技維護(hù)費(fèi)用及分析成本比普通色譜分析技術(shù)低，一般不耗費(fèi)化學(xué)溶劑或試劑。術(shù)低，一般不耗費(fèi)

11、化學(xué)溶劑或試劑。6. 儀器操作簡單，一般操作人員均可操作儀器操作簡單，一般操作人員均可操作使用。使用。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)： 測試靈敏度相對較低測試靈敏度相對較低(0.1%)(0.1%) 一種間接分析技術(shù)一種間接分析技術(shù) 信號重疊嚴(yán)重信號重疊嚴(yán)重, ,難以判斷物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu)難以判斷物質(zhì)化學(xué)結(jié)構(gòu), ,需需化學(xué)計(jì)量學(xué)的大力協(xié)助化學(xué)計(jì)量學(xué)的大力協(xié)助 易受樣品物性或周圍環(huán)境的影響易受樣品物性或周圍環(huán)境的影響, ,若無謹(jǐn)慎若無謹(jǐn)慎規(guī)則規(guī)則, ,較難取得穩(wěn)健的模型較難取得穩(wěn)健的模型 需長期依賴技術(shù)支援（建模、光譜庫、維需長期依賴技術(shù)支援（建模、光譜庫、維修等）修等） 目前，將近紅外用于假藥的識別成為藥物分析領(lǐng)域一個(gè)新

12、的熱點(diǎn)。 國外的研究剛剛起步且局限于輔料間有所差異的不同生產(chǎn)廠家的同一品種藥物的鑒別。 與國外相比，我們所要建立的模型在樣品來源、種類、影響因素等方面更加復(fù)雜。假藥識別假藥識別第二部分第二部分 近紅外藥品鑒近紅外藥品鑒別系統(tǒng)介紹別系統(tǒng)介紹車載型近紅外分析儀車載型近紅外分析儀是否為標(biāo)簽是否為標(biāo)簽標(biāo)示藥品標(biāo)示藥品(定性定性)是否為特定是否為特定企業(yè)的產(chǎn)品企業(yè)的產(chǎn)品(定性定性)藥品質(zhì)量藥品質(zhì)量快速檢驗(yàn)快速檢驗(yàn)(定量定量)（二）車載近紅外藥品快速分析流程（二）車載近紅外藥品快速分析流程建立模型建立模型測定未知樣品測定未知樣品1. 選擇代表性樣品測試選擇代表性樣品測試2. 計(jì)算平均光譜和閾值計(jì)算平均光譜

13、和閾值3. 建立和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ徒⒑蜋z驗(yàn)?zāi)Ｐ?. 測定未知樣品光譜測定未知樣品光譜2. 調(diào)用模型調(diào)用模型3. 鑒定未知樣品鑒定未知樣品 500060007000800090001000011000Wavenumber cm-10.20.30.40.50.60.70.80.9Absorbance Units5000600070008000900010000110000.20.30.40.50.60.70.80.9Absorbance Units Sample Identified as Material X（三）定性分析（三）定性分析定性分析閾值的確定定性分析閾值的確定測定未知樣品的原理測定未知樣品

14、的原理未知樣品可以被鑒定未知樣品可以被鑒定: D(X-A)D(B)建立定性模型的難點(diǎn)建立定性模型的難點(diǎn)第一個(gè)難點(diǎn)：模型的分辨能力不夠，對一些近紅外譜圖差異較小的物質(zhì)不能被正確識別。第二個(gè)難點(diǎn)：算法的局限性，使得一些近紅外圖譜差異較大，但譜圖滿足一定數(shù)字關(guān)系的物質(zhì)被錯(cuò)誤識別。第三個(gè)難點(diǎn)：代表性樣品的收集。 第一個(gè)難點(diǎn)：第一個(gè)難點(diǎn)： 阿莫西林鈉與阿阿莫西林鈉與阿莫西林鈉莫西林鈉/ /克拉維酸克拉維酸鉀（鉀（5:1)5:1)制劑的近紅制劑的近紅外光譜非常相似，采外光譜非常相似，采用全譜識別時(shí)，二者用全譜識別時(shí)，二者不能相互識別。不能相互識別。 利用局部特征譜利用局部特征譜段的差異，可以有效段的差異，

15、可以有效地識別結(jié)構(gòu)類似物。地識別結(jié)構(gòu)類似物。阿莫西林鈉（紫色）與阿莫西林鈉克阿莫西林鈉（紫色）與阿莫西林鈉克拉維酸鉀（紅色）近紅外光譜的比較拉維酸鉀（紅色）近紅外光譜的比較 第二個(gè)難點(diǎn)：第二個(gè)難點(diǎn)： 300300張維生素張維生素C C片近紅外光譜有片近紅外光譜有281281張被錯(cuò)誤的識別為張被錯(cuò)誤的識別為羅紅霉素片。羅紅霉素片。 利用全譜進(jìn)行利用全譜進(jìn)行識別時(shí)，較少發(fā)生識別時(shí)，較少發(fā)生第二類識別錯(cuò)誤第二類識別錯(cuò)誤 。羅紅霉素片劑平均光譜（紫色）與維羅紅霉素片劑平均光譜（紫色）與維生素生素C片劑平均光譜（藍(lán)色）的比較片劑平均光譜（藍(lán)色）的比較建模思路建模思路1 1：結(jié)構(gòu)相近的同系物藥物放在一組進(jìn)

16、行識別：結(jié)構(gòu)相近的同系物藥物放在一組進(jìn)行識別水楊酸類：水楊酸類：母核母核代表品種：代表品種： 水楊酸水楊酸 水楊酸鈉水楊酸鈉 對氨基水楊酸鈉對氨基水楊酸鈉 阿司匹林阿司匹林 貝諾酯貝諾酯識別模型識別模型（根據(jù)（根據(jù)NIR光譜的差異對光譜的差異對同類藥品進(jìn)行識別）同類藥品進(jìn)行識別）確證模型確證模型（利用（利用NIR全譜進(jìn)一步全譜進(jìn)一步排除第二類識別錯(cuò)誤）排除第二類識別錯(cuò)誤）實(shí)現(xiàn)唯一鑒別實(shí)現(xiàn)唯一鑒別鑒別為已知品種鑒別為已知品種鑒別為假藥鑒別為假藥鑒別終止鑒別終止建模思路建模思路2 2：采用：采用“兩步識別兩步識別”的方案的方案建模思路建模思路3 3 ：適當(dāng)調(diào)整模型中各品種的閾值：適當(dāng)調(diào)整模型中各品

17、種的閾值大樣本根據(jù)正態(tài)分布的規(guī)律，將閾值定為均值2SD，可以保證有95的樣品預(yù)測準(zhǔn)確小樣本則根據(jù)結(jié)構(gòu)相近物質(zhì)大樣本的閾值做適當(dāng)調(diào)整能夠滿足近紅外分析方法做藥品檢驗(yàn)現(xiàn)場初篩的目的。近紅外模型建立的總體框架近紅外模型建立的總體框架琥乙紅霉素片 劑粉針劑膠囊劑鋁塑包裝非鋁塑包裝鋁塑包裝非鋁塑包裝去糖衣片*理論上講，同一品種非鋁塑包裝的模型準(zhǔn)確度較鋁塑包裝模型高（五）模型傳遞（五）模型傳遞 模型傳遞是指在近紅外光譜分析應(yīng)用過程中，采用數(shù)學(xué)處理的方法，使得不同儀器上采集的數(shù)據(jù)，使用相同分析模型處理時(shí)，能得到相同的結(jié)果。 保證模型傳遞準(zhǔn)確性的關(guān)鍵保證模型傳遞準(zhǔn)確性的關(guān)鍵 干涉儀是保證傅立葉變換近紅外光譜儀模型傳干涉儀是保證傅立葉變換近紅外光譜儀模型傳遞準(zhǔn)確性和測定準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。遞準(zhǔn)確性和測定準(zhǔn)確性的關(guān)鍵。立體角鏡立體角鏡 采用立體角鏡偶合等技術(shù)為基礎(chǔ)的8臺傅立葉變換型近紅外光譜儀之間傳輸 間苯二酚水溶液定量模型，在未對模型進(jìn)行任何校正的情況下，對一批樣品（300g/l）每臺儀器每星期測定10次，連續(xù)測定60個(gè)星期