近红外光谱分析技术的研究与应用

杨 琼 项 瑜 杨季冬

(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)

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].

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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