近紅外基礎(chǔ)BRUKER

1、近紅外技術(shù)的基本理論近紅外技術(shù)的基本理論 原子核轉(zhuǎn)變 電磁轉(zhuǎn)動分子轉(zhuǎn)動分子振動外層電子的躍遷 內(nèi)層電 子的躍 遷 -射線X 射線紫外可見 近紅近紅 外外 中紅外遠紅外電子自旋振動 核磁振 動 紅外微波Radio, TV 無線電波 InteractionRegion 108107106105104103102101110-110-210-3 10-1010-910-810-710-610-510-410-310-210-11101 Wavelength (cm-1) Wavelength (m) 12,800 cm-1 (780 nm) 3,960 cm -1 (2,526 nm) 什么是近紅外

2、光什么是近紅外光 近紅外的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用發(fā)展里程近紅外的發(fā)現(xiàn)和應(yīng)用發(fā)展里程 1800年近紅外電磁波被發(fā)現(xiàn)，光譜的復(fù)雜性使其“沉睡”了 一個 半世紀(jì) 20世紀(jì)70年代國外的農(nóng)業(yè)分析學(xué)家綜合計算機技術(shù)、光譜分 析技術(shù)、儀器技術(shù)和現(xiàn)代數(shù)學(xué)方法，首先把近紅外分析技術(shù) 應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品和食品的品質(zhì)分析 進入90年代，近紅外分析技術(shù)逐步受到分析化學(xué)家的重視， 應(yīng)用逐步擴展到石油化工、醫(yī)藥、生物化學(xué)、煙草、紡織品等 領(lǐng)域。 近紅外現(xiàn)已發(fā)展成為一種獨立的分析技術(shù)活躍在光譜分析領(lǐng) 域 發(fā)達國家已經(jīng)將近紅外做為質(zhì)量控制、品質(zhì)分析和在線分析 的主要手段，部分方法已經(jīng)成為USP、EP、PASG、EMEA、 AOAC、AACC

3、、ICC的標(biāo)準(zhǔn)。 近紅外波長表示的度量單位近紅外波長表示的度量單位 近紅外區(qū)一般用波長（納米近紅外區(qū)一般用波長（納米 nm)或（波數(shù)或（波數(shù)cm-1）來表示來表示 納米與波數(shù)的換算關(guān)系：納米與波數(shù)的換算關(guān)系： nm= 107/cm-1 或或 cm-1 = 107/ nm 因為：因為：1cm=107nm 1,000nm處，用波數(shù)表示：處，用波數(shù)表示： 107/ 1,000=10,000cm -1 近紅外光譜的信號特征近紅外光譜的信號特征 1、近紅外光的產(chǎn)生：近紅外光源一般用鹵素?zé)?、近紅外光的產(chǎn)生：近紅外光源一般用鹵素?zé)?2、近紅外光的檢測：近紅外光的檢測材料是半導(dǎo)體材料，如、近紅外光的檢測：近紅

4、外光的檢測材料是半導(dǎo)體材料，如 Si、PbS、 InAs、Ge、InGaAs等等 3、光學(xué)材料：可以使用耐水和便于維護的材料，如：熔融、光學(xué)材料：可以使用耐水和便于維護的材料，如：熔融 石英、石英和火石玻璃、石英、石英和火石玻璃、CaF等。等。 輻射光的能量輻射光的能量 被相同振動能被相同振動能 量的物質(zhì)分子量的物質(zhì)分子 吸收吸收 物質(zhì)表面 振動吸收光譜的理論振動吸收光譜的理論 物質(zhì) 不同化合物基團在近紅外區(qū)的吸收譜帶不同化合物基團在近紅外區(qū)的吸收譜帶 吸收 全反射 漫(反)射 透射 散射 scattering transmittance Diffuse reflectance absorpt

5、ion 近紅外光與物質(zhì)的相互作用近紅外光與物質(zhì)的相互作用 specula reflectance SOURCEMONOCHROMATORSAMPLE SAMPLE SAMPLE MONOCHROMATOR MONOCHROMATOR SOURCE SOURCE DETECTOR DETECTOR DETECTOR Near-IR Transmittance (NIT) 透射式透射式 Near-IR Reflectance (NIR) 漫射式漫射式 Near-IR Trans-Reflectance (NITR) 透漫射式透漫射式 DETECTOR 近紅外的采樣方法近紅外的采樣方法 Long p

6、athlength Short pathlength 固體近紅外光譜中的粒徑固體近紅外光譜中的粒徑(particle size)影響影響 煙絲和煙粉末的近紅外光譜煙絲和煙粉末的近紅外光譜 煙絲 煙粉末 q物質(zhì)在近紅外譜區(qū)的吸收主要包括以下基團基頻振動的合物質(zhì)在近紅外譜區(qū)的吸收主要包括以下基團基頻振動的合 頻和倍頻振動吸收頻和倍頻振動吸收 C-H, N-H, O-H, S-H, C=O, C=C q近紅外的合頻振動的吸收系數(shù)比中紅外基頻振動吸收弱近紅外的合頻振動的吸收系數(shù)比中紅外基頻振動吸收弱 1- 5個數(shù)量級個數(shù)量級. 0 1 2 3 4 5 9000 8000 7000 6000 5000

7、4000 3000 2000 NIR MIR Absorbance Wavenumber cm-1 Water Spectrum 近紅外吸收光譜特征近紅外吸收光譜特征 近紅外吸收光譜的特點近紅外吸收光譜的特點 l 隨著基頻振動合頻和倍頻的增隨著基頻振動合頻和倍頻的增 加，吸收峰重疊的越嚴重。加，吸收峰重疊的越嚴重。 l 多組分復(fù)雜樣品的近紅外光譜多組分復(fù)雜樣品的近紅外光譜 不是各組分單獨光譜的疊加。不是各組分單獨光譜的疊加。 l 消光系數(shù)弱，穿透樣品的能力消光系數(shù)弱，穿透樣品的能力 強強( (最深可達最深可達5 5cm)cm)。 l 需要需要“化學(xué)計量學(xué)化學(xué)計量學(xué)”技術(shù)從復(fù)技術(shù)從復(fù) 雜的光譜中

8、提取信息（世界流行雜的光譜中提取信息（世界流行 算法為偏最小二乘法即算法為偏最小二乘法即PLSPLS）。 煙草樣品的近紅外吸收光譜煙草樣品的近紅外吸收光譜 Beer定律: E = -log Itrans/I0 = -log T = cd d ; c I0Itrans 光源 檢測器 : 消光系數(shù) c: 濃度 d: 光程 透過率透過率: Beer定律定律 定量分析的理論依據(jù)定量分析的理論依據(jù) 1.標(biāo)準(zhǔn)方法分析樣品標(biāo)準(zhǔn)方法分析樣品2. 采集光譜采集光譜3. 建立、優(yōu)化和建立、優(yōu)化和 檢驗?zāi)Ｐ蜋z驗?zāi)Ｐ?Report Sample #081897-049 Component A81.55% Compon

9、ent B5.38% Component C13.06% 1. 測定未知樣品光譜測定未知樣品光譜 2. 調(diào)用模型調(diào)用模型3. 預(yù)測結(jié)果預(yù)測結(jié)果 ComponentABC Units% spectrum171.307.0321.67 spectrum279.303.0617.64 spectrum378.408.3413.26 spectrum484.034.3211.65 spectrum1185.021.3413.64 spectrum1278.343.8517.81 定量分析基本原理定量分析基本原理 q建立模型建立模型 q分析樣品分析樣品 近紅外光譜分析的數(shù)學(xué)處理方法近紅外光譜分析的數(shù)學(xué)處

10、理方法 由于近紅外光譜的復(fù)雜性和分析對象的多元性，決定近由于近紅外光譜的復(fù)雜性和分析對象的多元性，決定近 紅外光譜分析必須使用多元信息處理技術(shù)，近紅外定量紅外光譜分析必須使用多元信息處理技術(shù)，近紅外定量 分析的常用方法有如下三種。分析的常用方法有如下三種。 1、多元線性回歸、多元線性回歸 2、主成分回歸、主成分回歸 3、偏最小二乘法、偏最小二乘法 內(nèi)部交叉檢驗內(nèi)部交叉檢驗 Differ1 Differ2 Differ3 Differn 內(nèi)部交叉檢驗內(nèi)部交叉檢驗(cross validation) 外部檢驗外部檢驗 Differ1 Differ2 Differ3 Differn 建模樣品建模樣品

11、 （校正集）（校正集） 預(yù)測樣品預(yù)測樣品 （檢驗集）（檢驗集） 外部檢驗外部檢驗(Prediction) 模型評價指標(biāo)模型評價指標(biāo) 2 2 2 1 mi i yy Differ R 2 1 )( i Differ M RMSEPRMSECV 決定系數(shù)決定系數(shù) 均方差均方差 同一組樣品、同一組分，同一組樣品、同一組分，R2越大，越大，RMSECV越小。越小。 決定于模型優(yōu)化的條件、實驗室化學(xué)分析水平和近紅外決定于模型優(yōu)化的條件、實驗室化學(xué)分析水平和近紅外 儀器的性能。儀器的性能。 RMSECV最重要，決定預(yù)測樣品的誤差大小。最重要，決定預(yù)測樣品的誤差大小。 q建立模型建立模型 q測定未知樣品測定

12、未知樣品 1. 測定代表性樣品測試2. 計算平均光譜和閾值3. 建立和檢驗?zāi)Ｐ?1. 測定未知樣品光譜2. 調(diào)用模型3. 鑒定未知樣品 500060007000800090001000011000 Wavenumber cm-1 0.20.30.40.50.60.70.80.9 Absorbance Units 500060007000800090001000011000 0.20.30.40.50.60.70.80.9 Absorbance Units Sample Identified as Material X 定性分析的基本原理定性分析的基本原理 The sample is posit

13、ively identified only when: Hit Quality Threshold for all other library materials. Hit Quality of the unknown spectrum:0.010943 Threshold for acetyl salicylic acid:0.046744 Hit No.Hit QualityThresholdSubstance 10.010940.04674Acetyl salicylic acid 2 0.18745 0.00888Salicylic acid 3 0.25988 0.02077Sali

14、cylamide 4 0.44652 0.01406Collidon 25 5 0.45558 0.00491Collidon 30 一個典型的定性分析例子一個典型的定性分析例子 NIR Overview 近紅外分析是屬于從復(fù)雜、重疊、變動復(fù)雜、重疊、變動的光譜中來提取弱信息弱信息的技術(shù) 應(yīng)用化學(xué)計量學(xué)的方法來建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型來解決上述困難 建立優(yōu)秀優(yōu)秀數(shù)學(xué)模型存在的一系列困難 好的儀器 優(yōu)秀的分析軟件 建模經(jīng)驗豐富的人員 代表性的樣品資源 合理應(yīng)用樣品資源技術(shù) 準(zhǔn)確測定化學(xué)值水平準(zhǔn)確測定化學(xué)值水平 - 可靠性、穩(wěn)定性及動態(tài)適應(yīng)性可靠性、穩(wěn)定性及動態(tài)適應(yīng)性 模型還要進行不斷檢驗、修正

15、、轉(zhuǎn)移 缺點缺點 不是不是“原始方法原始方法” 需要大量代表性樣品進行化學(xué)分析需要大量代表性樣品進行化學(xué)分析 建模建模 檢測限比較差檢測限比較差 優(yōu)點優(yōu)點 分析速度快分析速度快(1分鐘內(nèi)分鐘內(nèi)) 樣品不需預(yù)處理、操作簡單樣品不需預(yù)處理、操作簡單 無浪費、無污染無浪費、無污染 一次測試可以測定多種成分和指標(biāo)一次測試可以測定多種成分和指標(biāo) 具有很高的精密度具有很高的精密度 分析結(jié)果的統(tǒng)計準(zhǔn)確度逼近標(biāo)準(zhǔn)方法分析結(jié)果的統(tǒng)計準(zhǔn)確度逼近標(biāo)準(zhǔn)方法 可以透過包裝材料進行測定可以透過包裝材料進行測定 工業(yè)上可以做到實時監(jiān)控工業(yè)上可以做到實時監(jiān)控 近紅外光譜分析的優(yōu)點和缺點近紅外光譜分析的優(yōu)點和缺點 “多快好省多

16、快好省”、綠色分析技、綠色分析技 術(shù)術(shù) 近紅外儀器的硬件技術(shù)近紅外儀器的硬件技術(shù) 近紅外儀器的硬件介紹近紅外儀器的硬件介紹 濾光片濾光片 光柵光柵 聲光調(diào)制聲光調(diào)制 二極管陣列二極管陣列 偏振干涉偏振干涉 傅立葉變換傅立葉變換 6 6個濾光片近紅外儀器的光譜個濾光片近紅外儀器的光譜 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 1919個濾光片儀器的近紅外光譜個濾光片儀器的近紅外光譜 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40

17、.60.81.01.2 Absorbance Units 6 6個和個和1919個濾光片儀器近紅外光譜比較個濾光片儀器近紅外光譜比較 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 光柵型近紅外儀器的光譜光柵型近紅外儀器的光譜 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 濾光片、光柵型儀器近紅外光譜的比較濾光片、光柵型儀器近紅外光譜的比較 12001400160018002

18、00022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 傅立葉變換近紅外儀器的光譜傅立葉變換近紅外儀器的光譜 40005000600070008000900010000 Wavenumber cm-1 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 四種儀器近紅外光譜的比較四種儀器近紅外光譜的比較 1200140016001800200022002400 Nanometers 0.00.20.40.60.81.01.2 Absorbance Units 傅立葉變換與光柵型近紅外儀器光譜比較傅立葉變

19、換與光柵型近紅外儀器光譜比較 5000600070008000 -0.0025-0.0020-0.0015-0.0010-0.00050.00000.00050.0010 Absorbance Units FT Grating 模模 型型 傳傳 遞遞 近紅外分析技術(shù)的難點和技術(shù)策略 近紅外分析是屬于從復(fù)雜、重疊、變動復(fù)雜、重疊、變動的光譜中來提取弱信息弱信息的技術(shù) 應(yīng)用化學(xué)計量學(xué)的方法來建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型來解決上述困難 建立優(yōu)秀優(yōu)秀數(shù)學(xué)模型存在的一系列困難 好的儀器 優(yōu)秀的分析軟件 建模經(jīng)驗豐富的人員 代表性的樣品資源 合理應(yīng)用樣品資源技術(shù) 準(zhǔn)確測定化學(xué)值水平 - 可靠性、穩(wěn)定性及動態(tài)

20、適應(yīng)性可靠性、穩(wěn)定性及動態(tài)適應(yīng)性 模型還要進行不斷檢驗、修正、轉(zhuǎn)移 q從儀器到儀器 q液體探頭之間 q固體探頭 q透射池 q積分球 q更換主機部件 模型在儀器之間直接傳輸 33.70 33.75 33.80 33.85 33.90 33.95 34.00 34.05 34.10 34.15 34.20 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 weeks concentration in % wt MPA FranceMPA USMATRIX US #1 A calibration model for dye concentration was de

21、veloped by a manufacturing site in France and distributed to two other sites in the US. A new sample of a stock test solution was analyzed on each instrument once every week and the predicted dye concentrations are plotted above. Direct calibration transfer among the 3 Bruker instruments was success

22、fully demonstrated. The same company now uses 20 Bruker instruments in this application, worldwide. 實際應(yīng)用中的模型直接傳輸 煙草模型轉(zhuǎn)移的結(jié)果 在上海煙草公司技術(shù)中心的近紅外儀器上測定57個樣品，再在倉庫的近紅外儀 器上測定這57個樣品，用倉庫的光譜檢驗技術(shù)中心的模型，結(jié)果如下： 技術(shù)中心交叉檢驗的結(jié)果： R2=98.41% RMSECV=0.0819 倉庫檢驗的結(jié)果： R2=98.49% RMSEP=0.0791 油酸PLS校正模型 Range: 63.0 77.8% R2: 0.97 RM

23、SECV: 0.45 % 上述模型在另外五部儀器上的測試結(jié)果 Range: 63.0 78.6% R2: 0.98 RMSECV: 0.47 % 1、波長準(zhǔn)確度、波長準(zhǔn)確度 2、波長精度、波長精度 3、吸光度線性、吸光度線性 4、測試的規(guī)范化條件要一致、測試的規(guī)范化條件要一致 影響模型直接傳遞的因素 Bruker FT-NIR 波長準(zhǔn)確度波長準(zhǔn)確度: q用自然界水蒸汽在 7306. 74 cm-1處的吸收為標(biāo)準(zhǔn) q典型的準(zhǔn)確度: 0.05 cm-1 (0.005 nm) Bruker FT-NIR 波長精度波長精度: q用自然界水蒸汽在 7306. 74 cm-1處的吸收為標(biāo)準(zhǔn) q典型的精度: 0.1