红外光谱的研究与发展

红外光谱的发展与展望

红外光谱一般分为近红外(Near InfraredSpectrum),中红外(Middle Infrared Spectrum)和远红外(Far Infrared Spectrum)三个区域,波长分别为780)3000nm, 3000)25000nm和25)50Lm。众所周知中红外光谱是广泛应用的一种分析手段。近红外光谱几十年来一直没有在理论上和应用受到重视,其主要原因在于该区内的吸收是O)H、N)H、C)H等基团的振动吸收。这些吸收谱带复杂,多为合频吸收,且吸收强度较弱,难以在分析上应用。近年来,随着仪器制造技术的发展,新的光谱理论和光度分析新方法不断建立,特别是化学计量学的深入研究和广泛使用,促进了NIR分析技术的复兴和发展。

1 近红外光谱分析技术

根据NIR光谱的发生机理,使用的NIR分析技术主要有以下几种:

1.透射测定法使用于透明样品的分析,透射光强度与物质量间的吸收关系符合比尔定律。

2.漫透射测定法试样中含有光散射物质(折射率与基体材料不同的小颗粒),光在穿透分析样品时,除了吸收外还有多次的散射,在这个过程中比尔定律不适用。

3.反射测定法近红外光照射到样品表面后,根据样品表面状态和结构的不同,光线可以有规则的反射、漫反射和透反射三种。这种方法常用于粗糟和粉末状样品的测定。目前市场上常见的NIR光谱仪大多属于反射型尤其是漫反射型,有个别的专用的NIR分析仪器是在UV/IR光度计基础上改进的NIR透射型分析仪。NIR 和MIR一样,反映的是分子的振动频谱,其结果直接与分子的内部结构、分子官能团及分子状态有关,从NIR谱中同样可以得到分子的定量定性信息。与MIR不同的是NIR反射谱还可以得到一系列物理性质,如密度、粒子尺寸、纤维直径、大分子聚合度等特殊信息。根据NIR光谱发生的机理可知NIR谱带较弱,这样给长光程试样池特别是粘滞样品、流体试样的在线分析提供了极大的便利。使得分析时不需要对分析样品进行复杂预处理,池长对分析结果影响较小,定量分析的范围大等优点。NIR光谱分析的另一个特点是光源强度较大,探测器的反应灵敏度较高,因而检测信噪比高,尤其在散射效应强时,散射/吸收比高。在反射和散射NIR中,高的信噪比,可以得到良好的线性关系,对分析样品的外观宽容度大,既可以用于清澈的气、液、固样品的测定,又可对粉末状、糊状、丝状和不规则状样品的分析。NIR分析还有价格便宜耐用的透明材料(一般的光学玻璃)作为分析窗口,便于实现快速、实时、在线分析和控制。光纤传感技术的迅速发展,也为NIR分析技术提供了长距离检测传输、遥测、遥控等应用的可能性,特别是在有毒、易爆、放射性及其它难以直接测量的样品或现场更有意义。NIR光谱在使用中也有一定的局限性,主要是结构复杂,谱图重叠多,在进行定性定量分析中必须采用一定的数据处理才能获得准确可靠的分析结果。在定量分析中,导数光谱的应用可明显的消除基线漂移的影响,二阶导数可消除基线倾斜所造成的误差,两个相邻波长的一阶导数之比,可对光谱重叠和光谱干扰进行校正。多元线性回归分析方法是进行多组分分析的常用方法,选择合适的波长点和波长间隔,可用统计分析的方法验证分析结果。偏最小二乘法(partial least-square PLS)则是一种全光谱分析方法,该法充分利用了多个波长下的有用信息,不须刻意的选择波长,并且能滤去原始数据的噪音,提高信噪比可解决一些有交互影响的非线性问

题,很适合在NIR中使用。主成分分析法(principal componentregression PCR)与PLS法一样可以利用较多的光谱仪信息,在NIR光谱分析中得到广泛的应用。它可以从全谱图上抽取主成分和得到定量分析结果。人工神经网络方法(artifical neural net-works ANN)是近几年得到迅速推广的一种算法,在NIR 分析中也显出了优越性,复杂的NIR谱图可以方便的建立起ANN定量分析模型。PLS、PCR、ANN等方法的处理结果都优于简单的线性回归法。

2 近红外光谱在药物分析中的应用

NIR分析技术自上世纪七十年代以来在应用方面也取得了重要进展,农产品析中已把NIR分析技术作为小麦和奶类中蛋白测定的标准方法,NIR分析技术在药物分析中也得到了重视,已有大量文献介绍NIR了分析技术在这些方面的应用。OZAKI YUKIHIRO用30篇文献综述NIR了光谱在生物化学、生物物理和药物分析中的应用,Blanco.M介绍了NIR分析技术制药工业中作为质量控制分析的作用和前景,Morisseau.K.M介绍了NIR在制药行业的应用可能性,指出NIR分析方法以其方便、灵活、快速和节约的特点,在医药行业会得到良好的应用。NIR分析技术在药物分析中得到普偏重视与医药工业的发展有着密切的关系。就国际范围来讲,一个整体的趋势是政府和管理部门对药品生产和销售提出了越来越严格的质量控制标准和要求,生产过程、销售过程甚至在使用过程中的药物分析也越来越严格。寻找合适的分析方法去满足越来越严格的控制要求而又降低费用已成为医药行业一个迫切需要解决的问题,NIR分析方法所具有分析速度快、分析操作简单、所需样品少可以无损原位直接测量液体、固体、粘稠流体等特点,很好的符合医药分析的要求,引起了制药工业的极大兴趣。CIURCZAK.E.W详细的评述了在药物生产过程中NIR的应用范围,从原料分析

的角度来讲,NIR分析方法改变了传统的从车间到实验室,再从实验室到车间这样一个费事的过程,可在极短的时间内对固体和液体进行分析,这种分析是建立在待测样品已有NIR分析专家系统的基础之上。通过采集样品的光谱数据和标光谱数据进行对比判定原料是否达到生产要求;如果与标准一致,则顺利进行生产;若达不到则需要进行调整。整个分析过程实现了时间同步和地点原位、无损的特点。固体混合物中的各个组分的测定在制剂过程中是一个很关键的步骤,采用

传统的分析方法,如色谱分析方法,需要进行取样、溶解、分析、报告结果等几个步骤,既需要花费较多的时间又要求训练有素的科技人员来完成。NIR分析方法可以直接对固体样品在几分钟内完成这种定量定性分析。对于固体样品的分析除了原料外还可以对片剂和胶囊进行无损分析。NIR分析方法还可以测定药物的形状和颗粒大小。SASABE YASUZOU等利用多种方法建立了过程分析体系。NIR分析方法测定固体中的水分是一个常用的方法。药物分析中的水分测定也用到了NIR 分析方法,CIURCZAK.E.W论述了用NIR分析方法测定制剂中的水分和溶剂

的过程,从而得到了最佳干燥时间和失水百分率;Hammon.S设计了制剂专门测定仪,用于测定制剂的含量;龚健等人设计了一个药厂专用的NIR水分测定仪,主要用于制药行业的在线分析。Dreassi.E应用NIR方法测定了制剂过中原料分析,其中包括晶型、状态、密度等。他还测定了抗生素片剂生产过程的含量和水分,都得到了较好的结果;Buback.M详细介绍了NIR分析技术在流体分析中的特色;和在药物分析中的应用;NIR在生产过程中的无损分析已有

成功的应用;NIR分析在制药过程分析中显示了极大的潜力。NIR分析技术在临床药物分析中也得到了较多的应用,Hiramatsu.M等测定了皮肤下的水分分布情况,