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近红外光谱分析技术的研究与应用_杨琼

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2013年第3期 重庆三峡学院学报 No.3.2013第29卷（145期） JOURNAL OF CHONGQING THREE GORGES UNIVERSITY Vol.29 No.145

收稿日期：2013-02-18 作者简介：杨 琼（1980-），女，重庆酉阳人，土家族，长江师范学院讲师，硕士研究生，主要研究分子光谱分析. 通讯作者：杨季冬（1956-），男，重庆丰都人，重庆三峡学院教授，博士，博士生导师，主要研究分子光谱分析. -89-

近红外光谱分析技术的研究与应用

杨 琼1 项 瑜2 杨季冬3 *

（1．长江师范学院化学化工学院，重庆涪陵 408100）

（2．重庆广播电视大学武隆分校，重庆武隆 408500）

（3．重庆三峡学院化学与环境工程学院，重庆万州 404100）

摘 要：基于重庆市高校创新团队“近红外光谱检测技术研究及其应用”的建设与发展，重

点介绍了近红外光谱分析技术的发展，研究了近红外光谱分析技术在三峡库区特色资源的快速检

测的应用．

关键词：近红外光谱；分析技术；研究；应用

中图分类号：O657.33 文献标识码：A 文章编号：1009-8135（2013）03-0089-03

1 近红外光谱分析技术的发展沿革

近红外光谱(780~2526 nm)是人类最早发现的非可见光谱段，距今已有200多年．由于它是C-X(H、N、

O、S)键的倍频和组合频谱，光谱在这个谱段交互重叠，异常繁杂，形似一锅粥，所以迟迟未能发展成可

用的光谱分析技术[1][2-3]1-5,1-10．随着光谱技术的发展，近红外光谱分析仪器不断得到改进，结合化学计量学

的发展，尤其是计算机的数据分析应用，才使得近红外光谱分析技术(Near Infrared Spectroscopy, 即NIRS)

真正成为了一种有效的分析手段．20世纪50年代初，Norris等用近红外光谱漫反射技术测定了一些农副

产品的品质（水分，蛋白和脂肪等指标），但由于他们用的仍是传统的光谱定量分析方法，未能将近红外光

谱分析技术的发展迅速推进[4-6]．三十年来，由于化学计量学有效提取数据，计算机迅速进行数据分析，拓

展了近红外光谱分析技术的应用．现在由光谱仪硬件和化学计量学软件组成的近红外光谱分析手段在农副

产品、食品安全、石油化工、医药和环境等方面的分析应用日益扩展，方兴未艾[7,9][8]7．

近红外光谱分析的优势在于：（1）可用于快速分类鉴别和定量分析．只要将分析对象的性质和组成与近红外光谱建立相关的定性和定量模型，就可以快速重复鉴别和测量众多的样品；（2）可用于同时测定多

种组分，通过计量模型的优势可同时测定复杂体系中的多种组分；（3）可用于无损分析，近红外光谱分析

可采取透射方式或漫反射方式，勿须破坏样品，勿须添加试剂，因此是非常环境的分析方法；（4）利用光

纤探头可实现实时在线远程分析[10-12]．正是近红外光谱分析技术的这些优势逐步开发，使得这项分析手段

得到更为广泛的拓展．

近红外光谱分析的劣势在于：（1）近红外光谱分析必须建立数理模型，方能进行有效地快速分析，所以它属于二次分析方法；（2）由于近红外光谱区域的光吸收较弱，渗透力较强，故其检测限只能在千分之

一以上，适于常微量分．该技术尽管存在这些劣势，为克服这些劣势的研究仍在不断深入．其实这些劣势

形成了近红外光谱分析技术与众不同的特色，目前也有很多人在致力于改变这些劣势为优势的研究[13-14]． DOI:10.13743/j.cnki.issn.1009-8135.2013.03.010杨 琼 项 瑜 杨季冬 ：近红外光谱分析技术的研究与应用

-90-

2 “近红外光谱检测技术研究及其应用”

创新团队的建设与发展

重庆市高校科技创新团队“近红外光谱检测技

术研究及其应用”是由西南大学、长江师范学院、

重庆三峡学院、太极集团、涪陵乌江榨菜集团、涪

陵区科委和环保局联合组建的“产学研政”协同创

新体．实验基地设在长江师范学院和重庆三峡学院，

由杨季冬教授领衔建设．目前该团队共有教授6人，

高级工程师2人，副教授2人，博士5人，硕士10

人．实验室主要开展分子光谱分析研究，拥有近红

外、中红外、拉曼、紫外和荧光光谱仪器，以及高

效液相色谱、电化学分析系统、化学发光分析仪等

重要分析手段，同时还挂靠西南大学光谱分析研究

实验室，可借助拓展分子光谱分析的尖高端分析仪

器范围．经过多年的努力攀登，与太极集团和涪陵

乌江榨菜集团合作，团队建设形成了高校与企业结

合的产学研一条龙研究体系，同时打造了一支研究

服务地方的，充满活力的可持续发展的研究团队．

结合三峡库区和乌江流域资源丰富的地方特

点，主要形成了三个具有地域特色的研究方向．

3 “近红外光谱检测技术研究及其应用”

创新团队的主要研究方向

3.1 以近红外光谱分析技术测定环境中

的多种监控指标的研究

利用近红外光谱技术具备多组分多指标同时

检测、测定速度快、测试重现性好等优点，开发水

环境中多种监控指标的测定的研究．我们试验以近

红外光谱分析技术结合多种分析手段开发了垃圾处

理声渗滤液中多种组分如金属离子和有机多苯酚、

酸类的快速监测．尤以近红外光谱分析技术建立同

时测定垃圾渗滤液中的COD和BOD指标，经《理

化检验・化学分册》、《JWARP》报道后得到国内外

广泛的转录引用[15-17]．

3.2 以近红外光谱分析技术测定天然药用

植物中多种活性成分的研究

利用近红外光谱分析技术对各种天然药用植

物进行品质和产地鉴定，以及对中成药的活性成分

发展了快速检测．根据近红外光谱分析技术的特点，

建立天然药用植物和中成药的多种活性成分与近红

外光谱数据之间的数学关联模型，从而建立起其中多种组分的定性鉴别和定量测定的新方法[18]．至今

为止，我们已经建立了近红外光谱快速分析检测藿

香正气液、黄芪精口服液、通天口服液等九种中成

药口服液以及药丸、片剂的活性成分，对三峡库区

盛产的黄莲、虎杖等二十多种地方天然药用植物进

行品质和产地鉴定，同时开发集成了天然药用植物

的近红外光谱图数据库．为进一步实现中药现代化

的质量监控研究奠定了基础，并对中药化学动力学

和药理学的研究提供科学依据[19]．

3.3 以近红外光谱分析技术测定农副产品

品质的多种成分的研究

利用近红外光谱分析技术对地方农副产品如

涪陵榨菜和山地烤烟品质进行分析测定，通过实验

采集榨菜和烤烟品质指标的近红外光谱图数据，建

立榨菜品质指标与近红外光谱数据之间的关联模

型，建立对榨菜中多种指标的定性鉴别和定量测定

的新方法，并开发近红外光谱分析测定榨菜品质的

简便快速、在线及无损检测的实用技术．对享有中

国榨菜之乡涪陵的榨菜做了深入的研究，利用近红

外光谱技术评价涪陵榨菜品质，同时测定了涪陵榨

菜中果胶和总糖的含量，快速鉴别涪陵榨菜品牌的

研究[20]．

4 “近红外光谱检测技术研究及其应用”

创新团队的研究拓展

目前，创新团队将继续发展对三峡库区生态的

各种环境指标、区域天然植物的药用成分和地方农

副产品质地检测的研究工作，并致力于更深入的与

太极集团、涪陵乌江榨菜集团合作，力争尽快把近

红外在线检测推广应用到制药和农副产品加工的生

产线上．拓展近红外光谱的研究工作如下：

①加强基础研究，攻克近红外光谱分析理论上

的局限．如近红外光谱与分子结构的关联，近红外

光谱与其它光谱的联系，近红外光谱技术与其它分

析技术的联用．这些研究工作的突破都有可能推进

近红外光谱分析技术更加完美和更为广泛的应用．

②加强应用推广，促进近红外光谱分析的实际

应用．结合我们已在环境监测分析、中成药活性成

分分析和榨菜品质分析上做了大量的前期研究工

作，期待把近红外光谱分析的实用技术真正推广到

实际生产线上，建立一些实际分析模式，利用近红

外光谱分析的优势，切实解决实际应用上的难题． ③加强自主创新，开发和改进近红外光谱分析重庆三峡学院学报

-91- 的软硬件．要加快推广近红外光谱分析应用，发展

普适的近红外光谱仪器和便携式分析仪器，以及对

某些专门特殊的仪器的改进；建立适宜筛选各种算

法的建模软件，建立普适的分析模型；研究改进适

应各种分析对象的光谱采集手段．

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[16]Liu Z.Y., Liu B., Yang J.D. Simultaneous

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Heat-clearing and Detoxicating Orally Liquid by

NIRS . Health, 2009,1(3): 134-138,

[17]Yang J.D＊ Liu Z.Y. Determination of coptis

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我国近红外光谱分析技术的研究与应用进展

我国近红外光谱分析技术的研究与应用进展

我国近红外光谱分析技术的研究与应用

摘要：对我国近10年来近红外光谱分析技术的研究与应用进展作了较为详细的综述，包括近红外光谱仪器研制、化学计量学方法及软件开发和在各领域的实际应用。根据国际上近红外光谱分析技术的现状和国内实际情况，提出了今后我国近红外光谱分析技术的发展方向。

关键词：近红外光谱；分析仪器；化学计量学；软件开发；应用

Research and Applications of Near Infrared

Spectroscopy in China

Abstract: The progress of research and applications of near infrared spectroscopical techniques in

China in past decade is reviewed,including instrument design,chemometrics algorithm and

software development,and applications in various fields. According to the international state of the

technique and the practical conditions of our country,the future direction of development of near

infrared spectroscopy in China is discussed.

Keyword: near infrared spectroscopy;analytical instrument;chemometrics algorithm;software

development;applications

1．前言

近红外光谱（NIR）是近十年来发展最为迅速的高新分析技术之一。目前，大约有50多个国家和地区开展了NIR的研究和应用工作，特别是一些发达国家表现得尤为突出，这些国家拥有大量的各种类型的NIR分析仪器用于各行各业，有研究型、专用型、便携型，还有直接安装在工业生产线的在线型分析仪。这些仪器在农业、石化、制药、食品等领域都得到很好应用，并取得极好的社会和经济效益。

近红外光谱技术在药物分析中的应用

近红外光谱技术在药物分析中的应用

综述报告　近红外光谱技术在药物分析中的应用　２０１０年第ｌ９卷第１８期　周嵩煜　（广西壮族自治区玉林食品药品检验所，广西玉林　５３７０００）　摘要：概述了近红外光谱分析技术的特点及其在药物原料、药物制剂分析、药物在线监测控制以及在中药领域的应用，并讨论了近红外光　谱技术药物分析应用中存在的问题。　关键词：近红外光谱；化学计量学；药物分析；中药；进展　中图分类号：Ｒ９１７；ＴＱ４６０．７２　文献标识码：Ａ　文章编号：１００６—４９３１（２０１０）１８—００８４—０４　近红外光谱ｎｅａｒ—ｉｎｆｒａｒｅｄｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ，ＮＩＲＳ）介于可见光谱区与　中红外谱区之间，谱区范围为１２　８２０—３　９５９　ｃｍ　（７８０～２５２６　ｎｍ）”】，　主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁　时产生的。该谱区主要是Ｃ—Ｈ，Ｎ—Ｈ，Ｏ—Ｈ等含氢基团的倍频及　合频吸收，特点是谱带较宽、重叠严重，难以用传统的方法解析图　谱，但该谱区包含的信息量极其丰富，随着计算机技术的提高，多　变量统计分析技术的开发以及仪器制造技术的发展，解决了该谱　区解析的困难。近红外光谱技术是一种现代高新分析测试技术，主　要包括近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型３个部分，具有　分析速度快、样品处理简单、无需试剂、无污染、多组分检测等特　点，已被广泛应用于谷物、石油化工产品、食品、纺织品、烟草等的　分析测定，而在药物分析方面的应用也１３趋广泛。现就近年来其在　药物分析方面的应用进行综述。　１　特点　近红外吸收光谱的特点包括：随着基频振动合频和倍频的增　加，吸收峰重叠得越严重；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　５　Ｃ／Ｆ／）；需要化学计量学技术从复杂的光谱中提取信息（世界流行　算法为偏最小二乘法，即ＰＬＳ）。近红外光谱分析技术的测量过程包　２００５，２８（９）：７７４—７７５．　【６］李药兰，李克明，苏妙贤，等．猴耳环抗病毒有效成分研究［Ｊ］．中国中　药杂志，２００６，３１（５）：３９７—４００．　［７】郭晓宇，王乃利，宝丽，等．猴耳环的化学成分及其对Ｔ淋巴细胞增　殖的影响［Ｊ】．中国药学（英文版），２００７，１６（３）：２０８—２１３．　［８】苏妙贤，唐之岳，黄伟欢，等．猴耳环化学成分研究【Ｊ　Ｊ．中药材，２００９，　３２（５）：７０５—７０７．　【９】吴蓉蓉，黄杰昌，雷佳，等．猴耳环提取物的新用途：中国，２００６１００３３６９８，２　［Ｐ］．：１０Ｏ６一ｌＯ一２５．　［１Ｏ］郭耀威，李沛波．猴耳环提取物抗炎作用的实验研究【Ｊ］．中国医药　杂志，２００７（１２）：２３—２４．　［１１】张中贤，黄剑臻，李沛波．猴耳环水提取物抗流感病毒的实验研究［Ｊ】．　中国热带医学，２００８，８（１）：３０—３４．　【ｌ２】兰小玲，黄跃，杨广林．猴耳环消炎片治疗咽喉炎、扁桃腺炎２００例　疗效观察［Ｊ】．实用Ｉ晦床医学，２００７，８（２）：８９—９Ｏ，９２．　［１３】杨孟君．纳米猴耳环消炎制剂药物及其制备方法：中国，ＣＮＯ１１００６７８．１【Ｐ］．　２００２—０８—２１．　ｎ４】叶耀良，廖志钟．一种提高药效的猴耳环制剂和制备方法：中国，　ＣＮ２００４１００９ｌ１３３．０［Ｐ］．２００５—０７—０６．　ｆ１５］李叶华，江岩．猴耳环消炎分散片及其制备方法：中国，ＣＮ２００４１００２３０３２．Ｘ　［Ｐ】．２００５一Ｏ１一ｌ２．　【ｌ６］昊蓉蓉，吴湘，雷佳，等．一种消炎口含片发明专利：中国，ｃ　Ｏ０４ｌｏｏ２７９ｌ３．　９『Ｐ］．２００６—０ｌ一１１．　【１７】苏薇薇，田珩，王小锐，等．猴耳环ＨＰＬＣ指纹图谱的构建方法及其　标准指纹图谱：中国，ＣＮ２００６１０１２２９２４．４【Ｐ】．２００７—０４—１１．　・８４・　括：选择校正样品集；对校正样品集分别测定其光谱数据和理化基　础数据；将光谱数据和基础数据用适当的化学计量方法建立校正　模型；采集未知样品的光谱数据，与校正模型相对应，计算出样品　的组分。由此可知，近红外光谱分析技术由３个部分组成，即测定　样品的硬件技术、利用化学计量方法计算测定结果的软件技术、针　对分析任务建立的校正模型。校正模型建立所用的计量学方法主　要有判别分析法（ＤＡ）、主成分分析（ＰＣＡ）、偏最Ａｘｅ－乘法（ＰＬＳ）、拓　扑学（ＴＰ）方法、人工神经网络（ＡＮＮ）、多元线形回归法（ＭＬＲ）以及　支持向量机（ＳＶＭ）一偏最／ｂ－＜．乘法相结合的ＯＳＣ—ＰＬＳ方法等…。　２　化学药物分析　２　１　定性分析　杨纯等　利用近红外反射光谱法对１Ｏ种Ｂ一内酰胺类抗生素　氨苄西林、阿莫西林、头孢曲松钠、头孢他啶（五水合物）、盐酸头孢　他啶、头孢呋辛钠、青霉素Ｇ、６一氨基青霉烷酸（６一ＡＰＡ）、７一氨基　头孢烷酸（７一ＡＣＡ）、７一ＡＣＴ（头孢曲松的中间体）的鉴别方法进行　了研究，结果表明，该方法无需对样本进行预处理，可直接扫描玻　璃瓶内样品，利用Ｖｉｓｉｏｎ软件，用波长空间相关法建立各样品近红　外光谱的鉴别数学模型，用待测光谱和每个产品的平均光谱计算　相关系数，若相关系数大于某一阈值，待测物即判为该产品，即可　【１８］刘永刚，王晓东，张小兵，等．猴耳环质量标准研究【Ｊ］．中国药师，　２００８．１１（１）：２９—３１．　ｆ１９】李镜友，张志坚，罗巧红，等．ＨＰＬＣ法测定不同采收期猴耳环中没食　子酸的含量［Ｊ］．中药材，２００９，３２（６）：９１５—９１６．　［２０】陈连剑，刘新宇．紫外分光光度法测定猴耳环消炎片中没食子酸的含　量［Ｊ】．广东医学院学报，１９９８，１６（４）：３２２—３２３．　［２１】万安凤，周　浪．ＨＰＬＣ法测定猴耳环消炎片中没食子酸的含量【Ｊ］．　中药材，２０００，２３（１１）：７０８．　［２２］刘起中，张家国，李京平．ＨＰＬＣ法测定猴耳环消炎片中没食子酸的含　量【Ｊ】．中成药，２００１，２３（９）：６８７—６８８．　【２３］李尔伟，万安凤，李镜友，等．猴耳环消炎片质量标准研究【Ｊ］．中药　材，２００３，２６（８）：５９２—５９３．　［２４】聂少平，王远兴，谢明勇，等．高效液相色谱法测定猴耳环消炎胶囊中　没食子酸的含量（Ｊ】．实用中西医结合临床，２００３（２）：３～４．　［２５］邹玉繁，汪小根．正胃片中药材的薄层色谱鉴别研究【Ｊ】．现代中药　研究与实践，２００６，２０（５）：４２—４３．　【２６】陈业光，李德潮．ＨＰＬＣ测定正胃片中没食子酸的含量【Ｊ］．中成药，　２００８，３０（９）：１００１３—１００１４．　［２７】袁静，肖　东．槲皮素抗肿瘤作用研究进展【Ｊ】．国外医学・中医　中药分册，１９９６（５）：４—６．　【２８】王艳芳，王新华，朱宇同．槲皮素药理作用研究进展ｆＪ】．天然产物研　究与开发，２００３，１５（２）：ｌ７１—１７３．　［２９】龙奇达，熊绍权，赵　霞．槲皮素的癌化学预防和抗肿瘤作用研究进　展［Ｊ】．中华妇幼临床医学杂志，２００８，４（４）：５７—５９．　（收稿日期：２００９—１０—２９；修回日期：２０１０—０４—０９）　中国药业Ｃｈｉｎａ　Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ

近红外光谱分析技术在烟草领域的研究进展及应用

近红外光谱分析技术在烟草领域的研究进展及应用

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近红外光谱分析技术在烟草领域的研究进展及应用

作者：李豪豪 李威 赵世民等

来源：《安徽农业科学》2014年第29期

摘要 近红外光谱分析技术因其可以快速准确地检测烟草中化学成分含量而在烟草领域具有广泛应用前景。概述了近红外光谱分析技术基本原理，综述了近红外光谱分析技术在烟草领域的主要应用对象，探讨了近红外光谱分析技术针对烟草分析的主要建模方法，展望了近红外光谱分析技术在烟草领域的未来发展方向。

关键词 近红外光谱；烟草；研究进展

中图分类号S572文献标识码A文章编号0517-6611（2014）29-10318-04

作者简介李豪豪（1987- ），男，河南洛阳人，硕士，从事烟草化学和工艺的研究。*通讯作者。

近红外光（NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之间的电磁波，美国材料与试验协会（ASTM）将波长范围为780～2 526 nm（12 820～3 959 cm-1）的电磁波定义为近红外光谱区，通常又将NIR分为2个区域：780～1 100 nm波长范围的近红外短波和1 100～2

526 nm波长范围的近红外长波。近红外区的光谱吸收带是由有机物质中能量较高的化学键（主要是C-H、O-H、N-H、S-H、C=O）在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频和差频吸收带叠加而成。当物质被近红外光照射后，分子振动从基态向高能级跃迁，吸收能量使得光谱产生改变，进而得到物质的官能团结构与数量信息，因此近红外光谱非常适用于分析天然产物中与有机基团有直接或间接关系的成分[1]。

近红外光谱分析技术（NIRS）是近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型3部分的有机结合体。它具有分析过程简单、无需样品前处理、无损检测、测试过程无污染、多组分同时检测、分析结果准确、投资低、操作简便、专业要求低等诸多优点，基于此，近红外光谱分析技术作为近年来发展最快的光谱分析技术，广泛应用于农业、医药、石油、化工、烟草、食品、纺织等众多领域[2-5]。

近红外光谱分析技术在油品分析中的应用研究

近红外光谱分析技术在油品分析中的应用研究

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近红外光谱分析技术在油品分析中的应用研究

作者：鲁静 剡根姣 贺晓莹

来源：《山东工业技术》2014年第22期

摘 要：炼油过程中，需要对产品的关键品质进行在线监测，传统的实验室分析方法因费用高、测量滞后较大而不适合实时在线分析。近红外光谱分析是利用近红外光包容的物质信息进行分析的无损分析技术，可用于对石油产品质量的在线实时分析。论文在简述近红外线光谱技术的基础上，对近红外线光谱分析主要应用技术即汽油产品品质分析的NIR定量分析技术进行技术原理研究和应用研究。

关键词：近红外线光谱；分析技术；油品分析

1 概述近红外线光谱分析技术

近红外线是介于可见光和中红外线之间的电磁波，近红外光谱分析技术在光谱测量、化学计量等方面发挥着重要作用，其作为一种快速分析方法，也已广泛应用于石油产品的性质及组成分析。近红外线光谱分析技术在石油炼制中成功地应用于汽油性质和组成的测定，这也是论文的主要研究内容，即对NIR定量分析中在汽油分析中的应用研究。

近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团 X—H 键振动的倍频和合频吸收。在油品分析中可将油品的近红外光谱和组成数据，通过合理的谱图预处理（如平滑、微分）和化学计量学校正方法建立起近红外光谱与组成间的校正模型，通过建立的校正模型便可快速得到组成结果。近红外光谱分析的主要技术特点有分析速度快、分析效率高、分析成本较低、对样品无损伤、适用的样品范围广等，因而近红外光谱技术之所以成为一种快速、高效、适合过程在线分析、的有利工具。近红外光谱法在汽油分析中的应用主要表现在如汽油辛烷值的测定，汽油中烯烃、芳烃含量的测定，汽油中乙醇的测定，汽油族组成的分析等方面。

2 NIR定量分析在汽油分析中的技术分析