高效近红外光谱分析技术与展望解析

高效近红外光谱分析技术与展望

高效近红外光谱分析技术与展望

袁洪福1,褚小立1,杜泽涵2

1 石油化工科学研究院

2 军事医学科学院

1.引言

当前我国已经提出从资源消耗和医药的主要成分,水分,结晶,粉末粒径,乙醇,氨基酸,糖分,原料品质,杂质,硬度,分解度的测定以及合成反应,混合过程和塑胶包装的监视.纺织品与人造纤维的水分,含棉及聚酯的比例,共聚物成分,添加剂和染料的测定;造纸的水分,酸值,皂化值和纸品添加剂的测定;还有化学品,天然气,化妆品和油墨的成分及性质的测定.

在生物医学,如血液的血红素携氧量,血糖,尿素,三酸甘油酯,脂肪酸,胆固醇和蛋白的测定;发酵反应中乙醇,葡萄糖,乳糖,氨基酸,生物质,细胞密度,固含量,甘油,氨等的测定;还有在细胞病理,微生物与病毒和临床医学方面的应用.

在商业上,近红外光谱用于大批量货物交易过程中可产生巨大利润,比如全世界每年海上原油贸易量巨大,原油的质量直接与价格相关,采用传统原油评价方法评价一个原油需要近1月时间提供上千详细数据,显然不能满足海上即时贸易要求,仅根据密度等几个指标很难准确判断原油的质量.采用近红外光谱技术可在几分钟内提供详细的原油评价数据,因此,对原油贸易具有重大商业价值;在农产品贸易中也存在着同样的情况,使用在线近红外光谱直接检测粮食交易站内传送带上谷物质量,确实做到按质论价.

特别指出,食品环境安全(如蔬菜,水果,粮食等)已经成为我国社会越来越关注的问题,近红外分析技术可以在进料,加工过程和产品的质量检验与控制,以及流通领域中打假等方面能够发挥其他分析技术难以发挥的作用.

总之,各行各业对近红外分析技术潜在着巨大市场需求,该技术大发展不仅明显地促进我国生产技术水平的提高,而且形成一个前景光明的分析仪器制造产业,预计随着技术和市场的不断完善,5年后国内近红外光谱分析技术的年产值将高达数亿元,而由近红外分析应用给工农业生产带来的间接经济效益更是非常可观的.

2.国内外技术现状与分析

国际上发达国家十分重视该技术研制与开发及其应用,开发出很多种产品,并广泛用于各个领域,取得了可观的经济和社会效益.国际上,自上世纪90年代初,在线近红外光谱在炼油和化工过程中的应用发展得很快,广泛用于油品调合,原油蒸馏,催化裂化,催化重整,润滑油,乙烯裂解,加氢裂化和石油化工等主要工艺.根据近红外光谱实时提供的原料,各馏出口产物及中间产物性质,即时调整和优化操作条件,实现对于生产装置的控制和优化.在农业上广泛用于农产品的质量检验和种植管理;在畜牧领域广泛用于饲料和动物喂养管理;在临床中广泛用于血液和人体代谢的分析与疾病诊断等.总之,该技术已经进入成熟发展期.

国际上许多著名光谱仪器厂家都生产近红外光谱仪器,还有些仪器厂家和专业软件公司提供化学计量学专用软件产品.目前光谱仪器,按照分光原理分为固定波长滤光片型,光栅扫描型,傅立叶变换型,固体阵列检测型和声光过滤型.根据用途又分为便携式,实验室台式,和在线分析仪.根据美国'国际战略方向公司'2004年6月出版的'全球评估报告'(第8版)的统计和预期,国外近红外光谱仪产品的销售情况如表1所示,其应用领域如表2所示,地域分布列于表3,商家的销售份

额则见表4.

表1 近红外光谱产品销售额(美元)

2003 2004 2005 2008

百万百分率百万百分率百万百分率百万百分率

新仪器

Dispersive 72 40 75 40 79 40 94 40

FT-NIR 47 26 50 27 54 27 66 28

Fixed Filter 25 13 24 13 25 12 25 11

另配件 18 10 19 10 20 10 24 10

服务 20 11 21 11 22 11 25 11

总计 182 100 189 100 200 100 234 100

表 2 近红外光谱仪的应用领域分布 ( % )

农业食品制药有机化学聚合物石油独立测试生物技术科学政府其他

38 14 9 7 6 6 6 5 3 6

表3 近红外光谱仪的地域分布 ( % )

北美洲欧洲日本亚太地区拉丁美洲其他地区

35 34 11 9 3 8

表 4 国外近红外光谱仪商家销售额分布 ( % )

Foss Electic Perten 热电 Bran Luebbe PE Bruker JY-Horiba LECO ABB Zeltex Kett 其他

27 12 8 7 7 6 4 3 2 2 2 20

在上世纪90年代左右,农科院和中国农业大学等单位,曾对近红外光谱在测定农产品性质的应用做一些工作.1995年,石油化工科学研究院通过大量调研工作,

认识到近红外光谱在解决石化产品的快速分析问题方面,具有很好的发展潜力.但,当时国内还没有近红外光谱仪器产品和化学计量学软件,进口仪器不仅昂贵,常因为又缺乏相应的技术支持而无法投用,因此,制约了近红外光谱分析技术在我国的普及应用.为此,在著名陆婉珍院士组织和领导下,对近红外光谱分析成套技术开发及其应用开始了深入研究.经过数年艰苦攻关,开发了短波近红外光谱仪系列产品和化学计量学软件产品,形成了具有自主知识产权近红外光谱分析的技术平台.1996年开发出我国第1台CCD阵列检测的短波近红外光谱仪样

机,1997年与专业生产光谱仪的企业INCE仪器公司将该成果成功地转化为商品仪器,即NIR-2000近红外光谱仪,2001年研制和生产出双光路CCD短波近红外

光谱仪,即NIR-3000短波近红外光谱仪,同年还与海军联合生产出专门用于特种燃料(火箭助推剂)的短波近红外分析仪,2002年研制和生产出在线多通道近红

外油品质量分析仪,即在线多通道CCD短波近红外光谱仪,2003年与总后油料研究所合作开发出了便携式油品分析仪,即便携式CCD短波近红外光谱分析仪.同时开发了与之配套化学计量学软件(版本1,版本2,和在线软件版本)产品.目前所开发的在线近红外光谱分析技术已经在汽油调和生产工艺,催化重整生产工艺,丁基橡胶生产工艺,和乙烯蒸汽裂解生产工艺中开始了工业应用.迄今为止,围绕该项目已取得了10项专利技术,1项软件著作版权.研究开发过程中并注重近红外光谱分析知识在国内的普及工作,发表许多研究论文,和1本专著"现代近红外光谱分析技术".

在硬件技术方面,国内在阵列固定光路仪器制造技术上具有一定的技术基础和实