近紅外光譜技術(shù)及其在食品藥品分析中應(yīng)用教學(xué)

1、近紅外光譜及其在食品藥品檢測(cè)中的應(yīng)用研究-目錄近紅外光譜概念近紅外光譜發(fā)展背景近紅外光譜原理近紅外光譜分析方法近紅外光譜特點(diǎn)近紅外光譜儀近紅外光譜在藥品檢測(cè)中的應(yīng)用近紅外光譜在食品檢測(cè)中的應(yīng)用-近紅外光譜概念近紅外光譜譜區(qū)-近紅外光譜概念-近紅外光譜概念 電磁波譜根據(jù)不同的波長(zhǎng)劃分為不同的區(qū)域，每個(gè)波段都有其特點(diǎn)，而近紅外區(qū)則主要用于成分分析。-近紅外光譜概念近紅外光（Near infrared，NIR）是介于可見(jiàn)光(VIS)和中紅外（MIR)之間的電磁波。美國(guó)材料檢測(cè)協(xié)會(huì)（ASTM）將近紅外光譜區(qū)定義為780-2526nm的區(qū)域，習(xí)慣上又將近紅外區(qū)分為近紅外短波區(qū)（780nm1100nm）和

2、近紅外長(zhǎng)波區(qū)（1100nm2500nm）。-近紅外光譜發(fā)展背景 近紅外光譜技術(shù)是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種快速檢測(cè)技術(shù)，目前國(guó)外在很多領(lǐng)域已有較廣泛的應(yīng)用。自從Karl Norris 1986年使用近紅外光譜技術(shù)和多元線性回歸分析測(cè)定水分、蛋白質(zhì)和脂肪的含量成功后，推進(jìn)了人類對(duì)于紅外技術(shù)的應(yīng)用研究。由于近紅外光譜區(qū)的信息含量較豐富，且近紅外技術(shù)本身具有無(wú)污染、無(wú)前處理、無(wú)破壞性、在線檢測(cè)及多組分同時(shí)測(cè)定等優(yōu)點(diǎn)，因此在食品、醫(yī)藥、化工、石油等領(lǐng)域獲得了空前的發(fā)展。-近紅外光譜原理 近紅外光譜屬于分子振動(dòng)光譜，主要是由于分子的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的。其振動(dòng)模式有兩種，為伸縮振動(dòng)和彎

3、曲振動(dòng)。有這兩種模式的分子可以吸收近紅外光。-近紅外光譜原理分子的振動(dòng)類型 （1）伸縮振動(dòng)成鍵原子沿著鍵軸的伸長(zhǎng)或縮短（鍵長(zhǎng)發(fā)生改變，鍵角不變）。-近紅外光譜原理(2)彎曲振動(dòng)引起鍵角改變的振動(dòng) -近紅外光譜原理 近紅外光譜測(cè)量的是分子中單個(gè)化學(xué)鍵的基頻振動(dòng)的倍頻和合頻信息。在該譜區(qū)產(chǎn)生吸收的官能團(tuán)主要是含氫基團(tuán)X-H鍵(X為C、O、N、S等的特征信息。因此，幾乎所有的有機(jī)物的一些主要結(jié)構(gòu)和組成都可以在它們的近紅外光譜中找到特征信號(hào)。由于它們的圖譜穩(wěn)定, 因而獲取光譜容易。-近紅外光譜原理 不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯差別，NIR光

4、譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C(jī)物質(zhì)的組成與性質(zhì)的測(cè)量。-近紅外光譜分析方法透射光譜法反射光譜法-近紅外光譜分析方法透射光譜法透射光譜法就是把待測(cè)樣品置于作用光（光源發(fā)出的光）與檢測(cè)器之間，檢測(cè)器所檢測(cè)到的分析光是作用光通過(guò)樣品體與樣品分子相互作用后的光，若樣品是透明的真溶液，則分析光在樣品中經(jīng)過(guò)的路程一定，透射光的強(qiáng)度與樣品組分濃度由比耳定律決定。-近紅外光譜分析方法反射光譜法反射光譜分析時(shí)，檢測(cè)器與光源置于待測(cè)樣品的同一側(cè)，檢測(cè)器檢測(cè)到的分析光是光源發(fā)出的作用光投射到物體后，以各種方式反射回來(lái)的光。物體對(duì)光的反射分為規(guī)則反射光（鏡面反射）與漫反射。-近紅外光譜分析方法a：透

5、射式 b：漫反射式 c：漫透射式1：光源 2：?jiǎn)紊?3：樣品 4：檢測(cè)器透射分析和漫透射分析測(cè)定光源與檢測(cè)器處在樣品的兩側(cè)；漫反射分析測(cè)定光源與檢測(cè)器處在樣品的兩側(cè)-近紅外光譜分析方法-近紅外光譜分析方法定性分析定量分析-近紅外光譜分析方法定性分析依靠已知和未知樣品譜圖的比較來(lái)完成的。一般須借助計(jì)算機(jī)模式識(shí)別方法方可完成。近紅外光譜定性分析方法主要有:模式識(shí)別運(yùn)算、聚類分析、馬氏距離聚類分析、建庫(kù)判別和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。-近紅外光譜分析方法模式識(shí)別：即分類。客觀存在可以觀察的事物，如果可根據(jù)一定規(guī)則進(jìn)行相似性判別，都可以稱之為模式。模式識(shí)別就是通過(guò)特定方法將本樣本分成有實(shí)際意義的類別。它試圖用

6、計(jì)算機(jī)代替人工對(duì)各種模式進(jìn)行描述、分類和決策，從中找出規(guī)律，達(dá)到識(shí)別事物的目的。-近紅外光譜分析方法 模式識(shí)別基于一個(gè)十分直觀的基本假設(shè)，即“物以類聚”，認(rèn)為性質(zhì)相近的樣本在模式空間中所處的位置相近，它們?cè)诳臻g形成“簇”。模式識(shí)別方法具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，它不需要數(shù)學(xué)模型需要的先驗(yàn)知識(shí)很少擅長(zhǎng)處理復(fù)雜事物和多元數(shù)據(jù)等。在實(shí)際工作中，經(jīng)常遇到只需要知道樣品的類別或等級(jí)，并不需要知道樣品中含有的組分?jǐn)?shù)與其含量的問(wèn)題，這時(shí)需要應(yīng)用模式識(shí)別法。-近紅外光譜分析方法在模式識(shí)別運(yùn)算時(shí)需要有一組用于計(jì)算機(jī)“學(xué)習(xí)”的樣品集，通過(guò)計(jì)算機(jī)運(yùn)算，得出學(xué)習(xí)樣品在數(shù)學(xué)空間的范圍，對(duì)未知樣品運(yùn)算后，若也在此范圍內(nèi)，則該樣品屬于

7、學(xué)習(xí)樣品集類型，反之則否定。-近紅外光譜分析方法 模式識(shí)別 一組樣品進(jìn)行比較 方法靈敏 至少需要5個(gè)樣品 需要借助數(shù)學(xué)方法進(jìn)行識(shí)別-近紅外光譜分析方法定量分析各種多元校正技術(shù)如多元線性回歸（MLR）、主成分回歸（PCR）、偏最小二乘回歸(PLS)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）、和拓?fù)洌═P）等方法是近紅外光譜定量分析中常用的校正方法。-近紅外光譜分析方法多元線性回歸（MLR） MLR方法是從光譜中找出與某種成分或指標(biāo)相關(guān)顯著的幾個(gè)波長(zhǎng)點(diǎn)的吸光度進(jìn)行多元回歸得到標(biāo)準(zhǔn)方程，預(yù)測(cè)未知樣品。該方法在1985年以前普遍使用。-近紅外光譜分析方法多元線性回歸可用于紅外光譜定量分析，對(duì)于組分比較簡(jiǎn)單穩(wěn)定的樣品尤其

8、適合，如氣體樣品、液體樣品，固體西藥制劑等，該方法已很成熟，在早期的化學(xué)計(jì)量學(xué)研究中，被成功的用于紫外、紅外（當(dāng)然包括近紅外和中紅外）光譜法多組分定量分析。-近紅外光譜分析方法近紅外光譜定量分析的八個(gè)環(huán)節(jié)（1）樣品的選擇（2）樣品近紅外譜圖的掃描（3）譜圖的預(yù)處理（4）樣品中各待測(cè)成分化學(xué)值的測(cè)定（5）剔除異常值（6）分析譜區(qū)的選定（7）建立模型（8）檢驗(yàn)與評(píng)價(jià)模型-近紅外光譜分析方法-近紅外光譜特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1、特征性強(qiáng)：構(gòu)成化合物的原子質(zhì)量、化學(xué)鍵、原子的連接次序和空間位置不同都會(huì)造成紅外光譜的差別。2、適用范圍廣： 固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)都可進(jìn)行測(cè)定。3、作為分子振動(dòng)能級(jí)近紅外區(qū)域的倍頻和合頻吸收

9、系數(shù)很小，一般較紅外基頻吸收小1至3個(gè)數(shù)量級(jí)，樣品無(wú)需用溶液稀釋既可以直接測(cè)定，便于生產(chǎn)過(guò)程的實(shí)時(shí)測(cè)定。-近紅外光譜特點(diǎn)4、雖然吸光系數(shù)小會(huì)妨礙樣品中微量雜質(zhì)的測(cè)定，但也保證了微量雜質(zhì)或在紅外吸收弱的組分不至于干擾測(cè)定。5、近紅外可以在玻璃或石英介質(zhì)中穿透，所用的樣品池容器可以用常用的玻璃或石英制作。6、石英光纖可以用于近紅外光譜技術(shù)，可以對(duì)有毒材料或惡劣環(huán)境中樣品的遠(yuǎn)程分析，同時(shí)也使光譜儀的設(shè)計(jì)得以多樣化和小型化。-近紅外光譜特點(diǎn)7、可以用于樣品的定性分析，也可以得到精度較高的定量結(jié)果。8、分辨率高可同時(shí)對(duì)樣品多個(gè)組分進(jìn)行定性和定量分析，且檢測(cè)速度快，在1min內(nèi)。9、不破壞樣品，不用試劑，

10、故不污染環(huán)境。-近紅外光譜特點(diǎn)缺點(diǎn)：1、建立模型需要大量有代表性且化學(xué)值已知的樣品； 2、模型需要不斷的維護(hù)改進(jìn) ；3、近紅外測(cè)定精度與參比分析精度直接相關(guān)，在參比方法精度不夠的情況下，無(wú)法得到滿意結(jié)果。 -近紅外光譜特點(diǎn)與其他光譜的比較：-近紅外光譜儀-近紅外光譜儀-近紅外光譜儀近紅外光譜儀器的主要類型濾光片型色散型傅立葉變換型聲光可調(diào)濾光型其中傅立葉變換型近紅外光譜儀與其它類型儀器相比，具有信噪比高、分辨率高、波長(zhǎng)準(zhǔn)確且重復(fù)性好、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，往往作為研究性儀器的首選。-近紅外光譜的應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用農(nóng)業(yè)與食品行業(yè)石油化工工業(yè)制藥工業(yè)煙草與紡織行業(yè)生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域-近紅外光譜在藥品檢測(cè)

11、中的應(yīng)用 藥物的制備是通過(guò)混合、加工、成型及包裝等一系列過(guò)程統(tǒng)一完成的。要求每一過(guò)程中都必須對(duì)所有組分進(jìn)行全面的表征。近紅外光譜儀由于具有體積小，分析速度快及溫度、壓力和振動(dòng)等外界因素影響小的特點(diǎn)，可以安裝在藥物生產(chǎn)線上，直接非破壞性地監(jiān)測(cè)每一步加工過(guò)程中各個(gè)組分的含量和性質(zhì)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，進(jìn)行調(diào)整，從而避免整批產(chǎn)品的損失。除了速度快以外，還可以監(jiān)測(cè)藥品加工過(guò)程中可能引入的各種污染物。不影響藥品的生產(chǎn)速度，同時(shí)還能進(jìn)行全面的監(jiān)控。-近紅外光譜在藥品檢測(cè)中的應(yīng)用 利用近紅外光譜和多變量統(tǒng)計(jì)分類技術(shù)(系統(tǒng)聚類分析、逐步聚類分析、主成分分析和逐步判別等)可很好地對(duì)藥材和成藥進(jìn)行定性判別和分類： 劉國(guó)

12、林等1，利用了近紅外光譜技術(shù)對(duì)不同產(chǎn)地和類別的42種中藥蛇床子進(jìn)行了類別分析，取得了滿意的效果。湯彥豐等2，將近紅外光譜和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合對(duì)52種正品和非正品大黃進(jìn)行了鑒別，正確率達(dá)96.15。-近紅外光譜在藥品檢測(cè)中的應(yīng)用 鐘蕾等3，利用近紅外光譜結(jié)合聚類分析方法對(duì)不同產(chǎn)地的血竭類中藥進(jìn)行了研究，近紅外光譜法(NIRS)聚類分析的結(jié)果與經(jīng)典的分類結(jié)果基本吻合。任瑞雪等4，研究了近紅外一階導(dǎo)數(shù)光譜進(jìn)行蘆丁粉末藥品質(zhì)量控制的可能性，用多變量統(tǒng)計(jì)分類技術(shù)從蘆丁的近紅外一階導(dǎo)數(shù)光譜成功地鑒別出真藥、劣藥和假藥，該技術(shù)為藥物的質(zhì)量控制提供了新的檢測(cè)方法。-近紅外光譜在藥品檢測(cè)中的應(yīng)用 近紅外光譜在藥

13、物的定量分析及在線檢測(cè)等方面也取得了一定的成果： 人們根據(jù)近紅外光譜同計(jì)算機(jī)科學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)相結(jié)合可對(duì)藥物進(jìn)行非破壞分析這一可能性，非侵入地測(cè)量了銀杏葉片5、黃連浸膏粉6、青霉素鈉7等藥品中活性成分的含量和分布。 在對(duì)藥物的定量分析方面，人們除了將近紅外光譜與偏最小二乘法(PLS)、主成分分析(PCA)相結(jié)合對(duì)-近紅外光譜在藥品檢測(cè)中的應(yīng)用一些藥如卡拉霉素膠囊8、甲璜酸加替沙星9、頭孢氨芐膠囊10等分析外，近幾年又將近紅外光譜技術(shù)與處理非線性體系的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相結(jié)合，對(duì)許多固體藥品如：撲熱息痛片劑11、美的康12、甲氧芐胺嘧啶13、阿斯匹林14、璜胺甲基異噁唑15等進(jìn)行了定量分析，均取得了

14、滿意的預(yù)測(cè)結(jié)果。 -近紅外光譜在食品檢測(cè)中的應(yīng)用 食品中某種成分的含量也是人們最關(guān)心的話題之一，食品中成分復(fù)雜，不利于檢測(cè)。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法復(fù)雜程序多且速度慢。近紅外光譜分析具有速度快、成本低以及重現(xiàn)性好等優(yōu)點(diǎn)，有助于實(shí)現(xiàn)食品檢測(cè)中某種成分的快速檢測(cè)。為現(xiàn)代分析檢測(cè)方法提供了極大地便利。 -近紅外光譜在食品檢測(cè)中的應(yīng)用 在鑒別不同食品種類方面，趙杰文，陳全勝16等采用近紅外光譜結(jié)合主成分一馬氏距離模式識(shí)別方法鑒別了龍井、碧螺春、毛峰和鐵觀音4種茶，鑒別率分別達(dá)到98.75和95，為快速準(zhǔn)確鑒別茶葉提供了一種新思路。 在檢測(cè)食品中的某種成分的含量方面，趙杰文，陳全勝等16先后利用近紅外光譜方法定性

15、和定量地分析了茶葉中蛋白質(zhì)、咖啡堿、氨基酸、多酚類以及水分的含量，結(jié)果準(zhǔn)確可靠。-近紅外光譜在食品檢測(cè)中的應(yīng)用 近紅外光譜分析技術(shù)不僅應(yīng)用于食品成分含量和種類鑒別的研究，而且已用于食品加工過(guò)程中組成變化的監(jiān)控和動(dòng)力學(xué)行為的研究，如用NIR 評(píng)價(jià)微型磨面機(jī)在磨面過(guò)程化學(xué)成分的變化；在奶酪加工過(guò)程中優(yōu)化采樣時(shí)間，研究不同來(lái)源的奶酪的化學(xué)及物理動(dòng)力學(xué)行為；通過(guò)測(cè)定顏色變化來(lái)確定農(nóng)產(chǎn)品的新鮮度、成熟度，了解食品的安全性；通過(guò)檢測(cè)水分含量的變化來(lái)控制烤制食品17的質(zhì)量；檢測(cè)蘋(píng)果、葡萄、梨、-近紅外光譜在食品檢測(cè)中的應(yīng)用草莓等果汁加工過(guò)程中可溶性和總固形物的含量變化18；在啤酒生產(chǎn)線上，監(jiān)測(cè)發(fā)酵過(guò)程中酒精

16、及糖分含量變化。下表19是NIR 在食品檢測(cè)上的應(yīng)用實(shí)例。-近紅外光譜在食品檢測(cè)中的應(yīng)用-參考文獻(xiàn)：1.劉國(guó)林;蔡金娜;李偉近紅外光譜技術(shù)在中藥蛇床子分類中的應(yīng)用 20012.湯彥豐;張卓勇;范國(guó)強(qiáng)光譜學(xué)與光譜分析待發(fā)表3.鐘蕾;朱斌;宓鶴鳴近紅外漫反射光譜聚類分析用于血竭的鑒別期刊論文-理化檢驗(yàn)-化學(xué)分冊(cè) 2004(01)4.任瑞雪;李偉;任玉林多變量統(tǒng)計(jì)分類技術(shù)進(jìn)行蘆丁質(zhì)量控制的研究期刊論文-數(shù)理醫(yī)藥學(xué)雜志 2000(01)5.楊玉蘭;吳龍奇;王建華用近紅外光譜檢測(cè)銀杏葉片中的黃酮的含量期刊論文-河南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(農(nóng)學(xué)版)2003(02)-參考文獻(xiàn)：6.瞿海斌;劉全;程翼宇近紅外漫反射光譜

17、法測(cè)定黃連浸膏粉中生物堿含量期刊論文-分析化學(xué) 2004(04)7.張中湖;張敬賢;朱斌注射用青霉素鈉品質(zhì)參數(shù)的近紅外漫反射光譜法測(cè)定期刊論文-中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)雜志2003(07)8.孫美玲;相秉仁近紅外漫反射光譜法快速、無(wú)損定量分析克拉霉素膠囊期刊論文-中國(guó)藥科大學(xué)學(xué)報(bào)2003(05)9.孫美玲;相秉仁近紅外透射光譜法快速無(wú)損定量分析甲磺酸加替沙星注射液的主成分期刊論文-中國(guó)藥科大學(xué)學(xué)報(bào) 2003(03)-參考文獻(xiàn)：10.李小燕;藜慶濤近紅外漫反射光譜法測(cè)定頭孢氨芐膠囊的含量期刊論文-中國(guó)醫(yī)院藥學(xué)雜志 2004(03)11.竇英;邱芳萍;劉培義撲熱息痛片劑藥品的近紅外光譜法非破壞定量分析期刊論文-高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào)2004(01)12.郭曄;茍玉慧;湯真人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-近紅外光譜法用于粉末藥品美的康的非壞定量分析期刊論文-分析化學(xué)2001(01)13.劉培義;任玉林;茍玉慧人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-近紅外光譜法用于甲氧芐胺嘧啶粉末藥品的非破壞定量分析期刊論文-高等學(xué)校化學(xué)學(xué)報(bào) 2000(04)-參考文獻(xiàn)：14.田麗容;湯真;劉福強(qiáng)近紅外光譜-人工神經(jīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法用于粉末藥品阿斯匹林的非破壞定量分析期刊論文-分析試驗(yàn)室 2001(01)15.郭曄;茍玉慧;任玉林粉末藥品磺胺甲基異噁唑的非破壞定量分析期刊論文