近红外光谱法
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24
2.用标准方法测定样品
对一个模型，有必要选用一个为大家所接 受的、权威的参考方法，对样品的组成或 性质进行分析，并用测量结果和对应的光 谱建立模型。 在验证模型时，使用模型预测验证集样品， 将预测值和已知值比较，来验证模型预测 的准确性。
25
3.测量光谱数据
透射光谱法：适用于透明样品的分析，定 量关系符合比尔定律。 漫透射光谱法：适用于能对光产生散射效 应的样品的分析，比尔定律不适用。（如 乳液体系） 漫反射光谱法：几乎适用于各类样品的分 析，如不透明、固体、半固体样品的分析。
分段波长的组合，也可以是连续全光谱，或区 域光谱波长。
32
近红外光谱法测定复方丹参滴丸中的3 种有效成分
建模主成分数的选择
在建模过程中，采用不同的主成分数，模型的预 测能力也会有较大的差异。 因此合理确定参加建模的主成分数是充分利用光 谱信息和滤除噪音的有效方法之一。 预测残差平方和法（PRESS）：使用一定数目 的主成分建立模型，然后用这个模型对参加建模 的每个样品进行预测，计算PRESS值。PRESS 越小，说明模型的预测能力越好。使用PRESS 对主成分数作图，确定最佳主成分数。
合频近红外谱带位于2000~2500nm处，一级 倍频位于1400~1800nm处，二级倍频位于 900~1200nm处，三级和四级或更高级倍频 则位于780~900nm处。
11
12
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
13
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
14
分子振动从基态向高能级跃迁时产生的；记录 的主要是含氢基团 C－H、O－H、N－H、S －H的倍频和合频吸收。 不同基团或同一基团在不同化学环境中的近红 外吸收波长与强度都有明显差别。 具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳 氢有机物质的组成性质测量。
30
多元散射校正MSC
主要是消除颗粒分布不均匀及颗粒大小产生的散 射影响
经过散射校正后的光谱有效地消除了原始光谱由 于颗粒度及装样误差所导致的基线平移和非线性 影响
31
人参总皂甙近红外光谱及定标建模分析
5.波长选择
建模波段过宽，必然包含大量冗余信息，波段 选择有利于简化模型，提高模型预测精度。 由于各成分分子结构存在差异，使得各自对应 的最优建模波段并不相同。
18
近红外漫反射光谱不具备光谱吸光度的加和性。 近红外漫反射光谱不能像经典多组分分析那样通 过光谱吸光度的加和性建立并解联立方程组，解 得各组分的浓度）来实现多组分分析。
19
三、 近红外漫光谱分析中常用的计算方法
对特定的样品体系，近红外光谱特征峰的分析需要 通过对光谱的处理减少以至消除各方面因素对光谱 信息的干扰，再从差别甚微的光谱信息中提取样品 的定性或定量信息。
28
现代近红外光谱分析的信息处理技术
导数光谱
导数光谱可有效地消除基线和其它背景的 干扰，分辨重叠峰，提高分辨率和灵敏度。
但它同时会引入噪声，降低信噪比。
29
平滑算法
常用的信号平滑方法有移动平均平滑法和 Savitzky-Golay 卷积平滑法。
平滑处理涉及处理窗口的大小，较大的平 滑点数可以使信噪比提高，但同时也会导 致信号的失真。
22
四、近红外分光光度分析方法
样品集选择 用标准方法测定样品 测量光谱数据 光谱预处理 波长选择 建模 模型验证
23
1.样品集选择
首先搜集一批样品，再精选代表性样品，并 将样品集分为校正集和验证集。 用来建立模型的校正集样品应涵盖以后要分 析样品的范围。
校正集中应包含除待测成分以外所有的背景 信息；使校正产生的数学模型能将这些背景 加以扣除。
NIR技术的 基本构成
近红外光谱仪
化学计量学软件
20
模型
近红外光谱分析常用的计算方法为多元校正方法 主要包括：
多元线性回归（Multivarate Linear Regression， MLR） 主成分分析（Principle Component Analysis， PCA） 主成分回归（Principle Component Regression， PCR） 偏最小二乘法（Partial Least Squire，PLS） 人工神经网络（Artificial Neutral Networks， ANN）方法等。
33
6.建模
建立样品光谱与质量参数之间的对应 关系（称为校正模型）。
定性（分类） 定量（回归）
34
建立定性模型的方法
有监督的模式识别：PCA
无监督的模式识别：LDA、SIMCA、 ANN、SVM
35
定性模型的应用：
鉴别和定性 原料药的鉴别、 赋形剂和活性成分的控 制 、中间体的质量控制、图谱库的优化和 建立 多晶形（Polymorphism） 其他 :产地、假药鉴别、指纹图谱、药物 混合均匀度的监控、生物技术产品 度
40
定量模型的应用
物理参数：硬度、粒度、溶解度 多晶形测定 水分测定 含量测定 冻干粉 生物技术 其他：药物包装的厚度
41
优点：
（1）快速，通常30秒内就可给出分析结果，可 进行在线分析； （2）制样简单； （3）信息量大，可同时测定多组分； （4）经定标建模后，无须用其他常规化学分析 手段，不使用有毒有机 试剂，无污染； （5）非破坏性分析，可实现产品的无损质量检 测； （6）可使用光纤，从而可实现远程分析检测。
1
通过测定被测物质在近红外谱区的特征光谱并利用适 宜的化学计量学方法提取相关信息后，对被测物质进 行定性、定量分析的一种分析技术。 近红外分光光度法具有快速、准确、对样品无破坏的 检测特性，可广泛应用于药品的理化分析、包括“离 线”供试品的检测和直接对“在线”样品进行检测
国外药典收载情况：USP、BP、EP
38
拓扑学方法和ANN方法等常用于非线性关系的 关联。 ANN和PLS方法结合使用，可改善数据关联的 能力。
39
建立定量模型的方法
MLR只要知道混合物中某些组分的浓度或性质，就 可以建立复杂体系的校正模型。但是仅适用几个波 长下的光谱数据，常常会丢失许多光谱信息。 PLSR该法是一种全光谱分析方法，并能滤去原始数 据噪音，提高信噪比， 解决交互影响的非线性问题。 PCR不需要知道校正样品中的所有组分浓度，就可 以建立被测组分的校正模型，某些主成分与组分浓 度无任何关系 ANN其抗干扰、抗噪音及强大的非线性转换能力， 对于某些特殊情况，ANN会得到更小的校正误差和 预测误差。
16
1 K K 2 K A log( ' ) log{ 1 （ ） （ ）2 } [ 2 ] S S S R
1
K A a b S
漫反射吸光度A和K/S的关系
当样品浓度不高时， 吸收系数 K 与样品浓度 C 成正比， 当散射系数 S 不变时， 漫反射吸光度 A 与 样品浓度的关系可表示为：
6
⑵ 固体、半固体 发生镜面反射、漫反射、吸收、透射、折射、 散射等作用方式
近红外光与固体样品作用示意图 7 1—镜面反射；2—漫反射；3—吸收；4—透射；5—折射；6—散射
样品对光漫反射示意图
S—镜面反射；D—漫反射
8
4、近红外光谱常规分析方法
a：透射式 b：漫反射式 c：漫透射式 1：光源 2：单色器 3：样品 4：检测器 透射分析和漫透射分析测定光源与检测器处在样品的两侧； 漫反射分析测定光源与检测器处在样品的两侧
36
7.模型验证
对建立的校正模型必须通过验证集样本的测量， 来 评价模型的好坏。 校正集预测误差均方根RMSEC：用于衡量校正集样 品预测结果的准确性。 验证集预测误差均方根RMSEP：用于衡量验证集样 品预测结果的准确性。
相关系数R2：表示样品预测值与理论值的相关程度。
37
近红外光谱定量分析的流程与步骤
近红外分光光度法（NIR）技术简介
一、概述 近红外光区（near infrared，NIR）是指波长在 780～2526nm的电磁波，是人们最早发现的非可 见光区域，距今已有近200多年的历史。 进入80年代后期，近红外光谱分析技术迅速得到推 广，成为一门独立的分析技术，有关近红外光谱的 研究及应用文献几乎呈指数增长，在药学领域也已 有大量文献介绍近红外光谱分析技术的应用。
42
缺点：
（1）建立模型需要大量有代表性且化学值已知 的样品； （2）模型需要不断的维护改进 ； （3）近红外测定精度与参比分析精度直接相关， 在参比方法精度不够的情况下，无法得到满意结 果。
1、波长范围
约在780~ 2500nm （波数约为12800~4000cm-1）
4
2、分子的不同振动形式
对称伸缩振动---非对称伸缩振动---摇摆振动---摇摆振动---弯曲振动---剪切振动
5
3、近红外光与物质的作用形式
⑴ 真溶液、乳浊液
近红外光照射到透明真溶液上，光在试样中透射时发生吸 收，分析光在样品中经过的路程（光程）一定，透射光的 强度与样品中组分浓度的关系符合Beer定律，用于测定时 称为透射分析测定法； 近红外光照射到乳浊液上，因为样品是浑浊的，样品中含 有对光产生散射的颗粒，光在试样中透射时，除发生吸收 外还会发生多次散射，光在样品中经过的路程不确定，透 射光的强度与样品浓度间的关系不符合Beer定律，用于测 定时称为漫透射分析测定法（也可用于固体、半固体分 析）。
15ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6、近红外光谱定量分析依据
对于透明真溶液，近红外透射光谱符合朗伯-比尔定律。 漫反射分析定量公式
R 1 K / S （K / S） （K / S） 2
' 2
'
1 2
式中： R 为漫反射体的绝对漫反射率，反映出射光与入射光的比率，是 K/S 的函 数，即依赖于 S 与 K 的比值； K 为漫反射体吸收系数，取决于漫反射体的化学组成； S 为散射系数，取决于漫反射体的物理特性。
26
NIR光谱仪
光源：溴钨灯、发光二极管 分光系统：滤光片、光栅、干涉仪、声光可调滤 光器 载样器件： 液体样品：石英或玻璃样品池 固体样品：积分球或特定的漫反射载样器件 光纤：定位或在线分析中 检测器 数据处理分析系统
27
4.光谱预处理
吸收强度较弱 信噪比低 样品状态、测量条件等造成的光谱不确定性 背景复杂、谱峰重叠
A abC
'
17
使用反射吸光度时的光谱加和性
对于含n种组分的混合样品，由于各组分分子对 光的吸收和散射是相互独立的，因此可得吸光系 数的加和性，即任一波长λ处混合物样品总的吸 光系数Kmix等于各组分吸光系数之和。
K mix K 1 K 2 K n 1C1 2 C 2 n C n
21
MIR、PCR和PLS属线性回归方法，主要用于样品的质量 参数为线性关系的关联。 MLR方法计算简单，物理意义明确，易于理解，但对参加 关联的变量（如波长通道）数目有限制。由于仅使用几个 波长下的光谱数据，这样常常会丢失许多光谱信息。建立 MLR模型要求训练集样品的个数多于变量数目，即使这 样，它仍对许多质量参数均获得较好的结果。 MLR方法计算简单，物理意义明确，易于理解，但对参加 关联的变量（如波长通道）数目有限制。由于仅使用几个 波长下的光谱数据，这样常常会丢失许多光谱信息。建立 MLR模型要求训练集样品的个数多于变量数目，即使这 样，它仍对许多质量参数均获得较好的结果。
9
NIR 各种物态样品最佳适应模式
吸收区 合频吸收 液体 透射 700—2500nm st 1 —4th 倍频吸收 合频吸收 固体 反射 1100—2500nm st 1 —2nd 倍频吸收 悬浮液 透射或反射 700—1100nm 3rd—4th 倍频吸收 样品 检测法 波长
10
5、有机化合物的近红外光谱谱带归属 含氢基团，包括：C-H（甲基、亚甲基、甲氧基、 芳基等），羟基O-H(羧基等)，巯基S-H，氨基 N-H（伯胺、仲胺、叔胺和铵盐等）等。
中国药典2005版首次收载
附录XIXK 近红外分光光度法指导原则
2
NIR的特点
分析速度快，分析效率高 适用的样品范围广（液体、固体、半固体和 胶状体） 样品一般不需要预处理，分析成本较低 测试重现性好 不破坏样品，应用在活体分析和医药临床领 域 不适合痕量分析以及分散性样品的分析
3
二、基本原理
2.用标准方法测定样品
对一个模型，有必要选用一个为大家所接 受的、权威的参考方法，对样品的组成或 性质进行分析，并用测量结果和对应的光 谱建立模型。 在验证模型时，使用模型预测验证集样品， 将预测值和已知值比较，来验证模型预测 的准确性。
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3.测量光谱数据
透射光谱法：适用于透明样品的分析，定 量关系符合比尔定律。 漫透射光谱法：适用于能对光产生散射效 应的样品的分析，比尔定律不适用。（如 乳液体系） 漫反射光谱法：几乎适用于各类样品的分 析，如不透明、固体、半固体样品的分析。
分段波长的组合，也可以是连续全光谱，或区 域光谱波长。
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近红外光谱法测定复方丹参滴丸中的3 种有效成分
建模主成分数的选择
在建模过程中，采用不同的主成分数，模型的预 测能力也会有较大的差异。 因此合理确定参加建模的主成分数是充分利用光 谱信息和滤除噪音的有效方法之一。 预测残差平方和法（PRESS）：使用一定数目 的主成分建立模型，然后用这个模型对参加建模 的每个样品进行预测，计算PRESS值。PRESS 越小，说明模型的预测能力越好。使用PRESS 对主成分数作图，确定最佳主成分数。
合频近红外谱带位于2000~2500nm处，一级 倍频位于1400~1800nm处，二级倍频位于 900~1200nm处，三级和四级或更高级倍频 则位于780~900nm处。
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不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
13
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
14
分子振动从基态向高能级跃迁时产生的；记录 的主要是含氢基团 C－H、O－H、N－H、S －H的倍频和合频吸收。 不同基团或同一基团在不同化学环境中的近红 外吸收波长与强度都有明显差别。 具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳 氢有机物质的组成性质测量。
30
多元散射校正MSC
主要是消除颗粒分布不均匀及颗粒大小产生的散 射影响
经过散射校正后的光谱有效地消除了原始光谱由 于颗粒度及装样误差所导致的基线平移和非线性 影响
31
人参总皂甙近红外光谱及定标建模分析
5.波长选择
建模波段过宽，必然包含大量冗余信息，波段 选择有利于简化模型，提高模型预测精度。 由于各成分分子结构存在差异，使得各自对应 的最优建模波段并不相同。
18
近红外漫反射光谱不具备光谱吸光度的加和性。 近红外漫反射光谱不能像经典多组分分析那样通 过光谱吸光度的加和性建立并解联立方程组，解 得各组分的浓度）来实现多组分分析。
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三、 近红外漫光谱分析中常用的计算方法
对特定的样品体系，近红外光谱特征峰的分析需要 通过对光谱的处理减少以至消除各方面因素对光谱 信息的干扰，再从差别甚微的光谱信息中提取样品 的定性或定量信息。
28
现代近红外光谱分析的信息处理技术
导数光谱
导数光谱可有效地消除基线和其它背景的 干扰，分辨重叠峰，提高分辨率和灵敏度。
但它同时会引入噪声，降低信噪比。
29
平滑算法
常用的信号平滑方法有移动平均平滑法和 Savitzky-Golay 卷积平滑法。
平滑处理涉及处理窗口的大小，较大的平 滑点数可以使信噪比提高，但同时也会导 致信号的失真。
22
四、近红外分光光度分析方法
样品集选择 用标准方法测定样品 测量光谱数据 光谱预处理 波长选择 建模 模型验证
23
1.样品集选择
首先搜集一批样品，再精选代表性样品，并 将样品集分为校正集和验证集。 用来建立模型的校正集样品应涵盖以后要分 析样品的范围。
校正集中应包含除待测成分以外所有的背景 信息；使校正产生的数学模型能将这些背景 加以扣除。
NIR技术的 基本构成
近红外光谱仪
化学计量学软件
20
模型
近红外光谱分析常用的计算方法为多元校正方法 主要包括：
多元线性回归（Multivarate Linear Regression， MLR） 主成分分析（Principle Component Analysis， PCA） 主成分回归（Principle Component Regression， PCR） 偏最小二乘法（Partial Least Squire，PLS） 人工神经网络（Artificial Neutral Networks， ANN）方法等。
33
6.建模
建立样品光谱与质量参数之间的对应 关系（称为校正模型）。
定性（分类） 定量（回归）
34
建立定性模型的方法
有监督的模式识别：PCA
无监督的模式识别：LDA、SIMCA、 ANN、SVM
35
定性模型的应用：
鉴别和定性 原料药的鉴别、 赋形剂和活性成分的控 制 、中间体的质量控制、图谱库的优化和 建立 多晶形（Polymorphism） 其他 :产地、假药鉴别、指纹图谱、药物 混合均匀度的监控、生物技术产品 度
40
定量模型的应用
物理参数：硬度、粒度、溶解度 多晶形测定 水分测定 含量测定 冻干粉 生物技术 其他：药物包装的厚度
41
优点：
（1）快速，通常30秒内就可给出分析结果，可 进行在线分析； （2）制样简单； （3）信息量大，可同时测定多组分； （4）经定标建模后，无须用其他常规化学分析 手段，不使用有毒有机 试剂，无污染； （5）非破坏性分析，可实现产品的无损质量检 测； （6）可使用光纤，从而可实现远程分析检测。
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通过测定被测物质在近红外谱区的特征光谱并利用适 宜的化学计量学方法提取相关信息后，对被测物质进 行定性、定量分析的一种分析技术。 近红外分光光度法具有快速、准确、对样品无破坏的 检测特性，可广泛应用于药品的理化分析、包括“离 线”供试品的检测和直接对“在线”样品进行检测
国外药典收载情况：USP、BP、EP
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拓扑学方法和ANN方法等常用于非线性关系的 关联。 ANN和PLS方法结合使用，可改善数据关联的 能力。
39
建立定量模型的方法
MLR只要知道混合物中某些组分的浓度或性质，就 可以建立复杂体系的校正模型。但是仅适用几个波 长下的光谱数据，常常会丢失许多光谱信息。 PLSR该法是一种全光谱分析方法，并能滤去原始数 据噪音，提高信噪比， 解决交互影响的非线性问题。 PCR不需要知道校正样品中的所有组分浓度，就可 以建立被测组分的校正模型，某些主成分与组分浓 度无任何关系 ANN其抗干扰、抗噪音及强大的非线性转换能力， 对于某些特殊情况，ANN会得到更小的校正误差和 预测误差。
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1 K K 2 K A log( ' ) log{ 1 （ ） （ ）2 } [ 2 ] S S S R
1
K A a b S
漫反射吸光度A和K/S的关系
当样品浓度不高时， 吸收系数 K 与样品浓度 C 成正比， 当散射系数 S 不变时， 漫反射吸光度 A 与 样品浓度的关系可表示为：
6
⑵ 固体、半固体 发生镜面反射、漫反射、吸收、透射、折射、 散射等作用方式
近红外光与固体样品作用示意图 7 1—镜面反射；2—漫反射；3—吸收；4—透射；5—折射；6—散射
样品对光漫反射示意图
S—镜面反射；D—漫反射
8
4、近红外光谱常规分析方法
a：透射式 b：漫反射式 c：漫透射式 1：光源 2：单色器 3：样品 4：检测器 透射分析和漫透射分析测定光源与检测器处在样品的两侧； 漫反射分析测定光源与检测器处在样品的两侧
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7.模型验证
对建立的校正模型必须通过验证集样本的测量， 来 评价模型的好坏。 校正集预测误差均方根RMSEC：用于衡量校正集样 品预测结果的准确性。 验证集预测误差均方根RMSEP：用于衡量验证集样 品预测结果的准确性。
相关系数R2：表示样品预测值与理论值的相关程度。
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近红外光谱定量分析的流程与步骤
近红外分光光度法（NIR）技术简介
一、概述 近红外光区（near infrared，NIR）是指波长在 780～2526nm的电磁波，是人们最早发现的非可 见光区域，距今已有近200多年的历史。 进入80年代后期，近红外光谱分析技术迅速得到推 广，成为一门独立的分析技术，有关近红外光谱的 研究及应用文献几乎呈指数增长，在药学领域也已 有大量文献介绍近红外光谱分析技术的应用。
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缺点：
（1）建立模型需要大量有代表性且化学值已知 的样品； （2）模型需要不断的维护改进 ； （3）近红外测定精度与参比分析精度直接相关， 在参比方法精度不够的情况下，无法得到满意结 果。
1、波长范围
约在780~ 2500nm （波数约为12800~4000cm-1）
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2、分子的不同振动形式
对称伸缩振动---非对称伸缩振动---摇摆振动---摇摆振动---弯曲振动---剪切振动
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3、近红外光与物质的作用形式
⑴ 真溶液、乳浊液
近红外光照射到透明真溶液上，光在试样中透射时发生吸 收，分析光在样品中经过的路程（光程）一定，透射光的 强度与样品中组分浓度的关系符合Beer定律，用于测定时 称为透射分析测定法； 近红外光照射到乳浊液上，因为样品是浑浊的，样品中含 有对光产生散射的颗粒，光在试样中透射时，除发生吸收 外还会发生多次散射，光在样品中经过的路程不确定，透 射光的强度与样品浓度间的关系不符合Beer定律，用于测 定时称为漫透射分析测定法（也可用于固体、半固体分 析）。
15ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
6、近红外光谱定量分析依据
对于透明真溶液，近红外透射光谱符合朗伯-比尔定律。 漫反射分析定量公式
R 1 K / S （K / S） （K / S） 2
' 2
'
1 2
式中： R 为漫反射体的绝对漫反射率，反映出射光与入射光的比率，是 K/S 的函 数，即依赖于 S 与 K 的比值； K 为漫反射体吸收系数，取决于漫反射体的化学组成； S 为散射系数，取决于漫反射体的物理特性。
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NIR光谱仪
光源：溴钨灯、发光二极管 分光系统：滤光片、光栅、干涉仪、声光可调滤 光器 载样器件： 液体样品：石英或玻璃样品池 固体样品：积分球或特定的漫反射载样器件 光纤：定位或在线分析中 检测器 数据处理分析系统
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4.光谱预处理
吸收强度较弱 信噪比低 样品状态、测量条件等造成的光谱不确定性 背景复杂、谱峰重叠
A abC
'
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使用反射吸光度时的光谱加和性
对于含n种组分的混合样品，由于各组分分子对 光的吸收和散射是相互独立的，因此可得吸光系 数的加和性，即任一波长λ处混合物样品总的吸 光系数Kmix等于各组分吸光系数之和。
K mix K 1 K 2 K n 1C1 2 C 2 n C n
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MIR、PCR和PLS属线性回归方法，主要用于样品的质量 参数为线性关系的关联。 MLR方法计算简单，物理意义明确，易于理解，但对参加 关联的变量（如波长通道）数目有限制。由于仅使用几个 波长下的光谱数据，这样常常会丢失许多光谱信息。建立 MLR模型要求训练集样品的个数多于变量数目，即使这 样，它仍对许多质量参数均获得较好的结果。 MLR方法计算简单，物理意义明确，易于理解，但对参加 关联的变量（如波长通道）数目有限制。由于仅使用几个 波长下的光谱数据，这样常常会丢失许多光谱信息。建立 MLR模型要求训练集样品的个数多于变量数目，即使这 样，它仍对许多质量参数均获得较好的结果。
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NIR 各种物态样品最佳适应模式
吸收区 合频吸收 液体 透射 700—2500nm st 1 —4th 倍频吸收 合频吸收 固体 反射 1100—2500nm st 1 —2nd 倍频吸收 悬浮液 透射或反射 700—1100nm 3rd—4th 倍频吸收 样品 检测法 波长
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5、有机化合物的近红外光谱谱带归属 含氢基团，包括：C-H（甲基、亚甲基、甲氧基、 芳基等），羟基O-H(羧基等)，巯基S-H，氨基 N-H（伯胺、仲胺、叔胺和铵盐等）等。
中国药典2005版首次收载
附录XIXK 近红外分光光度法指导原则
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NIR的特点
分析速度快，分析效率高 适用的样品范围广（液体、固体、半固体和 胶状体） 样品一般不需要预处理，分析成本较低 测试重现性好 不破坏样品，应用在活体分析和医药临床领 域 不适合痕量分析以及分散性样品的分析
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二、基本原理