近红外光谱技术在化学分析方面的应用分析

2021-04-11罗珏祝媛媛

当代化工研究 2021年2期

＊罗珏祝媛媛

（湖北大学知行学院生物与化学工程学院湖北 430000）

作为一种间接分析的方式，近红外光谱分析方法是化学计量、光谱衡量学、基础测量学等多种技术的有机合成，其能够对样品进行高效、快速的定量或者定性分析。对比传统的分析技术，目前近红外光谱技术可以通过近红外光谱对样品进行简单测量，只需要花费短短的几秒至几分钟，就可以对几种乃至几十种的样品性质数据进行测量，而是测量所用的样品数量较小，不会对其造成破坏，而且没有污染性，具有绿色、环保、高效等优势。所以，在石油化工、医药、农业等等多个领域之中，近红外光谱分析技术具有广泛的应用。

1.现代近红外光谱技术

(1)近红外光谱技术发展历程

最早使用近红外光谱技术开始于1939年，在随后的二十年内，由于基础仪器缺乏，应用的范围非常有限，直到二十世纪六十年代，美国研究人员提出NIR分析技术，也就是通过近红外区内的波长和物质含量之间吸收存在相应的关系，利用该技术对农副产品中的蛋白质、脂肪、水分等进行测定，成为实际意义上的应用这种技术。从二十世纪八十年代以来，随着计算机技术的不断提升，极大地促进了数字化分析仪器的程度，很好的发展了化学计量科学，再加上这种测量技术对相应的样品不造成损伤的优越性，让其广泛的应用于多个方面，尤其是二十世纪的最后十年，由于在光纤中近红外线的传输特性非常显著，因此在各个领域之中在线分析成功应用。

(2)近红外光谱分析技术特点

这种分析技术主要是以下几个方面的特点：

其一，是具有较快的测试速度，让测试周期进一步缩短。由于一般情况下在一分钟内可以完成光谱的测量，甚至有的多通道仪器可以在一秒钟内完成这些情况，通过校正模型的建立，能够对样品的性质、组成等迅速的测定。

其二，具有较高的分析效率，只需要进行一次光谱测量就可以把相应的校正模型予以建立，可以多一个样品的性质、组成等进行测定。

其三，具有较低的分析成本。在分析过程中，近红外光谱事实上并不消耗样品，自身除了消耗一定的电能外并不需要消耗其他内容，对比常用的参考方式和相应的标准来讲，可以大幅度降低测试的费用。具有优越的测试重现性，由于光谱测量具有较强的稳定性，人为因素并不会对测试结果造成影响，比较相似参考和标准方法，这种测试方式的重现性效果更好。

其四，一般情况下并不需要预处理测量的样品，这种测量方式更为方便，可以借助相应的测试设备对固态、液态、半固态等不同状态的样品进行直接测量。

其五，分析能够实时在线进行，因为在光纤之中近红外光谱的传输性能非常优越，在光纤的作用下可以实现远距离的对样品进行采集，以光谱信号的形式把测量的结果向仪器传输，通过校正后的计算模型可以把测试样品的性质、组成等结果予以显示。

其六，该技术是典型的无损分析技术，在测量过程中这种测量方式不对样品予以消耗，对样品不管是外观还是内部都不会影响到样品，正是由于这种特性，在医药领域、活体分析等越来越多的应用这种技术。

(3)近红外光谱存在的不足

其一，近红外光区一般在宽峰或者重叠峰下面藏有振动谱，这也就导致近红外光谱和中红外光谱具有截然不同的信息特征。要想对近红外光谱的归属加以精确非常的困难，因为每一个近红外光谱带可能是多个不同的组合。其二，对近红外普带位置造成影响的因素非常多，比如温度、溶液稀释、氢键等，这些都会移动普带。其三，作为一种间接测量技术，近红外快速检测技术的准确度主要对标准方法提供的数据和相应的数据模型具有较强的依赖性。而数学模型、标准方法数据测定等准确性表示算法是否合理，这对这种技术的精确度有直接的影响。

2.我国近红外光谱技术研究状况

国内从二十世纪八十年代开始研究近红外光谱技术，首选是在分析农产品品质上应用的。当时我国曾经在国家层面把研究近红外定标软件列入国家攻关计划之中，对几十家研究所进行组织，研究农产品、饲料等上百个项目的定标工作，之后还对滤光片式NIR分析仪进行研究，这些工作为接下来国家研究NIR奠定雄厚的基础。但是由于受限于软件技术、硬件技术水平，并没有广泛的应用建成的相关模型，也没有很好的对其进行应用和推广，因此停滞了NIR的研究，闲置了很多和此相关的相应仪器，浪费很大。直到二十世纪最后的五年时间，北京蔬菜研究中心在分析蔬菜、水果品质上开展很多工作，对几十个数学模型加以研究，在培育西红柿、大白菜等新品种上扮演了重要的角色。

相关人员在近红外光谱的帮助下，对蚕茧性别进行判断。最近几年，中国石油化工科学院在监控炼油过程中的多个指标上应用NIR技术，在充分利用现有NIR光谱仪的基础上，还提出使用固定光路等仪器进行检测的技术措施，并把样机研制出来形成自身也有的专利技术。事实上国家对研究和应用NIR技术非常重视。

从整体上来看，虽然国内在研究NIR技术领域某些方面已经处于国际先进水平，但是和国际水平相比，总体情况还有一定的不足。因此需要在全国范围内强化合作协同，构建研究NIR研发中心，把具有雄厚经验的学者专家集中起来，对现有的样品资源、资金等充分的运用，一方面，对数据库模型进行充实和完善，另一方面，对现场便携式使用的近红外光谱仪器加以开发运用，通过现代化完善的网络技术为基础，构架更多的共享终端，借此使用更多的数学模型，对终端样品信息予以深入的丰富，对现有的模型不断完善和修正，这样才能真正的提升NIR技术，应用近红外光谱技术，确保其在各个领域之中广泛的应用。

3.近红外光谱技术在化学分析方面的应用

对比传统化学分析技术，这种分析技术具有较快的分析技术，能够实现瞬时分析，具有优质的分析效果，能够全面提升分析的质量，因此在各行各业化学分析方面广泛的应用。

(1)在石油化工方面近红外光谱分析技术的应用

不管是炼制石油还是加工使用等多个环节，近红外光谱的应用非常广泛，对石油化工行业来讲具有较强的促进性，比如通过这种技术可以对石油中各种物品进行相关参数的测量。在处理样品上，近红外光谱也具有较强的优越性，其广泛应用于合成高分析和其加工过程之中，比如借助这种技术对单体的纯度进行测量、分析单体在聚合物中残留的量等。同时，在聚合物工业中，近红外光谱的应用范围主要在以下几个方面：其一，检测聚合过程；其二，测定聚合物化学组成；其三，测定聚合物的结构；其四，测定聚合物的相关指标；其五，判断分析聚合物的种类。

(2)在药物分析方面近红外光谱分析技术的应用

随着各项技术的不断发展和进步，近红外光谱光纤技术有很大的提升，和有效的化学计量学相配合，在制药工业的多个领域之中近红外光谱技术有较强的渗透性。最近几年，在中药领域已经开始引入近红外光谱技术，比如在辨别中药真伪、分析产地、测定中药成分等有很大的进展和提升。由于这种分析技术无损的特性，因此通过其检测不仅可以把药物的质量予以保留，还能够自动化控制生产药物过程中的质量，确保药物产业获得快速发展和进步。

事实上早在二十世纪六十年代后半叶在分析药物过程中就开始使用近红外光谱技术，当时一般通过萃取液的形式测定药物的成分。目前，在生产药物全过程中近红外光谱技术已经全过程应用。在医药分析时应用近红外光谱技术主要有以下几个方面：分析药物中的活性成分，比如分析咖啡因等含量。使用这种技术分析药物活性成分也有一定的不足，主要是分析过程需要有一定的最低含量要求，一般情况下测量最低限度为0.11%。通过这种分析技术的应用，提升了药物分析的质量和效果，让这种技术不再仅仅在实验室中应用，而是广泛的参与到生产实践之中。对成品药物质量检验来讲，成品药物的无损形态计量分析，对检验成品药物的质量非常的重要，由于具有非常容易实现的现场分析技术，从而尽可能降低不合格药物的批次和数量。