红外光谱仪的特点和应用

红外光谱法的特点和应用
一、红外光谱仪的特点
1.红外光谱法的一般特点
特征性强、测定快速、不破坏试样、试样用量少、操作简便、能分析各种状态的试样、分析灵敏度较低、定量分析误差较大
2.对样品的要求
①试样纯度应大于98％，或者符合商业规格
●这样才便于与纯化合物的标准光谱或商业光谱进行对照
●多组份试样应预先用分馏、萃取、重结晶或色谱法进行分离提纯，否则各组份光谱互相重叠，难予解析
②试样不应含水(结晶水或游离水)
水有红外吸收，与羟基峰干扰，而且会侵蚀吸收池的盐窗。

所用试样应当经过干燥处理
③试样浓度和厚度要适当
使最强吸收透光度在5～20%之间
3.定性分析和结构分析
红外光谱具有鲜明的特征性，其谱带的数目、位置、形状和强度都随化合物不同而各不相同。

因此，红外光谱法是定性鉴定和结构分析的有力工具
①已知物的鉴定
将试样的谱图与标准品测得的谱图相对照，或者与文献上的标准谱图(例如《药品红外光谱图集》、Sadtler标准光谱、Sadtler商业光谱等)相对照，即可定性
使用文献上的谱图应当注意：试样的物态、结晶形状、溶剂、测定条件以及所用仪器类型均应与标准谱图相同
②未知物的鉴定
未知物如果不是新化合物，标准光谱己有收载的，可有两种方法来查对标准光谱：
A.利用标准光谱的谱带索引，寻找标准光谱中与试样光谱吸收带相同的谱图
B.进行光谱解析，判断试样可能的结构。

然后由化学分类索引查找标准光谱对照核实解析光谱之前的准备：
●了解试样的来源以估计其可能的范围
●测定试样的物理常数如熔沸点、溶解度、折光率、旋光率等作为定性的旁证
●根据元素分析及分子量的测定，求出分子式
计算化合物的不饱和度Ω，用以估计结构并验证光谱解析结果的合理性解析光谱的程序一般为：
A.从特征区的最强谱带入手，推测未知物可能含有的基团，判断不可能含有的基团
B.用指纹区的谱带验证，找出可能含有基团的相关峰，用一组相关峰来确认一个基团的存在
C.对于简单化合物，确认几个基团之后，便可初步确定分子结构
D.查对标准光谱核实
③新化合物的结构分析
红外光谱主要提供官能团的结构信息，对于复杂化合物，尤其是新化合物，单靠红外光谱不能解决问题，需要与紫外光谱、质谱和核磁共振等分析手段互相配合，进行综合光谱解析，才能确定分子结构。

④鉴定细菌，研究细胞和其它活组织的结构
4.定量分析
红外光谱有许多谱带可供选择，更有利于排除干扰。

●红外光源发光能量较低，红外检测器的灵敏度也很低，ε＜103
●吸收池厚度小、单色器狭缝宽度大，测量误差也较大
对于农药组份、土壤表面水份、田间二氧化碳含量的测定和谷物油料作物及肉类食品中蛋白质、脂肪和水份含量的测定，红外光谱法是较好的分析方法
中国国内红外光谱仪的应用情况
名称应用领域应用特点图片
普及型红外光谱仪傅立
叶变
换红
外光
谱仪
普及型红外光谱仪
在一些科研单位和
高等院校也有一定
的市场，主要用于
物质结构的研究和
分析;在企业中主
要是用于产品质量
的监控。

学校主要
用于学生的教学
等。

分辨率高，波数精确
度高，扫描速度快，
光谱范围广，灵敏度
高，特别适用于红外
光谱的测定，快速测
定，以及与色谱联用
都是其优点。

色散
型双
光束
红外
光谱
仪
研究级红外光谱仪
研究
级付
立叶
红外
光谱
仪
主要在一些科研机
构使用的比较多。

在国内有较大的潜
在市场，主要是在
农业中农产品品质
分析和石油化工中
石油产品生产过程
中质量控制及产品
品质分析中有很大
的市场。

高灵敏度和信噪比，
高稳定性，超强的仪
器扩展能力，高采样
速率
多波
段付
立叶
红外
光谱
仪
二、近红外光谱技术的特点
与传统化学分析方法相比，近红外光谱分析技术有鲜明的技术特点。

1、分析速度快。

扫描速度快，可在数十秒内获得一个样品的全光谱图，通过数学模型既可快速计算出样品的浓度。

2、多种成分同时分析。

一次全光谱扫描，可获得多种成分的光谱信息，通过建立不同的数学模型，就可定量分析样品的多种物质成分。

3、无污染分析。

样品不需特别的预处理，不使用有毒有害试剂。

根据样品的物质状态和透光能力采用透射或漫反射方式测定，可直接测定不经预处理的液态、固态或气态样品。

4、无损伤分析。

测定过程不破坏或消耗样品，不影响外观、内在结构和性质。

5、实时分析和远距离测定。

实时在线分析特别适合工业生产上应用。

利用光导纤维技术远离主机取样，将光谱信号实时传送回主机，直接计算出样品成分的含量。

6、操作简单，分析成本低。

除需要电能外，不需要任何耗材，大大地降低测试费用。

操作上不需要专门技能和特别训练。

近红外光谱分析技术也有其固有的弱点。

该项技术是一种间接的分析技术，它必须依赖常规的化学分析方法，测定出特定背景范围内多个标准样品成分的化学值，利用化学计量学方法建立数学模型，并通过数学模型计算待测样品的成分含量。

数学模型预测的准确性与常规化学分析的准确性、建模样品的代表性、模型使用的合理性有很大关系。

另外，近红外光谱分析的测试灵敏度较低，待测样品的成分含量一般不少于0.1%。

三、红外光谱技术的应用
1、在制糖工业上的应用
国外制糖业应用近红外光谱技术的报道较多，主要是在糖品分析和原料蔗按质论价方面的应用。

Meyer在1987年对近红外光谱法快速测定甘蔗蔗汁品质成分的适合性进行了试验，回归分析结果表明，近红外光谱法测定锤度、转光度和蔗糖的结果与折光仪、糖度计、气相色谱方法测定的结果有高度相关。

澳大利亚Brotherton等人应用近红外光谱技术测定糖厂的原料蔗、原糖、蔗渣的品质成分，由偏小二乘法建立的数学模型对5个品质成分的分析有很好的效果，测定标准误差小于0.2。

南非的Schaffler等人用近红外光谱方法测定混合蔗汁和糖蜜的蔗糖分、果糖、葡萄糖、锤度、转光度、灰分等项目，结果表明除灰分的预测效果差外，其他项目的准确度均可以接受的。

在国内近红外光谱技术在甘蔗品质分析上的应用研究不多，且起步较晚。

黎庆涛等在白砂糖品质分析上作了初步的研究。

曹干等利用傅立叶变换近红外光谱技术建立了甘蔗蔗汁品质定量分析数学模型，取得了很好的效果。

蔗汁蔗糖分、转光度、锤度和还原糖4个主要品质指标数学模型的决定系数分别为99.80%、99.79%、99.91%和98.71%，测定标准差分别为0.143、0.155、0.0821和0.0755，表明测定结果有很高的准确性；分析速度快，扫描一个样品的全光谱仅需要20秒时间。

湛江的个别糖厂在这方面也做了尝试，获得了较好的效果。

在原料蔗按质论价中的应用：近红外光谱分析技术的快速实时和很高的测定准确性，使其可以成为原料蔗品质分析的核心技术。

现行的原料蔗收购体系是按重量和品种计价，是计划经济时代的产物。

该体系无法公正、真实地反映和计量原料蔗的内在商品价值。

原料蔗收购体系的不合理，衍生了一系列生产中长期难以解决的问题，例如蔗农重量轻质，早熟高糖优质品种和高产优质栽培技术难以推广应用、偏施氮肥，不注重病虫害防治等。

无形中造成了科技资源、土地资源和物化资源的巨大浪费。

从市场经济角度看，推行按质论价体系是势在必行，但传统的分析技术无法满足原料蔗收购对品质分析快速、准确的要求。

必须提供一种快速、准确而成熟有效的品质分析技术来支持原料蔗收购方式的改变。

现代近红外技术完全可以胜任这一角色。

国外制糖业在这方面的应用十分成功。

巴西已经将近红外光谱法作为原料蔗收购按质论价的官方方法，欧美等国在制糖业上的应用也很普遍。

目前我国制糖业在按质论价方面的应用还不多，仅有1—2家糖厂作了有益的探索，取得了肯定的结果。

由于对近红外技术的陌生，采用的近红外光谱仪的技术水平仅相当于国外70--80年代的技术水平。

由此而建立的数学模型在稳定性和准确性上可能存在欠缺，数学模型不能传递，而且要经常修正，在使用上带来不便。

建议采用傅立叶型的近红外光谱仪。

该类型仪器代表90年代中期以后的技术水平，在测定准确性、模型稳定性和模型传递方面有其无法比拟的优势，多种附件可扩展更多的用途，而且在分析软件技术的支持上更强，仪器数字化程度更高。

在糖品化学管理中的应用：糖厂在生产过程中各种糖品成品、半成品、物料、副产品等都需要进行品质监控和过程控制，都需要大量的化学分析数据作为管理的基础。

生产管理水平的高低与糖厂的经济效益密切相关的。

糖厂日常化学分析项目繁杂，工作量大，常规化学分析存在耗时费力、程序繁琐等缺点，很难满足生产管理的需要。

糖厂由于测定的样品数量少，数据缺乏代表性、以及分析数据滞后，更无法进行在线分析了。

近红外光谱技术的应用为解决上述问题提供了一条有效的途径。

用常规的化学分析方法进行原料蔗压榨汁的品质监控是很难达到目的。

由于工作量的限制，按一般规程，常规分析方法每1—2小时采一次样，每天最多能分析几十个样。

一个中型糖厂日榨甘蔗5000多吨，仅几十个数据是很难反映当日原料蔗的品质状况的。

因此管理人员很难准确知道某个时段压榨汁的品质情况、有多少糖进入糖厂和应该有多少成品糖产出，也无法根据分析数据判断有何异常情况和应该采取何种措施。

近红外技术的快速实时和在线分析的特点可以很好地解决这个问题。

试验结果表明，扫描一个蔗汁样品仅需要20秒，就可同时得到蔗汁蔗糖分、转光度、锤度和还原糖分4个品质指标的分析数据。

采样的间隔就可以缩短到数分钟采一次样。

也可以应用光导纤维技术进行在线分析，实现连续采样。

如果与微机管理系统相连，就可以很清楚地知道每个时段原料蔗汁的品质情况，从而根据分析数据采取相应的管理措施。

在蔗糖煮炼过程中，糖膏转光度和锤度的测定数据对提高糖品质量和产量有着重要意义。

常规分析方法的工作量大，分析速度慢，常常会因分析数据滞后而影响煮炼效率。

利用近红外光谱技术可快速准确测定出糖膏的转光度和锤度。

对于糖膏这种粘稠状物质采用漫反射或透射测定方式同样获得很好的效果。

配备光导纤维探头等附件就有可能实现糖膏煮炼中品质的过程控制或在线分析。

如何根据煮糖的工艺需要，设定合适的测定方式，是一个实践性很强的问题，但有理由相信，应用近红外技术解决糖膏煮炼过程中的品质监控和在线分析的问题是完全可行的。

2、在酒精生产中的应用
酒精生产是制糖业的重要组成部分。

近红外技术作为一种快速准确的定量分析手段，在酒精生产中有诱人的应用前景。

在桔水的品质成分分析、酒精发酵最佳点的确定、酒精蒸馏时间的控制和酒精成品的品质检测（例如无水酒精的水分含量的检测）等方面都可以应用近红外技术。

有研究表明，利用近红外技术预测
酒精与葡萄糖的相对比例来评估发酵的完全性，确定酒精发酵最佳点，可将酒精产量提高1%。

利用近红外技术检测酒精成品也十分快捷方便。

3、在制药业中的应用
关于近红外光谱技术在制药行业中应用的文献报道很多，显示了近红外光谱技术在制药领域中越来越受到人们的重视。

近红外光谱分析具有的快速实时、操作简单、无损伤测定、不受样品状态影响的特点很符合药物分析的要求。

因此，在制药业中原料药的分析、药物制剂中水分、有效成分的分析、药物生产品质的过程控制等方面近红外光谱技术得到了十分广泛的应用。

原料药的定性分析：近红外光谱分析可用于原料药活性成分的定性分析，通过原料样品光谱与标准样品光谱的比较，快速判断原料的有效成分是否达到生产要求。

在定性鉴别上，利用近红外光谱法直接鉴定原料的真伪和纯度；有研究人员利用近红外光谱技术鉴定贵重中药材的真伪。

可利用近红外光谱法对原料药的物理性质（晶态、粒径、密度等）进行检测。

有文献报道，根据不同药物的物理性质，用近红外反射光谱成功鉴别了扑热息痛、布洛芬等几种原料药。

药物有效成分的定量分析：在药物有效成分分析中，近红外光谱技术有传统分析方法无法比拟的优点。

近红外光谱技术在物质的定量分析上，不一定需要用溶剂从样品中提取待测成分再进行测定，可根据药物制剂的状态（水剂、片剂、粉剂等）来决定采取何种测定方式。

例如，液状样品可采用透射测定方式，粉状和固体可考虑用漫反射或积分球漫反射测定方式，方法十分灵活。

获得测定光谱后再通过预先建立的定量分析数学模型获得分析结果。

在这方面成功应用的例子很多。

Sherken最早应用近红外光谱法测定甲丙氨脂溶液的含量。

Allen用近红外光谱法测定片剂中的卡立普多、非那西丁和咖啡因。

Chasseur用近红外法测定西米替西丁颗粒的含量。

Corti用近红外法测定了胶质和粉状基质中的酮替芬的含量。

近红外光谱法在药制剂水分含量测定中的应用也十分广泛，成功应用的例子也很多。

由于水分子在近红外光谱区有特征性很强的倍频和合频吸收，而其它分子的吸收较弱，利用近红外技术可以很方便地测定出药物中水分含量。

制药过程的品质控制：过程控制分析是药物分析的一个重要研究内容。

利用近红外光谱技术的特点，在制药过程中可以实现药物制剂的无损分析、生产过程的实时分析和在线分析，从而达到控制药物制剂品质的目的。

Sekulic在10%苯甲酸、39%微晶纤维素、50%乳糖和1%滑石粉的混合过程控制中，利用近红外技术在线监控粉末混合的的均匀性，证实近红外光谱技术对药物混合均匀性的实时无损伤分析是有效和可行的。

Dreassi等在抗生素片剂生产过程控制中利用近红外光谱分析对抗菌素头孢呋肟脂片剂的生产进行全程监测，分别用多元线性回
归和偏最小二乘法建立预测数学模型，对头孢呋肟脂和水分含量进行定量分析，取得了满意的结果。

另外，有人利用近红外光谱技术研究片剂包衣厚度和与药物成分溶出度的关系，试图在片剂包衣过程监控中应用，从而更好地控制包衣制剂的质量。

一种新型的包衣工艺为控制药物成分的释放，需在缓释药物片心外包上一层含有快速释放药物的包衣，这需要一种能对外层包衣的药物成分进行快速和无损伤的定量分析方法，来监控这种高精度的包衣过程。

研究人员采用了近红外光谱法，获得了良好的结果。

表明近红外光谱技术能更加快速有效地对新包衣工艺进行质量评价。

4、在食品安全领域的应用
目前，近红外光谱分析技术由于其以上优点，在解决食品安全领域的难题方面做出了突出的贡献，越来越受到社会的肯定和重视，该技术相继被应用到食品真伪以及掺假鉴别、食品种类鉴别、食品产地追溯、农药残留检测、污染物鉴别以及视频质量评估与分级等方面。

（1）食品真伪、掺假鉴别
食品真伪、成分掺假问题用一般的化学方法分析费时费力，近红外光谱定性分析技术无需复杂的前处理即可通过对光谱信息的分析提取出物质的特征信息，实现食品品质的快速鉴别。

例如真假奶粉定性判别、转基因食品与亲本定性判别、碧螺春茶真伪鉴别、酒精类饮品中外来乙醇、水分以及甲醇鉴别、纯牛奶中还原奶的鉴别、原料奶新鲜度和原料奶中掺假物质鉴别、水果中褐腐病的判别、食用油中脂肪酸、过氧化值、碘值等与油品质量有关指标的定量监控以及食用油真伪鉴别、牛肉汉堡包掺假以及酱油真伪等都可通过近红外定性分析技术实现。

（2）鉴别食品种类
不同食品品种间口感、品质等差别较大，为提高食品品质，品种鉴别愈显重要。

近红外光谱分析学者已经应用近外光谱分析技术建立龙井、碧螺春、祁红以及铁观音四类茶叶的SIMCA模型，另外应用近红外光谱分析技术区分不同种类鱼油、不同品种小麦以及不同品种酸奶、不同品种咖啡、不同品种婴幼儿奶粉、西洋参与人参定性判别等也取得了较理想的结果。

（3）追溯原料产地
对原料产地进行追溯，一旦出现食品安全问题，可快速溯源，采取及时有效措施控制食品安全事故的扩散。

目前已经有研究将近红外光谱分析技术应用于不同产地的欧洲鲈鱼以及四个不同国家生产的雷司令葡萄酒的区分中。

（4）检测有机农药残留
目前应用近红外光谱分析技术对食品中农药残留进行分析例子不多，但是近红外光谱分析技术由于优点突出已渐渐开始受到关注，有学者采用近红外光谱倍频
区的特征信息结合差谱及导数处理，实现对叶菜中是否受有机磷农药残留污染进行鉴定，结果与GC-MS 97.5%吻合。

但是，食品中农药残留数量级都在ppm级，理论上超出近红外最低检测限，因此在实际检测应用中可以尝试将待检测样品进行适当预处理（如农残富集等）后进行光谱采集、模型建立。

（5）食品质量评估与分级
近红外光谱分析技术不仅可以作为常规方法用于食品的品质分析，而且可以用于食品加工中的过程控制。

对食品采取实时品质监控可以有效保证食品质量安全。

目前已有学者将该技术应用于监控肉品加工过程中水分的变化情况、黄酒品质分析与酒龄判别等方面。

四. 傅立叶变换红外光谱仪的应用和特点
傅立叶变换红外光谱仪应用研究的内容是多方面的，不仅能进行定性和定量分析，而且是鉴定化合物和测定分子结构最有用的方法之一，广泛应用于农业、食品和饲料工业、环境、烟草、化学、高聚物、药品、纺织、石油化学、生物医学、生物科学、化妆品等领域。

食品、农业和生物学领域分析的对象主要是天然复杂有机物的结构和组成。

这些复杂样品的分析可以先经过分离、提纯或浓缩后再应用红外光谱研究其结构和组成。

这种方法不但样品制备困难，而且分析的结果不是在原有活体状态下的结构和组成，因此现代的研究集中在不经过化学处理，甚至在活体条件下进行无损分析。

不经过化学处理直接分析食品、农产品与生物样品的困难在于：农业和生物样品往往有成百上千种成分，而且处于特定的生物结构内。

分析是在复杂的背景上进行的，此外分析的对象（某种成分）往往含量很低，因此这种分析属于多元信息处理和弱信号处理，难度很大。

傅立叶变换红外光谱对这类研究有极其重要的价值。

在农业、食品和生物学研究中的应用主要有：农业科研和生产方面有关肥料、农药、除莠剂、生长激素、农业生态环境以及设施农业（温室、大棚、保护地）；谷物、饲料中蛋白质、脂肪、氨基酸、淀粉、纤维素、灰分等分析；细菌分类、鉴定等微生物分析。

红外光谱根据不同的波数范围分为三个区：近红外区 13,330—400O 厘米-1；中红外区4000—650 厘米-1；远红外区 650—10 厘米-1。

中红外区是红外光谱中应用最早和最广的一个区。

该区吸收峰数据的收集、整理和归纳已经臻于相当完善的地步．由于4000—l000 厘米-1区内的吸收峰为化合物中各个键的伸缩和弯曲振动，故为双原子构成的官能团的特征吸收。

1400 一650 厘米-1区的吸收蜂大多是整个分子中多个原子间键的复杂振动，可以得到官能团周围环境的信息，用于化合物的鉴定。

中红外光谱广泛用于有机化合物的定性鉴定和结构分析。

中红外光谱法的特点是：（1）适用的样品范围最广，气体、液体、固体、悬浊体、弹性体等样品，无论是纯样品或混合样品，有机物或无机物，皆可进行红外测定，并给出相应的结构信息，其他的谱学方法，对样品的形态、种类等有较大的局限性。

(2)提供结构成分的信息很丰富。

由于所有的有机化合物红外光谱图皆有较多的吸收峰，在一张谱图上可同时提供出峰的位置、形状、强度等一组信息，享有“有机化合物的指纹谱”之称。

(3)与其他结构分析仪器相比，如质谱、核磁等，它的仪器价格便宜，使用维护方便。

近红外光谱分析技术（Near Infrared Reflectance Spectroscopy，简称NIRS）是近30年来发展起来的一种新的成分分析技术。

最早用于谷物中水分、蛋白质的测定。

20世纪80年代中后期，随着计算机技术的发展和化学计量学研究的深入，加之近红外光谱仪器制造技术的日趋完善，促进了近红外光谱分析技术的极大发展。

由于现代NIRS分析技术所独具的特点，NIRS已成为近年来发展最快的快速分析测试技术，被广泛应用于各个领域，特别是欧美及日本等发达国家，已将许多近红外光谱法作为标准方法。

应用由农业逐步扩展到石油化工、医药、生物化学、烟草、纺织品等领域。

近红外现已发展成为一种独立的分析技术活跃在光谱分析领域。

发达国家已经将近红外做为质量控制、品质分析和在线分析的主要手段，部分方法已经成为USP、EP、PASG、EMEA、AOAC、AACC、ICC的标准。

近红外光谱分析的应用领域：近红外光谱主要是反映与C-H、O-H、N-H、S-H 等基团有关的样品结构、组成、性质的信息，因此分析范围几乎可覆盖所有的有机化合物和混合物。

主要的应用领域包括：农业、烟草、食品、饮料、制药、有机化工、精细化工、生命科学、医学临床、纺织、造纸、化妆品、地理地质、石油及石油化工、质量监督、环境保护等领域。

在农业领域可以测定谷物的蛋白质、氨基酸、醣、脂肪、纤维、水分等内部组份含量与硬度等性质；在医药领域可以测定药品中的有效成分、组成和含量；亦可进行样品的种类鉴别，如酒类和香水的真假辨别，环保废弃物的分检等。