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文檔簡介
近紅外光譜分析技術(shù)的進(jìn)展與展望一、本文概述近紅外光譜分析技術(shù)是一種基于物質(zhì)在近紅外光譜區(qū)域的吸收和反射特性的分析方法。近紅外光譜區(qū)域通常指的是波長在780nm至2500nm之間的電磁波譜范圍。這項(xiàng)技術(shù)以其非破壞性、快速、無需復(fù)雜樣品預(yù)處理等優(yōu)點(diǎn),在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、石油化工等多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,近紅外光譜分析技術(shù)也在不斷地發(fā)展與創(chuàng)新,其精確度和應(yīng)用范圍都在持續(xù)擴(kuò)大。本文旨在對近紅外光譜分析技術(shù)的最新進(jìn)展進(jìn)行全面而系統(tǒng)的綜述,探討其在實(shí)際應(yīng)用中的優(yōu)勢與挑戰(zhàn),并展望未來的發(fā)展趨勢。文章將首先回顧近紅外光譜分析技術(shù)的基本原理和發(fā)展歷程,然后重點(diǎn)介紹近年來在方法創(chuàng)新、儀器改進(jìn)以及應(yīng)用領(lǐng)域的拓展等方面的主要成果。接著,我們將討論目前存在的技術(shù)瓶頸和可能的解決方案,以及新技術(shù)在其他領(lǐng)域的潛在應(yīng)用。我們將展望近紅外光譜分析技術(shù)在未來可能的發(fā)展方向,包括新方法的開發(fā)、儀器設(shè)備的進(jìn)一步智能化和便攜化,以及在更多領(lǐng)域中的推廣和應(yīng)用。二、近紅外光譜分析技術(shù)的進(jìn)展近年來,近紅外光譜分析技術(shù)取得了顯著的進(jìn)展,不僅在理論研究和實(shí)際應(yīng)用中得到了廣泛的推廣,還在多個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了技術(shù)突破和創(chuàng)新。硬件設(shè)備的進(jìn)步:隨著光學(xué)、電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,近紅外光譜儀的硬件性能得到了顯著提升。新型光譜儀具有更高的光譜分辨率、更寬的波長范圍和更快的掃描速度,為近紅外光譜分析提供了更為準(zhǔn)確和高效的數(shù)據(jù)支持。數(shù)據(jù)處理與分析方法的創(chuàng)新:隨著大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)的興起,近紅外光譜的數(shù)據(jù)處理和分析方法也經(jīng)歷了革命性的變革。傳統(tǒng)的多元線性回歸、主成分分析等方法逐漸被深度學(xué)習(xí)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等更先進(jìn)的算法所取代,大大提高了光譜解析的精度和效率。應(yīng)用領(lǐng)域的拓展:近紅外光譜分析技術(shù)已廣泛應(yīng)用于農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、化工等多個(gè)領(lǐng)域。例如,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,該技術(shù)被用于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)檢測、病蟲害診斷等方面;在醫(yī)藥領(lǐng)域,該技術(shù)則用于藥物成分分析、藥物生產(chǎn)過程監(jiān)控等。在線與實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展:隨著近紅外光譜儀器的小型化和便攜化,以及數(shù)據(jù)處理速度的提升,近紅外光譜分析技術(shù)正逐漸實(shí)現(xiàn)在線和實(shí)時(shí)監(jiān)測。這一技術(shù)的發(fā)展對于生產(chǎn)過程的實(shí)時(shí)監(jiān)控和質(zhì)量控制具有重要意義。近紅外光譜分析技術(shù)在硬件設(shè)備、數(shù)據(jù)處理與分析方法、應(yīng)用領(lǐng)域以及在線與實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)等方面均取得了顯著的進(jìn)展。展望未來,隨著新技術(shù)的不斷涌現(xiàn)和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,近紅外光譜分析技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,為人類社會的可持續(xù)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。三、近紅外光譜分析技術(shù)的展望隨著科技的快速發(fā)展,近紅外光譜分析技術(shù)在許多領(lǐng)域中的應(yīng)用前景日益廣闊。未來,這項(xiàng)技術(shù)有望在多個(gè)方面取得顯著進(jìn)展。技術(shù)精度的提升是近紅外光譜分析技術(shù)發(fā)展的重要方向。隨著光譜儀器硬件的不斷優(yōu)化和算法模型的持續(xù)改進(jìn),我們有理由期待近紅外光譜分析的精度和分辨率將得到進(jìn)一步提升,從而更好地滿足各種復(fù)雜環(huán)境下的分析需求。多技術(shù)融合將是近紅外光譜分析技術(shù)發(fā)展的另一大趨勢。通過結(jié)合其他分析技術(shù),如拉曼光譜、射線衍射等,可以進(jìn)一步提高近紅外光譜分析技術(shù)的適用范圍和準(zhǔn)確性。這種多技術(shù)融合的方式有望為各種領(lǐng)域提供更全面、更深入的分析解決方案。在應(yīng)用領(lǐng)域方面,近紅外光譜分析技術(shù)有望在食品安全、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)藥研發(fā)等領(lǐng)域發(fā)揮更大作用。例如,在食品安全領(lǐng)域,近紅外光譜分析技術(shù)可用于快速檢測食品中的有害物質(zhì)和營養(yǎng)成分,從而保障食品的安全和質(zhì)量。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,這項(xiàng)技術(shù)可用于快速識別污染物的種類和濃度,為環(huán)境保護(hù)提供有力支持。在醫(yī)藥研發(fā)領(lǐng)域,近紅外光譜分析技術(shù)可用于藥物成分的分析和質(zhì)量控制,為新藥研發(fā)提供有力保障。近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展還面臨著一些挑戰(zhàn),如光譜數(shù)據(jù)的處理和解析仍然存在一定的困難,需要不斷完善和優(yōu)化。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的拓展,近紅外光譜分析技術(shù)也需要適應(yīng)更多的復(fù)雜環(huán)境和挑戰(zhàn)。近紅外光譜分析技術(shù)在未來有望取得更大的進(jìn)展,為各個(gè)領(lǐng)域提供更高效、更準(zhǔn)確的分析解決方案。我們期待這項(xiàng)技術(shù)在未來能夠發(fā)揮更大的作用,為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。四、結(jié)論近紅外光譜分析技術(shù)作為一種快速、無損的分析方法,在過去的幾十年中取得了顯著的進(jìn)展。隨著儀器技術(shù)的不斷創(chuàng)新、數(shù)據(jù)處理方法的日益完善以及等新技術(shù)的應(yīng)用,近紅外光譜分析技術(shù)在許多領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。本文綜述了近紅外光譜分析技術(shù)的原理、儀器發(fā)展、數(shù)據(jù)處理方法以及應(yīng)用現(xiàn)狀,并對其未來的發(fā)展趨勢進(jìn)行了展望。盡管目前近紅外光譜分析技術(shù)已經(jīng)取得了許多重要的成果,但仍存在一些挑戰(zhàn)和問題需要解決。例如,提高光譜分辨率和信噪比、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理算法、擴(kuò)大應(yīng)用領(lǐng)域等。未來,隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展,近紅外光譜分析技術(shù)有望在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用。隨著等新技術(shù)的不斷進(jìn)步,近紅外光譜分析技術(shù)的智能化、自動化程度也將不斷提高,為各行各業(yè)提供更加快速、準(zhǔn)確、便捷的分析手段。近紅外光譜分析技術(shù)作為一種重要的分析方法,在未來的發(fā)展中具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的發(fā)展?jié)摿?。我們有理由相信,隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展,近紅外光譜分析技術(shù)將為人類社會的發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。參考資料:近紅外光是指波長在780~2526nm范圍內(nèi)的電磁波,是人們認(rèn)識最早的非可見光區(qū)域。習(xí)慣上又將近紅外光劃分為近紅外短波(780~1100nm)和長波(1100~2526nm)兩個(gè)區(qū)域?,F(xiàn)代近紅外光譜是90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù),是光譜測量技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)學(xué)科的有機(jī)結(jié)合,被譽(yù)為分析的巨人。量測信號的數(shù)字化和分析過程的綠色化又使該技術(shù)具有典型的時(shí)代特征。近紅外光譜(NIR)是介于可見光(VIS)和中紅外光(MIR)之間的電磁波譜,波數(shù)約為:10000~4000cm-1。近紅外光譜法是利用含有氫基團(tuán)(-H,為:C,O,N,S等)化學(xué)鍵(-H)伸縮振動倍頻和合頻,在近紅外區(qū)的吸收光譜,通過選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量學(xué)多元校正方法,把校正樣品的近紅外吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),建立校正樣品吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)之間的關(guān)系-校正模型。在進(jìn)行未知樣品預(yù)測時(shí),應(yīng)用已建好的校正模型和未知樣品的吸收光譜,就可定量預(yù)測其成分濃度或性質(zhì)。另外,通過選擇合適的化學(xué)計(jì)量學(xué)模式識別方法,也可分離提取樣本的近紅外吸收光譜特征信息,并建立相應(yīng)的類模型。在進(jìn)行未知樣品的分類時(shí),應(yīng)用已建立的類模型和未知樣品的吸收光譜,便可定性判別未知樣品的歸屬。具體而言,近紅外光譜的分析技術(shù)與其他常規(guī)分析技術(shù)不同?,F(xiàn)代近紅外光譜是一種間接分析技術(shù),是通過校正模型的建立實(shí)現(xiàn)對未知樣本的定性或定量分析。圖1給出了近紅外光譜分析模型建立及應(yīng)用的框圖,其分析方法的建立主要通過以下幾個(gè)步驟完成。近紅外光譜技術(shù)之所以成為一種快速、高效適合過程在線分析的有利工具,是由其技術(shù)特點(diǎn)決定的,近紅外光譜分析的主要技術(shù)特點(diǎn)如下:(1)分析速度快。由于光譜的測量過程一般可在1min內(nèi)完成(多通道儀器可在1Sec之內(nèi)完成),通過建立的校正模型可迅速測定出樣品的組成或性質(zhì)。(2)分析效率高。通過一次光譜的測量和已建立的相應(yīng)的校正模型,可同時(shí)對樣品的多個(gè)組成或性質(zhì)進(jìn)行測定。在工業(yè)分析中,可實(shí)現(xiàn)由單項(xiàng)目操作向車間化多指標(biāo)同時(shí)分析的飛躍,這一點(diǎn)對多指標(biāo)監(jiān)控的生產(chǎn)過程分析非常重要,在不增加分析人員的情況下可以保證分析頻次和分析質(zhì)量,從而保證生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。(3)分析成本低。近紅外光譜在分析過程中不消耗樣品,自身除消耗一點(diǎn)電外幾乎無其他消耗,與常用的標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比,測試費(fèi)用可大幅度降低。(4)測試重現(xiàn)性好。由于光譜測量的穩(wěn)定性,測試結(jié)果很少受人為因素的影響,與標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比,近紅外光譜一般顯示出更好的重現(xiàn)性。(5)樣品測量一般勿需預(yù)處理,光譜測量方便。由于近紅外光較強(qiáng)的穿透能力和散射效應(yīng),根據(jù)樣品物態(tài)和透光能力的強(qiáng)弱可選用透射或漫反射測譜方式。通過相應(yīng)的測樣器件可以直接測量液體、固體、半固體和膠狀類等不同物態(tài)的樣品。(6)便于實(shí)現(xiàn)在線分析。由于近紅外光在光纖中良好的傳輸特性,通過光纖可以使儀器遠(yuǎn)離采樣現(xiàn)場,將測量的光譜信號實(shí)時(shí)地傳輸給儀器,調(diào)用建立的校正模型計(jì)算后可直接顯示出生產(chǎn)裝置中樣品的組成或性質(zhì)結(jié)果。另外通過光纖也可測量惡劣環(huán)境中的樣品。(7)典型的無損分析技術(shù)。光譜測量過程中不消耗樣品,從外觀到內(nèi)在都不會對樣品產(chǎn)生影響。鑒于這一特點(diǎn),該技術(shù)在活體分析和醫(yī)藥臨床領(lǐng)域正得到越來越多的應(yīng)用。(8)現(xiàn)代近紅外光譜分析也有其固有的弱點(diǎn)。一是測試靈敏度相對較低,這主要是因?yàn)榻t外光譜作為分子振動的非諧振吸收躍遷幾率較低,一般近紅外倍頻和合頻的譜帶強(qiáng)度是其基頻吸收的10到10000分之一,就對組分的分析而言,其含量一般應(yīng)大于1%;二是一種間接分析技術(shù),方法所依賴的模型必須事先用標(biāo)準(zhǔn)方法或參考方法對一定范圍內(nèi)的樣品測定出組成或性質(zhì)數(shù)據(jù),因此模型的建立需要一定的化學(xué)計(jì)量學(xué)知識、費(fèi)用和時(shí)間,另外分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與模型建立的質(zhì)量和模型的合理使用有很大的關(guān)系?,F(xiàn)代近紅外光譜儀器從分光系統(tǒng)可分為固定波長濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換和聲光可調(diào)濾光器(AOTF)四種類型。光柵色散型儀器根據(jù)使用檢測器的差異又分為掃描式和固定光路兩種。在各種類型儀器中,濾光片型主要作專用分析儀器,為提高測定結(jié)果的準(zhǔn)確性,現(xiàn)在的濾光片型儀器往往裝有多個(gè)濾光片供用戶選擇。光柵掃描式是最常用的儀器類型,采用全息光柵分光、PbS或其他光敏元件作檢測器,具有較高的信噪比。由于儀器中的可動部件(如光柵軸)在連續(xù)高強(qiáng)度的運(yùn)行中可能存在磨損問題,從而影響光譜采集的可靠性,不太適合于在線分析。傅立葉變換近紅外光譜儀是目前近紅外光譜儀器的主導(dǎo)產(chǎn)品,具有較高的分辨率和掃描速度,這類儀器的弱點(diǎn)同樣是干涉儀中存在移動性部件,且需要較嚴(yán)格的工作環(huán)境。AOTF是90年代初出現(xiàn)的一類新型分光器件,采用雙折射晶體,通過改變射頻頻率來調(diào)節(jié)掃描的波長,整個(gè)儀器系統(tǒng)無移動部件,掃描速度快,具有較好的儀器穩(wěn)定性,特別適合用于在線分析。但目前這類儀器的分辨率相對較低,AOTF的價(jià)格也較高。隨著多通道檢測器件生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟,采用固定光路、光柵分光、多通道檢測器構(gòu)成的NIR儀器,以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、性能價(jià)格比好等特點(diǎn)正越來越引起人們的重視。在與固定光路相匹配的多通道檢測器中,常用的有二極管陣列(Photodiode-array簡稱PDA)和電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices簡稱CCD)兩種類型。在研制新型近紅外光譜儀器,提高儀器性能的同時(shí),為適合各類樣品的分析,近紅外光譜測樣器件的研制也越來越引起人們的重視。在各類測樣器件中,最引人注目的是各種光纖測樣器件的開發(fā)。通過光纖測樣器件,一方面可以方便測樣過程,另一方面可以利用光纖的遠(yuǎn)距離傳輸特性,將近紅外光譜技術(shù)用于在線分析。光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件是現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,將穩(wěn)定、可靠的近紅外光譜分析儀器與功能全面的化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件相結(jié)合也是現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的一個(gè)明顯標(biāo)志。因此,光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)方法研究在現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展中占有非常重要的地位。從另外一個(gè)方面講,現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展也帶動和促進(jìn)了化學(xué)計(jì)量學(xué)學(xué)科的發(fā)展。近紅外光譜中化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的研究主要涉及3個(gè)方面的內(nèi)容:一是光譜預(yù)處理方法的研究,目的是針對特定的樣品體系,通過對光譜的適當(dāng)處理,減弱以至于消除各種非目標(biāo)因素對光譜的影響,凈化譜圖信息,為校正模型的建立和未知樣品組成或性質(zhì)的預(yù)測奠定基礎(chǔ);二是近紅外光譜定性和定量校正方法的研究,目的在于建立穩(wěn)定、可靠的定性或定量分析模型;三是校正模型傳遞技術(shù)的研究,也稱近紅外光譜儀器的標(biāo)準(zhǔn)化,目的是將在一臺儀器上建立的定性或定量校正模型可靠地移植到其他相同或類似的儀器上使用,從而減少建模所需的時(shí)間和費(fèi)用。現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用除傳統(tǒng)的農(nóng)副產(chǎn)品的分析外已擴(kuò)展到眾多的其他領(lǐng)域,主要有石油化工和基本有機(jī)化工、高分子化工、制藥與臨床醫(yī)學(xué)、生物化工、環(huán)境科學(xué)、紡織工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,近紅外光譜可通過漫反射方法,將測定探頭直接安裝在糧食的谷物傳送帶上,檢驗(yàn)種子或作物的質(zhì)量,如水分、蛋白含量及小麥硬度的測定。還用于作物及飼料中的油脂、氨基酸、糖分、灰粉等含量的測定以及谷物中污染物的測定;近紅外光譜還被用于煙草的分類、棉花纖維、飼料中蛋白及纖維素的測定,并用于監(jiān)測可耕土壤中的物理和化學(xué)變化。在食品分析中,近紅外光譜用于分析肉、魚、蛋、奶及奶制品等食品中脂肪酸、蛋白、氨基酸等的含量,以評定其品質(zhì);近紅外光譜還用于水果及蔬菜如蘋果、梨中糖的分析;在啤酒生產(chǎn)中,近紅外光譜被用于在線監(jiān)測發(fā)酵過程中的酒精及糖分含量。近紅外光譜在藥物分析中的應(yīng)用始于60年代后期,在當(dāng)時(shí)藥物成分一般通過萃取以溶液形式測定。隨著漫反射測試技術(shù)的出現(xiàn),無損藥物分析在近紅外光譜分析中占有非常重要的位置?,F(xiàn)在近紅外光譜已廣泛用于藥物的生產(chǎn)過程控制。在生命科學(xué)領(lǐng)域,近紅外光譜用于生物組織的表征,研究皮膚組織的水分、蛋白和脂肪;Tong等將近紅外光譜用于乳腺癌的檢查;除此之外,近紅外光譜還用于血液中血紅蛋白、血糖及其他成分的測定及臨床研究,均取得較好的結(jié)果。近紅外光譜在石油煉制中的應(yīng)用已涉及石油加工的各個(gè)環(huán)節(jié),并為石化工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。測定汽油的辛烷值是近紅外光譜在油品分析中最早也是最成功的應(yīng)用。在其后續(xù)工作中,又嘗試了近紅外光譜在測定汽油族組成中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代儀器研制技術(shù)的不斷進(jìn)步,以及與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的日趨融合,整個(gè)近紅外光譜分析系統(tǒng),無論是硬件系統(tǒng)(近紅外光譜儀、配套專用測量附件等)的穩(wěn)定性、光學(xué)一致性,還是軟件系統(tǒng)(儀器操作控制軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等)的人機(jī)對話功能,復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)建模功能,均得到全面提升;加之,近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)的興起,近紅外光譜分析技術(shù)服務(wù)于產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化,無論是應(yīng)用于離線分析,還是在線過程監(jiān)測,必將發(fā)揮越來越重要的作用,以下幾方面可能是研究的熱點(diǎn):(1)近紅外光譜法在在線過程質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用研究及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂;(2)基于云計(jì)算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的近紅外光譜分析系統(tǒng)、建模服務(wù)系統(tǒng)研發(fā);(3)基于近紅外光譜數(shù)據(jù)庫與相關(guān)領(lǐng)域知識的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用研究。近紅外光譜分析技術(shù)是一種快速、高效、無損的分析方法,廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、環(huán)境、化學(xué)等領(lǐng)域。本文將介紹近紅外光譜分析技術(shù)的原理、應(yīng)用進(jìn)展及案例分析,并總結(jié)其應(yīng)用前景和挑戰(zhàn)。近紅外光是指波長在780-2526nm之間的電磁波,具有較高的能量。在近紅外光譜區(qū),分子吸收系數(shù)較高,因此近紅外光譜分析技術(shù)可用于定量和定性分析。近紅外光譜分析技術(shù)的測量原理是依據(jù)樣品對近紅外光的吸收、反射和散射等特性,通過對樣品的光譜特征進(jìn)行分析,得到樣品的組成和性質(zhì)信息。近紅外光譜分析技術(shù)在食品領(lǐng)域的應(yīng)用主要包括食品品質(zhì)和營養(yǎng)成分的分析。通過對食品的光譜特征進(jìn)行分析,可以快速準(zhǔn)確地測定食品中的水分、脂肪、蛋白質(zhì)、糖類等營養(yǎng)成分的含量。在醫(yī)藥領(lǐng)域,近紅外光譜分析技術(shù)可用于藥物的分析和質(zhì)量控制,通過對藥物的光譜特征進(jìn)行分析,可以快速準(zhǔn)確地測定藥物的成分和純度。在環(huán)境領(lǐng)域,近紅外光譜分析技術(shù)可用于大氣和水體的監(jiān)測。通過對大氣和水體的光譜特征進(jìn)行分析,可以快速準(zhǔn)確地測定大氣和水體中的污染物含量,為環(huán)境監(jiān)測和治理提供有力支持。在化學(xué)領(lǐng)域,近紅外光譜分析技術(shù)可用于化合物的分析和鑒定,通過對化合物的光譜特征進(jìn)行分析,可以快速準(zhǔn)確地測定化合物的分子結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)。近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展非常迅速,但仍存在一些挑戰(zhàn)。近紅外光譜分析技術(shù)的定量分析模型需要基于大量的標(biāo)準(zhǔn)樣本建立,對于一些缺乏標(biāo)準(zhǔn)樣本的物質(zhì)難以建立準(zhǔn)確的模型。近紅外光譜分析技術(shù)的定性分析需要基于光譜特征的識別,對于一些相似的物質(zhì)難以進(jìn)行準(zhǔn)確的區(qū)分。近紅外光譜分析技術(shù)的測量成本較高,限制了其在一些領(lǐng)域的應(yīng)用。雖然近紅外光譜分析技術(shù)存在一些挑戰(zhàn),但其應(yīng)用前景仍然非常廣闊。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,近紅外光譜分析技術(shù)將更加成熟和精確,可應(yīng)用于更多的領(lǐng)域。隨著測量成本的逐漸降低,近紅外光譜分析技術(shù)也將更加普及,為各領(lǐng)域的發(fā)展提供更加可靠的分析手段。近紅外光譜分析技術(shù)是一種重要的分析方法,具有廣泛的應(yīng)用前景和重要的應(yīng)用價(jià)值。雖然仍存在一些挑戰(zhàn),但隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,相信未來近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用將更加廣泛和精確,為各領(lǐng)域的發(fā)展提供更加可靠的分析支持。近紅外光譜分析技術(shù)是一種快速、高效、非破壞性的分析方法,廣泛應(yīng)用于食品、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域。本文將介紹近紅外光譜分析技術(shù)的原理、應(yīng)用實(shí)例及其面臨的挑戰(zhàn)和未來需求,展望其應(yīng)用前景和潛力。近紅外光譜分析技術(shù)是一種基于分子振動光譜的分析方法,利用分子在近紅外區(qū)域的吸收光譜特性,對物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。與其他傳統(tǒng)化學(xué)分析方法相比,近紅外光譜分析技術(shù)具有以下優(yōu)勢:快速:近紅外光譜分析技術(shù)無需經(jīng)過復(fù)雜的前處理,可以快速得到分析結(jié)果。高效:分析過程中無需使用大量化學(xué)試劑,減少了分析時(shí)間,提高了分析效率。非破壞性:近紅外光譜分析技術(shù)對樣品無破壞性,可以保留樣品的完整性供后續(xù)分析。食品領(lǐng)域:用于食品中水分、脂肪、蛋白質(zhì)、糖分等成分的測定,可快速、準(zhǔn)確地得到營養(yǎng)成分信息,有助于食品質(zhì)量控制和營養(yǎng)研究。醫(yī)藥領(lǐng)域:用于藥物制劑的分析和質(zhì)量控制,可以快速檢測藥物的有效成分和純度,確保藥物的安全性和有效性。環(huán)保領(lǐng)域:用于水體和土壤中污染物的檢測,可快速、準(zhǔn)確地得到各種污染物的含量,對環(huán)境監(jiān)測和保護(hù)具有重要意義。標(biāo)準(zhǔn)化與規(guī)范化:盡管近紅外光譜分析技術(shù)已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用,但不同廠商和型號的儀器之間存在差異,影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。因此,需要進(jìn)一步推進(jìn)近紅外光譜分析技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,以確保分析結(jié)果的可靠性。模型更新與維護(hù):近紅外光譜分析技術(shù)依賴于數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析,模型的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性對分析結(jié)果有著重要影響。然而,當(dāng)樣品發(fā)生變化或存在干擾時(shí),模型可能需要進(jìn)行更新和維護(hù),以確保其適用性和準(zhǔn)確性。樣品制備與處理:盡管近紅外光譜分析技術(shù)對樣品制備和處理的要求相對較低,但仍需要針對不同樣品類型進(jìn)行適當(dāng)?shù)闹苽浜吞幚?,以獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果。這也需要進(jìn)一步完善和優(yōu)化樣品制備和處理技術(shù),以提高其效率和準(zhǔn)確性。近紅外光譜分析技術(shù)是一種具有廣泛應(yīng)用前景的分析方法,其高效、快速、環(huán)保等優(yōu)勢使其在食品、醫(yī)藥、環(huán)保等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。然而,仍需進(jìn)一步推進(jìn)技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化,完善模型更新與維護(hù)和樣品制備與處理等方面的不足之處,以實(shí)現(xiàn)近紅外光譜分析技術(shù)的更廣泛應(yīng)用和提升其分析結(jié)果的可靠性。近紅外光是指波長在780~2526nm范圍內(nèi)的電磁波,是人們認(rèn)識最早的非可見光區(qū)域。習(xí)慣上又將近紅外光劃分為近紅外短波(780~1100nm)和長波(1100~2526nm)兩個(gè)區(qū)域。現(xiàn)代近紅外光譜是90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù),是光譜測量技術(shù)與化學(xué)計(jì)量學(xué)學(xué)科的有機(jī)結(jié)合,被譽(yù)為分析的巨人。量測信號的數(shù)字化和分析過程的綠色化又使該技術(shù)具有典型的時(shí)代特征。近紅外光譜(NIR)是介于可見光(VIS)和中紅外光(MIR)之間的電磁波譜,波數(shù)約為:10000~4000cm-1。近紅外光譜法是利用含有氫基團(tuán)(-H,為:C,O,N,S等)化學(xué)鍵(-H)伸縮振動倍頻和合頻,在近紅外區(qū)的吸收光譜,通過選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計(jì)量學(xué)多元校正方法,把校正樣品的近紅外吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián),建立校正樣品吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)之間的關(guān)系-校正模型。在進(jìn)行未知樣品預(yù)測時(shí),應(yīng)用已建好的校正模型和未知樣品的吸收光譜,就可定量預(yù)測其成分濃度或性質(zhì)。另外,通過選擇合適的化學(xué)計(jì)量學(xué)模式識別方法,也可分離提取樣本的近紅外吸收光譜特征信息,并建立相應(yīng)的類模型。在進(jìn)行未知樣品的分類時(shí),應(yīng)用已建立的類模型和未知樣品的吸收光譜,便可定性判別未知樣品的歸屬。具體而言,近紅外光譜的分析技術(shù)與其他常規(guī)分析技術(shù)不同?,F(xiàn)代近紅外光譜是一種間接分析技術(shù),是通過校正模型的建立實(shí)現(xiàn)對未知樣本的定性或定量分析。圖1給出了近紅外光譜分析模型建立及應(yīng)用的框圖,其分析方法的建立主要通過以下幾個(gè)步驟完成。近紅外光譜技術(shù)之所以成為一種快速、高效適合過程在線分析的有利工具,是由其技術(shù)特點(diǎn)決定的,近紅外光譜分析的主要技術(shù)特點(diǎn)如下:(1)分析速度快。由于光譜的測量過程一般可在1min內(nèi)完成(多通道儀器可在1Sec之內(nèi)完成),通過建立的校正模型可迅速測定出樣品的組成或性質(zhì)。(2)分析效率高。通過一次光譜的測量和已建立的相應(yīng)的校正模型,可同時(shí)對樣品的多個(gè)組成或性質(zhì)進(jìn)行測定。在工業(yè)分析中,可實(shí)現(xiàn)由單項(xiàng)目操作向車間化多指標(biāo)同時(shí)分析的飛躍,這一點(diǎn)對多指標(biāo)監(jiān)控的生產(chǎn)過程分析非常重要,在不增加分析人員的情況下可以保證分析頻次和分析質(zhì)量,從而保證生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運(yùn)行。(3)分析成本低。近紅外光譜在分析過程中不消耗樣品,自身除消耗一點(diǎn)電外幾乎無其他消耗,與常用的標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比,測試費(fèi)用可大幅度降低。(4)測試重現(xiàn)性好。由于光譜測量的穩(wěn)定性,測試結(jié)果很少受人為因素的影響,與標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比,近紅外光譜一般顯示出更好的重現(xiàn)性。(5)樣品測量一般勿需預(yù)處理,光譜測量方便。由于近紅外光較強(qiáng)的穿透能力和散射效應(yīng),根據(jù)樣品物態(tài)和透光能力的強(qiáng)弱可選用透射或漫反射測譜方式。通過相應(yīng)的測樣器件可以直接測量液體、固體、半固體和膠狀類等不同物態(tài)的樣品。(6)便于實(shí)現(xiàn)在線分析。由于近紅外光在光纖中良好的傳輸特性,通過光纖可以使儀器遠(yuǎn)離采樣現(xiàn)場,將測量的光譜信號實(shí)時(shí)地傳輸給儀器,調(diào)用建立的校正模型計(jì)算后可直接顯示出生產(chǎn)裝置中樣品的組成或性質(zhì)結(jié)果。另外通過光纖也可測量惡劣環(huán)境中的樣品。(7)典型的無損分析技術(shù)。光譜測量過程中不消耗樣品,從外觀到內(nèi)在都不會對樣品產(chǎn)生影響。鑒于這一特點(diǎn),該技術(shù)在活體分析和醫(yī)藥臨床領(lǐng)域正得到越來越多的應(yīng)用。(8)現(xiàn)代近紅外光譜分析也有其固有的弱點(diǎn)。一是測試靈敏度相對較低,這主要是因?yàn)榻t外光譜作為分子振動的非諧振吸收躍遷幾率較低,一般近紅外倍頻和合頻的譜帶強(qiáng)度是其基頻吸收的10到10000分之一,就對組分的分析而言,其含量一般應(yīng)大于1%;二是一種間接分析技術(shù),方法所依賴的模型必須事先用標(biāo)準(zhǔn)方法或參考方法對一定范圍內(nèi)的樣品測定出組成或性質(zhì)數(shù)據(jù),因此模型的建立需要一定的化學(xué)計(jì)量學(xué)知識、費(fèi)用和時(shí)間,另外分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與模型建立的質(zhì)量和模型的合理使用有很大的關(guān)系?,F(xiàn)代近紅外光譜儀器從分光系統(tǒng)可分為固定波長濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換和聲光可調(diào)濾光器(AOTF)四種類型。光柵色散型儀器根據(jù)使用檢測器的差異又分為掃描式和固定光路兩種。在各種類型儀器中,濾光片型主要作專用分析儀器,為提高測定結(jié)果的準(zhǔn)確性,現(xiàn)在的濾光片型儀器往往裝有多個(gè)濾光片供用戶選擇。光柵掃描式是最常用的儀器類型,采用全息光柵分光、PbS或其他光敏元件作檢測器,具有較高的信噪比。由于儀器中的可動部件(如光柵軸)在連續(xù)高強(qiáng)度的運(yùn)行中可能存在磨損問題,從而影響光譜采集的可靠性,不太適合于在線分析。傅立葉變換近紅外光譜儀是目前近紅外光譜儀器的主導(dǎo)產(chǎn)品,具有較高的分辨率和掃描速度,這類儀器的弱點(diǎn)同樣是干涉儀中存在移動性部件,且需要較嚴(yán)格的工作環(huán)境。AOTF是90年代初出現(xiàn)的一類新型分光器件,采用雙折射晶體,通過改變射頻頻率來調(diào)節(jié)掃描的波長,整個(gè)儀器系統(tǒng)無移動部件,掃描速度快,具有較好的儀器穩(wěn)定性,特別適合用于在線分析。但目前這類儀器的分辨率相對較低,AOTF的價(jià)格也較高。隨著多通道檢測器件生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟,采用固定光路、光柵分光、多通道檢測器構(gòu)成的NIR儀器,以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、性能價(jià)格比好等特點(diǎn)正越來越引起人們的重視。在與固定光路相匹配的多通道檢測器中,常用的有二極管陣列(Photodiode-array簡稱PDA)和電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices簡稱CCD)兩種類型。在研制新型近紅外光譜儀器,提高儀器性能的同時(shí),為適合各類樣品的分析,近紅外光譜測樣器件的研制也越來越引起人們的重視。在各類測樣器件中,最引人注目的是各種光纖測樣器件的開發(fā)。通過光纖測樣器件,一方面可以方便測樣過程,另一方面可以利用光纖的遠(yuǎn)距離傳輸特性,將近紅外光譜技術(shù)用于在線分析。光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件是現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)的一個(gè)重要組成部分,將穩(wěn)定、可靠的近紅外光譜分析儀器與功能全面的化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件相結(jié)合也是現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的一個(gè)明顯標(biāo)志。因此,光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)方法研究在現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展中占有非常重要的地位。從另外一個(gè)方面講,現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展也帶動和促進(jìn)了化學(xué)計(jì)量學(xué)學(xué)科的發(fā)展。近紅外光譜中化學(xué)計(jì)量學(xué)方法的研究主要涉及3個(gè)方面的內(nèi)容:一是光譜預(yù)處理方法的研究,目的是針對特定的樣品體系,通過對光譜的適當(dāng)處理,減弱以至于消除各種非目標(biāo)因素對光譜的影響,凈化譜圖信息,為校正模型的建立和未知樣品組成或性質(zhì)的預(yù)測奠定基礎(chǔ);二是
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