近红外光谱在品质分析和定量分析中的应用
第8卷第3期
2002年9月
分析测试技术与仪器
ANA LY SIS AND TESTI NG TECH NO LOGY AND I NSTRUME NTS
V olume 8Number 3Sep. 2002
综述与专论(136～138)
近红外光谱在品质分析和定量分析中的应用
王海水
33
3
, 汪冬梅, 席时权
(中国科学院长春应用化学研究所, 吉林长春 130022)
摘 要:主要介绍近红外光谱在品质分析和定量分析中的一些应用. 作为一种简单、快速、无损的检测手段, 近红外光谱在鉴定原料的真伪、原料中有效成分的含量、有毒组分的识别等方面具有独特的效果, 因此它在食品、药品、化工产品等领域得到了广泛应用.
关键词:近红外光谱; 品质分析; 定量分析
中图分类号:O657.33 文献标识码:A 文章编号:100623757(2002) 0320136203
近红外光谱主要是由分子内基团振动的倍频吸
收和合频吸收产生的, 由于分子的倍频和合频吸收强度较弱, 因此样品的近红外信号较弱, 这为样品不供了理论依据. 法、, 而上述三种技, 如可以直接测定粉末状、块状、浆糊状固体及液体等. 由于近红外谱带受分子内外环境的影响较小, 因此近红外技术可适用于多种环境条件下的测试分析. 近红外光线可以穿透许多透明材料. 因此, 无需打开玻璃瓶盖, 可以直接对玻璃瓶内的药品进行测量.
近红外分析具有快速、保持原样测量和测量简单的特点, 因此, 近红外光谱技术在农产品、食品、药物和化工产品的定性和定量分析中得到了非常广泛
[1～3]
的应用. 现在近红外光谱已成功地用于快速分析大量样品. 例如, 可以测定农产品中的蛋白质、脂肪、淀粉、水分、灰分等的含量. 近红外谱还可以测定样品的密度、粒度、聚合度、化学反应的转化率和物质的分子量等. 以下介绍近红外光谱在品质分析和定量分析中的一些应用.
, 按照化学计量学, (、) (平面时为球形) , 在这一球, 而在这一球状区域内的点代表的是真产品. 由于疯牛病可以通过食物链传染给人类, 因此对各类食品和饲料的检疫变得十分重要. Murray 等用22种标准鱼食和有意掺杂了牛肉和骨粉饲料(浓度3%,6%,9%) 的45种鱼食作标准建立了区分标准鱼食和掺杂了牛肉和骨粉的鱼食模型, 该模型可以成功地识别鱼食中是否含有牛肉和骨粉掺杂物.
1. 2 产地不同或生产厂家不同的同种产品的鉴定
[4]
同种产品由于生产厂家不同, 其各类组分含量仍有差别, 近红外光谱可以区分这种差别, 对判断原
[5]
料的产地, 防止侵权行为具有重要意义. Iizuka K 等收集了38种产于日本各地的酱油, 依据产地将酱油分为北Π中部日本、西部日本和南部日本酱油. 他们测量了酱油的近红外谱, 并用LDA (Linear Discrimi 2nant Analysis ) 和P LS (Partial Least Squares ) 对酱油进行了分析. 发现近红外技术可以区分酱油的产地, 并认为不同产地的酱油其质量存在差异可能是实现酱油辨别的主要原因. 1. 3 质量检控和质量评估
同一生产厂家不同批次的样品可能发生质量变
1 品质分析
1. 1 不同种类的物品的鉴定即防伪监测
3 国家自然科学基金资助项目(N o. 29633010) .
作者简介:王海水, 男,1963年生, 研究员, 主要从事分子光谱、
纳米和薄膜材料的研究. 33 通讯联系人. 收稿日期: 2002208212; 收到修改稿日期: 2002209203.
第3期 王海水等:近红外光谱在品质分析和定量分析中的应用 137
化, 近红外光谱可以对样品进行现场质量检控, 发现质量问题及时解决. 质量好的产品其抽样测定的近红外谱群代表的空间点分布密集, 而质量差的产品其空间点分布离散. 在苹果汁、葡萄汁、梨汁等的加工过程中, 近红外技术用于连续测量可溶固形物、总固形物和总水分的组成变化, 进而检控加工产品的质量. 水分的含量对烹调加工食品的质量很重要. Wahlby 等成功地用近红外光纤探针实现了在加热过程中测量猪肉中水分的变化, 这对在烹调加热阶段通过测量水分的含量变化来控制烹调过程很有价值.
1. 4 大米的质量评估
[7]
[6]
样品的能量作出了预测, 他们发现预测的准确度符
合美国营养立法规定的标准. 2. 3 用近红外技术测量食品中的有毒成分R odriguez 2Saona 等已经成功地用近红外定量模型预测食物中C M B (castor bean meal , 它含有有毒
[11]
的蛋白质霉素) 的含量.
2. 4 近红外漫反射光谱无损检测血液中血糖含量
由于近红外光线较容易穿透人的体表, 因此无需抽血, 只需将近红外光纤探针与皮肤接触就可以得到人体的血液的光谱信息. 黄岚等已经在这方面进行了探索, 他们利用近红外漫反射光谱无损检测血液中血糖的含量, 为近红外技术在检验医学方面的应用作了有意义的探索. 2. 5 用近红外技术现场监控苯乙烯的聚合反应
) ,Lousberg 等[13]用在反应温度(75～85℃. A ) 在聚合反应中的转化率[14]
[12]
大米的质量除了与其化学组成(淀粉、蛋白质、水分等) 有关外, 还受颜色、透明度、外观纹理、口感
[8]
等影响. Barton 等利用近红外光谱评估大米的质量, 他们发现大米的化学组成和大米的物理性质(颜色、透明度、粉碎程度等) 可以用不同的波长区域建立的模型来进行质量评估.
2 定量分析
行定量分析. , 也不需要任何化学处理, 甚至也不需要物理处理, 通过近红外光谱就可以获得复杂样品中某一种类或某一组分物质的含量. 定量分析常用的化学计量学方法有P LS (Partial Least Squares ) 和PCR (Principal C om ponent Regres 2sion ) . 建立定量模型的样品要具有代表性, 其成分含量范围要能满足实际工作需要. 下面介绍几个应用实例. 2. 1 无损坏原样分析花生仁中的油分
Misra 等用传统的索氏抽提器方法测量了64
[9]
. 实验结果表明,NIR
方法具有准确、适用条件宽的特点.
2. 6 用近红外技术测量药片中活性组分的含量
Dyrby 等人
[15]
研究了四种剂量的含药效活性组
份分别为5mg 、10mg 、15mg 、20mg 的制剂的近红外谱并利用P LS (partial least 2squares regression ) 建立了定量模型, 他们的结果表明, 近红外预测活性组份含量结果的准确程度与通常采用的色谱法相当. 2. 7 利用近红外谱预测纤维板的性能纤维板的机械强度是使用者十分关注的一个物
[16]
理性质. Rials 等研究了中密度纤维板(M DF ) 的近红外光谱, 他们发现用M DF 表面的近红外谱可以有效地预测M DF 的刚性、强度和内键等性能. 2. 8 近红外谱在其它领域的应用
近红外谱还可用于测量原油中的饱和烃馏分、芳香烃馏分、松脂馏分及沥青馏分的含量. 18种原油和冷凝液的近红外分析表明,NIR 结果的可靠性与HP LC 所得结果一致. 近红外谱也用于测量原
[18]
油中的气Π油比率(gas 2oil ratio ) .
[17]
种花生仁的油分含量, 其含油量为403～536g Πkg. 他们用近红外谱结合多重线性回归分析也研究了花
生仁中的油分含量, 其油分含量与传统方法获得的结果相近. 因此他们建议近红外技术可以作为一种非破坏性的方法用来测定花生中油分的含量. 2. 2 食品中的可利用能量的研究
随着经济的发展, 人们的生活条件越来越好. 随着摄取营养的过剩, 肥胖患者越来越多, 因此研究食品中的可利用能量(the utilizable energy ) 对合理饮食有指导意义. K ays 等用NIR 谱研究了127种粉碎谷物的总能量(gross energy ) 和可利用能量并据此数据建立了定量模型. 用该模型对58种独立谷物
[10]
3 小 结
近红外光谱测量操作简单, 整个分析过程可以自动化控制
. 近红外技术在物质的组分含量测定、化学反应控制、生产过程监控、原材料和产品的质量评估等方面都得到了十分广泛的应用. 因此, 在一
分析测试技术与仪器 第8卷1 38
些新领域尝试进行和建立近红外光谱分析方法是十
分有益的. 参考文献:
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The Application of N ear I nfrared Spectroscopy for
Q ualitative and Q uantitative Analysis
W ANG Hai 2shui , W ANG Dong 2mei , XI Shi 2quan
(Changchun Institute of Applied Chemistry , the Chinese Academy of Sciences , Changchun 130022, China ) Abstract :Therecent developments of the application of near in frared spectroscopy (NIR ) in the fields of food , animal meals , drugs and chemical products are reviewed. As a useful tool , NIR can provide the in formation of the utilizable en 2ergy of the food , the toxic content in food , the quality of the food , animal meals and chemical products. K ey Words :NIR;qualitative analysis ;quantitative analysis Classifying number :O657.33