近紅外技術(shù)-課件

近紅外光譜分析技術(shù)醫(yī)學課件1近紅外光譜分析技術(shù)醫(yī)學課件1一、近紅外光譜近紅外光譜技術(shù)二、分析原理三、儀器四、分析流程五、特點六、藥物分析中的應用醫(yī)學課件2一、近紅外光譜近紅外光譜技術(shù)二、分析原理三、儀器四、分析流程一、近紅外光譜

近紅外區(qū)域按美國試驗與材料學會的定義是指波長780nm~2500nm范圍內(nèi)的電磁波，是人們發(fā)現(xiàn)最早的處于可見光（360~780nm）和中紅外光（2500～25000nm）之間的非可見光譜區(qū)域。習慣上，往往將近紅外光譜（NIR)分為兩個區(qū)域。波長780nm至1100nm的區(qū)域稱作為短波近紅外光譜區(qū)，波長1100nm至2500nm區(qū)域稱作長波近紅外光譜區(qū)。醫(yī)學課件3一、近紅外光譜近紅外區(qū)域按美國試驗與材料學會的定義二、分析原理

近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的。近紅外光譜記錄的是分子中單個化學鍵的基頻振動的倍頻和合頻信息，它常常受含氫基團X-H(X:C、N、O)的倍頻和合頻的重疊主導，所以在近紅外光譜范圍內(nèi)，測量的主要是含氫基團X-H振動的倍頻和合頻吸收。

醫(yī)學課件4二、分析原理近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧表1C-H各級基團倍頻在近紅外區(qū)的分布醫(yī)學課件5表1C-H各級基團倍頻在近紅外區(qū)的分布醫(yī)學課件5表2主要基團與各級倍頻吸收帶的近似位置醫(yī)學課件6表2主要基團與各級倍頻吸收帶的近似位置醫(yī)學課件6二、分析原理主要技術(shù)透射光譜技術(shù)(700-1100nm)反射光譜技術(shù)(1100-2500nm)規(guī)則反射漫反射醫(yī)學課件7二、分析原理主要技術(shù)醫(yī)學課件7二、分析原理

漫反射是從光源出來的光線進入樣品內(nèi)部，經(jīng)過多次反射、折射、衍射及吸收后返回樣品表面的過程，因此，漫反射光是分析光與樣品內(nèi)部分子發(fā)生作用的光，負載了樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息。漫反射幾乎可用于各類樣品分析。

醫(yī)學課件8二、分析原理醫(yī)學課件8三、儀器基本構(gòu)造

(1)光源

(2)分光系統(tǒng)

(3)測樣器件

(4)檢測器

(5)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

(6)記錄儀主要類型(1)濾光片型(2)光柵色散型(3)傅立葉變換型(4)聲光調(diào)制濾光型

醫(yī)學課件9三、儀器基本構(gòu)造主要類型醫(yī)學課件9三、儀器性能指標（1）光譜的分辨率—分光系統(tǒng)

（2）波長準確性—模型傳遞（3）波長重現(xiàn)性—儀器穩(wěn)定（4）吸光度準確性—測量結(jié)果（5）吸光度重現(xiàn)性—模型效果

（6）吸光度噪音—儀器穩(wěn)定醫(yī)學課件10三、儀器性能指標醫(yī)學課件10三、儀器

傅立葉變換近紅外光譜儀是具有較高的分辨率和掃描速度，這類儀器的弱點同樣是干涉儀中存在移動性部件，且需要較嚴格的工作環(huán)境。聲光可調(diào)濾光器是采用雙折射晶體，通過改變射頻頻率來調(diào)節(jié)掃描的波長，整個儀器系統(tǒng)無移動部件，掃描速度快。但目前這類儀器的分辨率相對較低，價格也較高。

在與固定光路相匹配的陣列檢測器中，常用的有電荷耦合器件（CCD）和二極管陣列（PDA）兩種類型，其中CCD多用于近紅外短波區(qū)域的光譜儀，PDA檢測器則用于長波近紅外區(qū)域。醫(yī)學課件11三、儀器傅立葉變換近紅外光譜儀是具有較高的分三、儀器性能指標（1）光譜的分辨率

光譜的分辨率主要取決于光譜儀器的分光系統(tǒng)，對用多通道檢測器的儀器，還與儀器的像素有關(guān)。分光系統(tǒng)的光譜帶寬越窄，其分辨率越高，對光柵分光儀器而言，分辨率的大小還與狹縫的設計有關(guān)。儀器的分辨率能否滿足要求，要看儀器的分析對象。醫(yī)學課件12三、儀器性能指標醫(yī)學課件12三、儀器（2）波長準確性

波長準確性是指儀器測定標準物質(zhì)某一譜峰的波長與該譜峰的標定波長之差。波長的準確性對保證近紅外光譜儀器間的模型傳遞非常重要。為了保證儀器間校正模型的有效傳遞，波長的準確性在短波近紅外范圍要求好于0.5nm，長波近紅外范圍好于1.5nm。

醫(yī)學課件13三、儀器（2）波長準確性

波長準確性是指儀器測定標準三、儀器（3）波長重現(xiàn)性

波長的重現(xiàn)性指對樣品進行多次掃描，譜峰位置間的差異，通常用多次測量某一譜峰位置所得波長或波數(shù)的標準偏差表示（傅立葉變換的近紅外光譜儀器習慣用波數(shù)cm-1表示）。波長重現(xiàn)性是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的一個重要指標，對校正模型的建立和模型的傳遞均有較大的影響，同樣也會影響最終分析結(jié)果的準確性。一般儀器波長的重現(xiàn)性應好于0.1nm。醫(yī)學課件14三、儀器（3）波長重現(xiàn)性

波長的重現(xiàn)性指對樣品進行三、儀器（4）吸光度準確性

吸光度準確性是指儀器對某標準物質(zhì)進行透射或漫反射測量，測量的吸光度值與該物質(zhì)標定值之差。對那些直接用吸光度值進行定量的近紅外方法，吸光度的準確性直接影響測定結(jié)果的準確性。

醫(yī)學課件15三、儀器（4）吸光度準確性

吸光度準確性是指儀器對某標準物三、儀器（5）吸光度重現(xiàn)性

吸光度重現(xiàn)性指在同一背景下對同一樣品進行多次掃描，各掃描點下不同次測量吸光度之間的差異。通常用多次測量某一譜峰位置所得吸光度的標準偏差表示。吸光度重現(xiàn)性對近紅外檢測來說是一個很重要的指標，它直接影響模型建立的效果和測量的準確性。醫(yī)學課件16三、儀器（5）吸光度重現(xiàn)性

吸光度重現(xiàn)性指在同一背景三、儀器（6）吸光度噪音

吸光度噪音也稱光譜的穩(wěn)定性，是指在確定的波長范圍內(nèi)對樣品進行多次掃描，得到光譜的均方差。吸光度噪音是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的重要指標。將樣品信號強度與吸光度噪音相比可計算出信噪比。醫(yī)學課件17三、儀器（6）吸光度噪音

吸光度噪音也稱光譜的穩(wěn)定性三、儀器注意事項（1）各項性能長期穩(wěn)定的近紅外光譜儀，是保證數(shù)據(jù)具有良好再現(xiàn)性的基本要求；（2）功能齊全的化學計量學軟件，是建立模型和分析的必要工具；（3）準確并適用范圍足夠?qū)挼哪Ｐ汀?/p>

醫(yī)學課件18三、儀器注意事項醫(yī)學課件18四、分析流程1訓練集樣品的選擇選擇適宜的訓練集樣本是建立近紅外光譜校正方法的第一步。理想的訓練集應該包括盡量多的有代表性的樣本，樣本的光譜不能因顆粒度、濃度等因素的不同而變化。醫(yī)學課件19四、分析流程1訓練集樣品的選擇醫(yī)學課件19圖1主成分得分圖醫(yī)學課件20圖1主成分得分圖醫(yī)學課件20四、分析流程2標準方法的測定物化性質(zhì)

用標準對照分析方法測定樣品的物化性質(zhì)非常重要。對復雜的天然樣品，應選用被大家所接受的、權(quán)威的分析方法。由于模型預測結(jié)果的準確性很大程度上取決于標準方法測量結(jié)果的準確性，為建立高質(zhì)量的校正模型，標準對照方法的測量誤差應降至最小。醫(yī)學課件21四、分析流程2標準方法的測定物化性質(zhì)醫(yī)學課件21四、分析流程3光譜數(shù)據(jù)的測量

在測量光譜數(shù)據(jù)時，儀器的狀態(tài)實際每天都在變化，即使在同一天，光譜數(shù)據(jù)也可能由于光源的溫度變化而變化。在對訓練集樣本或未知樣本的光譜進行測量時，實驗條件應盡量保持一致。如果可能，進行訓練集樣本的光譜測定最好不在同一時間進行，這樣，可以將時間不同而造成的光譜數(shù)據(jù)的變化也概括到模型中。醫(yī)學課件22四、分析流程3光譜數(shù)據(jù)的測量醫(yī)學課件22圖2肝素原料藥樣品光譜圖譜帶重疊醫(yī)學課件23圖2肝素原料藥樣品光譜圖譜帶重疊醫(yī)學課件23四、分析流程4校正模型的建立與驗證良好的校正模型應當是在用測試集樣本對模型進行考核時，其預報結(jié)果與標準方法實際測量結(jié)果有良好的一致性。一個好的模型意味著它必須是對組成的變化非常敏感，而對其它因素，如儀器、環(huán)境的變化不敏感。

醫(yī)學課件24四、分析流程4校正模型的建立與驗證醫(yī)學課件24圖3校正模型評估曲線

醫(yī)學課件25圖3校正模型評估曲線醫(yī)學課件25四、分析流程5未知樣品的預測未知樣品的分析過程首先是在相同的儀器條件下測量光譜的，并采用與訓練集樣本相同的預處理方法，其次是選擇適當?shù)男ＵＰ?，并對模型的適應度進行檢驗，根據(jù)該模型和未知樣品光譜預測其物化性質(zhì)。醫(yī)學課件26四、分析流程5未知樣品的預測醫(yī)學課件26四、分析流程近紅外光譜化學計量學軟件訓練集樣品組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)近紅外光譜模型未知樣品12對比補充醫(yī)學課件27四、分析流程近紅外光譜化學計量學軟件訓練集樣品組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)五、特點（一）優(yōu)點1.分析對象廣泛

近紅外光譜幾乎可用于所有與含氫基團有關(guān)的樣品物化性質(zhì)分析，不僅能反映絕大多數(shù)有機化合物的組成和結(jié)構(gòu)信息，對某些無近紅外吸收的物質(zhì)(如某些無機離子化合物)，也可通過它對共存的本體物質(zhì)影響引起的光譜變化，間接地反映它存在的信息。所以適合近紅外方法測量的物質(zhì)種類范圍和場合非常廣泛。醫(yī)學課件28五、特點（一）優(yōu)點醫(yī)學課件28五、特點2.樣品預處理簡便或無須處理

由于近紅外光譜分析可以采用透射、散射和漫反射等光學檢測原理，對分析樣品的外觀寬容度大，使得近紅外光譜技術(shù)可以用于直接分析液體、固體、半固體和膠體等不同物態(tài)的樣品。固體樣品可以是任何形狀的，如水果、谷物或固體藥片都可以直接測定，便于檢查各部位或每一顆粒的質(zhì)量。而這些樣品，用常規(guī)的分析方法是很難直接進行分析的。醫(yī)學課件29五、特點2.樣品預處理簡便或無須處理醫(yī)學課件29五、特點3.分析速度快，效率高

近紅外光譜的信息必須由計算機進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析，一般一個樣品取得光譜數(shù)據(jù)后可以立刻得到定性或定量分析結(jié)果，整個過程可以在不到2分鐘內(nèi)完成。而且通過一次光譜的測量和已建立的相應的校正模型，可同時對樣品的多個組成或性質(zhì)進行測定。在工業(yè)分析中，可實現(xiàn)由單項目操作向車間化多指標同時分析的飛躍，這一點對多指標監(jiān)控的生產(chǎn)過程分析非常重要。已有的一些商品模型可以購買，以節(jié)省很多建模的費用及時間。醫(yī)學課件30五、特點3.分析速度快，效率高醫(yī)學課件30五、特點4.便于與光纖相連，實現(xiàn)在線分析傳統(tǒng)的分析技術(shù)一般是離線分析方法，分析耗時較長，無法實現(xiàn)連續(xù)過程的即時分析和在線制。光導纖維的引進使傳統(tǒng)的近紅外光譜技術(shù)擴展到了過程分析及有毒材料或惡劣環(huán)境中樣品的遠程分析，同時也使光譜儀的設計得以更多用，且小型化。醫(yī)學課件31五、特點4.便于與光纖相連，實現(xiàn)在線分析醫(yī)學課件31五、特點5.不破壞樣品，不用試劑，故不污染環(huán)境

近紅外光譜方法可以實現(xiàn)對所有樣品的非破壞性分析和檢測，并能保證產(chǎn)品的質(zhì)量一致和穩(wěn)定。由于近紅外光譜分析中只是取得樣品的光譜信號，有時甚至可以在原容器中進行測定，樣品測定后一般可以送回原生產(chǎn)地或容器，因此測定過程中不消耗其它化學試劑，也不會產(chǎn)生任何污染，所以說近紅外光譜技術(shù)是一種典型的綠色分析技術(shù)，符合當前分析技術(shù)的發(fā)展趨勢。醫(yī)學課件32五、特點5.不破壞樣品，不用試劑，故不污染環(huán)境醫(yī)學課件32五、特點6.分析成本低

近紅外區(qū)的波長短，因而不被玻璃或石英介質(zhì)所吸收。所用的樣品池容器可以用常用的玻璃或石英制成，因此使用方便，儀器價格也較低。同時由于近紅外光譜分析不消耗化學試劑，不破壞待測樣品，以及通過儀器的高度自動化提高分析效率，使得近紅外光譜分析的成本很低，非常適合于實驗室和生產(chǎn)線上大批量樣本的分析。與常用的標準或參考方法相比，測試費用可大幅度降低。醫(yī)學課件33五、特點6.分析成本低醫(yī)學課件33五、特點7.測試重現(xiàn)性好近紅外光譜分析技術(shù)無需預處理，測試結(jié)果很少受人為因素的影響，與某些常規(guī)分析方法相比，近紅外光譜分析技術(shù)一般顯示出更好的重現(xiàn)性。同時，近紅外光譜技術(shù)所建立的模型是一個基于開放性的、可拓展的樣品數(shù)據(jù)庫的模型，其分析準確度將越來越高。醫(yī)學課件34五、特點7.測試重現(xiàn)性好醫(yī)學課件34五、特點8.可以用于樣品的定性，也可以得到精度很高的定量結(jié)果

采用多元校正方法及一組已知的同類樣品所建立的定量模型，可以快速得到相對誤差小于0.5%的測量結(jié)果。定性分析采用模式識別分析方法，先取得一組已知樣品的吸光度分布模型，再測得待定性樣品在不同波長下的吸光度分布，用聚類原理確定樣品是否屬于已有的模型。如果已知樣品有好幾類，則可以從幾種模型中選出最接近的一類以定性。醫(yī)學課件35五、特點8.可以用于樣品的定性，也可以得到精度很高的定量結(jié)果五、特點（二）缺點1.不適合于痕量分析

如果面對的樣品僅有幾毫克或要分析的組分在樣品中的含量僅有1×10-6

，近紅外光譜分析是有困難的，最好去尋求另一種方法。醫(yī)學課件36五、特點（二）缺點醫(yī)學課件36五、特點2.不適合分散性樣品的分析

近紅外分析必須建立在標準分析方法或參考分析方法以及化學計量學基礎上，因而必須依賴于復雜的校正體系，標準測量方法以及大量的訓練樣品。這就要求我們在建立近紅外光譜方法之前，必須投入一定的人力、物力和財力才能得到一個準確的校正模型才行。因此，對于經(jīng)常的質(zhì)量控制是十分經(jīng)濟且快速的，但對于偶然做一二次的分析或分散性樣品不太適用。醫(yī)學課件37五、特點2.不適合分散性樣品的分析醫(yī)學課件37五、特點3.易受到外界因素的影響

近紅外光譜容易受到測量條件(如溫度、儀器)和樣品狀態(tài)等外界因素的影響，引起以系統(tǒng)誤差為主的光譜不確定性。例如影響近紅外吸收峰位置的因素就有很多。如氫鍵的影響，會使吸收峰向長波長方向移動：溫度升高，會使吸收峰向短波長方向移動。另外，很多其它的干擾信息，如散射、漫反射等現(xiàn)象引起的光譜變化都會被加載到樣品近紅外光譜上。這些都使近紅外光譜解析更加復雜化。醫(yī)學課件38五、特點3.易受到外界因素的影響醫(yī)學課件38六、藥物分析中的應用

隨著近紅外光譜技術(shù)及計算機軟件技術(shù)的發(fā)展，近紅外光譜在藥物分析中的應用也日趨廣泛，不論是在定性或定量測定中都顯示出了很大的潛力。不但適用于不同狀態(tài)的藥物：原料藥、片劑、膠囊及液體制劑；不同類型的藥品，如蛋白質(zhì)、中藥、抗生素等；還適用于藥物生產(chǎn)過程各個階段（包括