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红外光谱分析技术及其应用

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红外光谱分析技术及其应用

（作者:___________单位: ___________邮编: ___________）

作者：范雪芳徐淼侯晓涛王帅李洪宇张丽华

【摘要】红外光谱(IR)分析技术是一门发展迅猛的高新技术，与传

统分析技术相比，红外光谱分析技术具有分析速度快，样品用量少，

无破坏无污染等特点。红外光谱测定的是物质中分子的吸收光谱，不同的物质会有其特征指纹的特性，利用红外指纹图谱技术对中成药进

行质量鉴定与分析，借助计算机和模式识别等技术，以综合的、宏观

的、非线性的分析理念和质量控制模式来评价中药的真伪优劣

【关键词】红外光谱; 红外指纹图谱技术

【Abstract】 Infrared spectrum (IR) is a fast developing newly technology. Compared with traditional analysis technology, IR

possesses characters of fast analysis, little sample, no breach

and no pollution. IR measures the absorption spectrum of

molecule, and different substances have different fingerprint

patterns. Thus, IR technology can be applied to detect and

analyze the quality of traditional Chinese drug. Using the

computer, pattern recognition and so on, we can estimate if

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traditional Chinese drug is real or fake, good or bad under the

guidance of comprehensive, macroscopic and nonlinear

analysis idea as well as quality control models.【Key words】

infrared spectrum; technology of IR fingerprint

红外光谱分析技术是一门发展迅猛的高新技术，在分析化学领

域里被誉为分析“巨人”，这个“巨人”的出现掀起了一场分析技术

革命。使用传统的分析方法测定一个样品的多种性质或浓度数据需

要多种分析仪器，耗费大量人力、物力和时间，因此成本高，工作

效率低，远不能适应现代工业的需要;与传统分析技术相比，IR分析技术能在几十秒甚至几秒内，仅通过对样品的一次IR简单测量，就

能同时测定一个样品的几种甚至几十种物质或浓度数据，而且被测样

品用量很少，无破坏，无污染，无损伤分析，操作简单，分析成本低[14]。

1 红外光谱分析技术的发展过程红外光谱是研究红外光与物质

分子间相互作用的吸收光谱，红外光谱分近红外区(泛频区)波长范围

12 500～4 000/cm，中红外区(基本震动区)波长范围4 000～400/cm，

远红外区(转动区)波长范围400～25/cm [5]。而近红外区(NIR) 最

初于1800年被英国物理学家赫谢耳(William F Hershel)发现，是

人们最早发现的非可见光区域。1835年Ampere利用新发明的热电偶

证明了NIR具有同可见光一样的光学性质[5,6]。早期的红外光谱广

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泛应用棱镜作为单色器，用连续波扫描，分辨率低,但仍在化合物结

构表征发挥重要作用。20世纪60年代以后以光栅为单色器，提高了

分辨率，曾在传统的农副产品领域中有所应用。而近红外方法作为一

种新兴的定量分析方法今年来取得了显著进展，在食品、农产品、烟

草等方面尤为突出[7]。20世纪80年代后期曾出现过红外光谱法鉴别中药的某些报道，但由于光谱总体解析知识的贫乏、思路上的保守

和缺乏交叉学科的相互渗透，其进展并不显著。20世纪90年代后期

以来，出现了将红外光谱法与计算机辅助解析技术有机的结合应用于

中药鉴定的若干报道。

2 红外光谱技术2.1 红外数据库随着计算机的普及红外光谱分析与薄层色谱法、

高效液相色谱法、气相色谱法、高效毛细管电泳法、紫外光谱法、红

外光谱法、核磁共振和X射线衍射法、质谱及分子生物学技术连用

[8]，为红外光谱的应用开辟了更广阔的领域。随后又有人将红外数

据库通过计算机系统运用于红外光谱仪中，即将光谱的数字化形式存放在IBM计算机穿孔卡片上形成红外数据库。目前已建立的红外数据

库主要有:(1)ASTM红外光谱;(2)Sadtler谱库;(3)Aldrich/Nicolet

凝聚相普图库;(4)Sigma生物化学谱库;(5)Nicolet蒸气相谱

库;(6)Georgia州犯罪实验室麻醉剂谱库;(7)多伦多法法庭谱库;(8)Aldrich蒸气相谱库;(9)Sadtler SpecFinder数据

库;(10)PE谱库;(11)固体药物FTIR谱库;(12)EPA气相 FTIR谱

库。

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2.2 红外光谱仪与其他仪器的连用在实际工作中，红外光谱仪经

常通过与其他仪器连用。常见的有GC/FTIR联用技术[8];HPLCFTIR联用技术[9,10];TLCFTIR联用技术[11,12];SFCFTIR联用技术

[13];TGAFTIR联用技术[1416]等。

范雪芳,等.红外光谱分析技术及其应用成都医学院学报2009年9月，4(3)

3 红外指纹图谱技术现状红外光谱测定的是物质中分子的吸收

光谱，不同的物质会有其特征指纹的特性，目前红外指纹图谱已成为

鉴定和分析不同产地及品种的中药材内在质量的重要手段。但由于中

药指纹图谱相当复杂，人工比较难掌握结果的准确性，因此将其用于复方中药的鉴定和分析[1720]。对于中药的品种和真伪鉴别，除液

相和薄层等以色谱为主的指纹图谱方法外，还可以使用光谱测定的指

纹图谱方法，即红外指纹图谱鉴别技术，该技术无需对中药进行提取

分离等繁杂的化学处理，而直接进行红外光谱分析检测，是目前中药

材及其制剂最直接、快速、准确的鉴定鉴别和质量控制方法。目前我国中药指纹图谱的实施, 已由实验室研究进入到实际应用和作为法

定质量标准的阶段。它不仅从图谱的整体特征来综合地鉴别真伪, 还

可以以一定的量化参数大致评价中药产品质量的稳定性和一致性。在

现阶段, 据此判断原料、半成品、成品的质量相关性、一致性和稳定

性, 应用范围包括1094光谱学与光谱分析原料药材的筛选、生产工

艺的优化、成品质量的稳定考察、市场商品的质量监控。实践证明, 色

谱指纹图谱分析所表达的质量信息远比测试单一成分要丰富得多

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[21,22] 。例如天士力集团已将多元色谱指纹图谱分析定为内控方

法。对复方丹参滴丸主要化学成分进行了系统分析, 鉴定出10种丹

参水溶性成分和20种三七皂苷类成分, 基本揭示了复方丹参滴丸化

学物质基础; 能更完整地反映出复杂药产品的化学组成特征, 可用

于复中药产品的质量控制[23](各批次的复方丹参滴丸产品中有效成分的含量一致, 确保了复方丹参滴丸质量的稳定) 。

4 红外指纹图谱的应用近两年来红外光谱在中药质控领域取得

突破性进展, 突破了检测样品有损、存在大量废弃物的问题, 形成了

一种无损、环保的新型检测体系。常规的制药分析样品前处理繁琐,

分析周期较长, 使用有毒有害试剂较多, 常产生大量废气、废液; 相比之下红外光谱分析有如下鲜明的技术特点:分析速度快, 多种成分

同时分析, 无污染分析, 样品不需特别的预处理, 不使用有毒、有害

试剂, 无损伤分析, 操作简单, 分析成本低。红外光谱技术已在中药

材鉴定、中药材炮制、中药注射剂各个领域发挥了重要作用, 分述如

下。4.1 中药材鉴定

4.1.1 常用中药材的深入研究红外光谱对常用中药的研究已经

不局限于通过谱图的差异来作出简单辨别; 而出现两个新的应用研

究方向: 一种是在谱图计算机辅助解析方面进行深入研究, 采用多

种分析方法挖掘谱图数据信息; 另一种是为了增大样品差异性对样

品进行前处理。例如王凤岭等[24 ]利用红外三级鉴定法区别栽培和

野生丹参，徐海星等[7]使用不同溶剂对原药材进行提取处理，采用

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红外光谱图谱鉴别法对提取物进行分析。红外光谱技术应用新进展表

现为: 一方面通过应用了不同的溶媒进行试验, 对药材进行提取处

理, 增大了样品差异性, 提高了谱图差异化, 更有利于差异性小的

药材辨识; 另一方面谱图计算机辅助解析通过量化峰高比、主成分分

析、谱图半定量分析、相关二维、神经网络等方面的深入研究,挖掘了更多的谱图数据信息。

4.1.2 地方民族药的鉴别由于地方民族药还停留在外观形状经

验鉴别水平, 相应色谱含量分析较少。因此红外光谱分析技术已迅速

被彝、藏、蒙等少数民族医药所接受, 并且在地域性药物鉴别、基原

调查、珍稀药材保护等领域进行了有益的尝试。例如杨群等[25]采用傅里叶变换衰减反射红外光谱法对鸡根、大红袍两种彝药药材进行了

快速无损的红外光谱测定;关昕璐等[26]采用红外光谱法直接测定藏

药翼首草不同产地、不同药用部位的红外光谱, 并比较了它们的红外

光谱差别;徐良等[27]用红外三种光谱法对四种蒙药材进行了鉴别研

究，四种药材粉末的红外光谱有明显区别。红外光谱在地方民族药中的应用, 打破了其长期缺乏有效质控方法的局面。与此同时, 红外光

谱也将成为地方民族医药核心质控技术。

4.2 中药材炮制红外指纹图谱用于中药炮制品的鉴别

是可行的, 特别是二维相关的使用, 使炮制过程不再成为不可控的

过程; 且红外光谱法样品制备简单, 仪器设备普及性强, 在中药饮

片的快速鉴别与过程监控中具有一定的优势。例如鲍红娟等[28]利用

红外光谱技术分析研究河南道地药材怀菊花及其炮制品, 找出怀菊

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近红外光谱分析的原理技术与应用

近红外光谱分析的原理技术与应用

近红外光谱分析的原理技术与应用

引言

近红外光谱分析是一种非破坏性、快速、准确的分析技术，广泛应用于食品、医药、化妆品、环境监测等领域。本文将介绍近红外光谱分析的原理、技术和应用。

近红外光谱分析的原理

近红外光谱分析利用物质吸收或反射近红外光时产生的特征光谱来分析物质的成分和性质。近红外光谱分析主要基于以下两个原理：

1. 分子振动吸收原理：物质中的化学键振动会引起近红外光的吸收，吸收峰的位置与化学键的特异性有关。

2. 红外光与物质的相互作用原理：物质吸收了红外光后，其分子内部发生改变，从而产生特征的近红外光谱。

近红外光谱分析的技术

近红外光谱分析的技术主要包括光源、光谱仪和数据处理三个方面。

光源

常用的光源有白炽灯、光电二极管和激光等。其中白炽灯发射连续谱，适用于宽波长范围的分析；光电二极管具有快速响应和高稳定性，常用于近红外光谱分析仪器；激光具有较高的亮度和窄的波长范围，适用于特定波长范围的分析。

光谱仪

常用的光谱仪有分光镜、光栅和红外线摄像机等。分光镜通过将近红外光谱聚焦到光栅上，并通过旋转光栅来选择不同波长光线；光栅则将不同波长的光线分散成不同的角度形成光谱；红外线摄像机可通过感应近红外光谱并将其转换成数字信号。

数据处理

近红外光谱分析的数据处理通常包括预处理、特征提取和模型建立等步骤。预处理常用的方法有光谱校正、光谱平滑和光谱标准化等；特征提取可使用主成分分析、偏最小二乘回归等方法；模型建立则可以采用多元回归分析、支持向量机等模型进行建立。 近红外光谱分析的应用

近红外光谱分析在多个领域具有广泛应用，以下为几个常见的应用示例：

• 食品质量检测：近红外光谱分析可用于检测食品中的营养成分、添加剂和污染物等，以保证食品的安全和质量。

• 药物分析：近红外光谱分析可用于药品的成分分析、质量控制以及伪药的鉴定等。

• 化妆品分析：近红外光谱分析可用于分析化妆品中的成分、性质和质量，以确保产品的合规性和安全性。

红外光谱分析测试

红外光谱分析测试

红外光谱分析测试

红外光谱分析测试是一种广泛应用于化学、生物、材料科学等领域的分析技术。本文将介绍红外光谱分析测试的原理、应用以及分析结果的解读。

一、原理

红外光谱分析测试基于物质在红外光区的吸收特征，通过测量物质在不同波长的红外光下的吸收强度，来获得物质的红外光谱。红外光谱图由红外光吸收与波数之间的关系所构成，每个特定的物质都有其独特的红外光谱特征。

二、应用

1. 化学分析：红外光谱分析可以用于鉴定化学物质的结构和组成。通过与已知物质的红外光谱进行对比，可以确定未知物质的成分和结构特征。

2. 生物医药：红外光谱分析在生物医药领域有着广泛应用。例如，通过检测人体组织、体液中的红外光谱特征，可以实现疾病的早期诊断和治疗效果的评估。

3. 材料科学：红外光谱分析可用于表征材料的组成和结构，研究材料的光学性质、导电性质以及材料的热学性质等。这对于新材料的开发和性能改良具有重要意义。

三、分析结果解读 红外光谱图包含多个峰，每个峰代表了不同化学官能团的振动模式。通过峰的位置、形状和强度，可以分析物质的成分和结构特征。

1. 峰的位置：不同官能团的振动模式对应不同的峰位。通过查阅红外光谱数据库或已知物质的红外光谱图，可以确定特定峰位所代表的官能团。

2. 峰的形状：峰的形状可以提供关于官能团的对称性和键的强度信息。对称性越高，峰的形状越尖锐；键的强度越强，峰的形状越宽。

3. 峰的强度：峰的强度与物质中特定官能团的含量有关。峰的强度越高，表示特定官能团的含量越多。

根据红外光谱分析测试的结果，可以得出结论并作出相应的应用决策。但需要注意的是，红外光谱分析只是一种辅助手段，综合其他分析方法和实验结果来进行综合分析是更可靠的。

综上所述，红外光谱分析测试是一种重要的化学分析技术，广泛应用于各个领域。通过分析红外光谱图的峰位、形状和强度，可以确定物质的成分和结构特征，为相关领域的科研和应用提供有力的支持。

红外光谱技术在食品分析中的应用

红外光谱技术在食品分析中的应用

红外光谱技术在食品分析中的应用

红外光谱技术是一种快速、便捷、非损伤性的分析方法，可以帮助食品科学家和工程师对各种食品的组成、质量和属性进行分析和检测。在食品生产和加工领域，红外光谱技术已成为一种常见的分析方法，其能够检测各种复杂的食品成分和组分，例如蛋白质、脂肪、糖类、氨基酸和微量元素等等。

红外光谱技术是通过采用红外线作为光源，将其分布在待测试样品上，然后测量样品吸收和反射光线的强度和波长等参数，以此来确定样品的组成和性质。根据红外光谱技术的原理，可以将样品分解为其基本的分子和原子，以此来推断出样品的组分和分子结构。

在食品分析领域，红外光谱技术主要应用于以下几个方面。

1. 营养分析

红外光谱技术能够检测食品中的各种营养成分，例如蛋白质、脂肪、糖类和微量元素等。通过红外光谱技术的检测，可以帮助食品生产商和消费者对食品的营养成分进行评估和监测，以此来保障消费者对食品的健康和安全。

2. 质量控制

红外光谱技术能够检测食品中的各种关键成分和组分，例如脂肪酸、氨基酸、糖类和水分等。通过红外光谱技术的检测，可以帮助食品制造商掌握食品的质量状况，从而对生产过程进行有效的管控，提高产品的质量和稳定性。

3. 检测食品中的添加物

红外光谱技术能够检测食品中的各种添加剂和杂质成分，例如防腐剂、色素和添加剂等。通过红外光谱技术的检测，可以帮助食品生产商和监管机构有效地控制食品中添加物的含量和种类，保障消费者的健康与安全。

4. 检测食品的新鲜程度

红外光谱技术能够检测异味、变质和降解产物等环境因素对食品质量的影响。通过红外光谱技术的检测，可以对食品的新鲜程度进行快速的检测和评估，从而有效地控制食品的保质期和保鲜效果。

总之，红外光谱技术在食品分析中的应用取得了显著的进展，可以有效地帮助食品科学家和生产商对食品的组成和质量进行全面的分析和评估。在未来，随着科技的不断发展和进步，红外光谱技术必将成为食品分析的重要工具之一，为保障人们的健康和安全提供持续的技术保障。

红外光谱适用范围

红外光谱适用范围

红外光谱适用范围

红外光谱是一种重要的分析技术，被广泛应用于各个领域，包括化学、生物和环境等。下面给出红外光谱的适用范围，以及应用案例。

一、化学领域

1.有机化学

红外光谱可以用于分析和鉴定有机化合物。例如，可以通过红外光谱确定化合物的功能基团、官能团、键的性质等。这在有机合成中非常有用，可以帮助研究人员确定化合物的结构和反应机理。

2.材料化学

红外光谱可以用于分析不同类型的材料，例如聚合物、橡胶、玻璃等。通过红外光谱，可以确定材料的组成、性质和结构，可以帮助研究人员制备出具有特定性质和应用的材料。

二、生物领域

1.蛋白质分析

红外光谱可以用于研究蛋白质的二级结构和构象。通过分析蛋白质的红外光谱，可以了解到蛋白质的α-螺旋、β-折叠和无序结构等信息。

2.药物研究

红外光谱可以用于研究药物的结构和性质。通过红外光谱，可以确定药物分子的官能团、键的性质等信息。这对于调整药物的结构和性质以及设计新的药物分子具有重要意义。

三、环境领域

1.水质分析

红外光谱可以用于水质分析。通过红外光谱，可以确定水中溶解物的成分和浓度，例如有机物、无机盐和矿物质等。这对于了解水的污染情况和采取合适的治理措施具有重要意义。

2.大气污染监测

红外光谱可以用于监测大气中的污染物，例如二氧化碳、甲烷、氨和二氧化硫等。通过监测这些污染物，可以了解大气质量状况和污染来源，并制定相应的污染治理措施。

以上是红外光谱的适用范围和应用案例列表。红外光谱在化学、生物和环境等领域都具有广泛的应用，可以为研究人员提供有价值的信息。