近紅外技術(shù)-課件

近紅外光譜分析技術(shù)醫(yī)學(xué)課件1近紅外光譜分析技術(shù)醫(yī)學(xué)課件1一、近紅外光譜近紅外光譜技術(shù)二、分析原理三、儀器四、分析流程五、特點(diǎn)六、藥物分析中的應(yīng)用醫(yī)學(xué)課件2一、近紅外光譜近紅外光譜技術(shù)二、分析原理三、儀器四、分析流程一、近紅外光譜

近紅外區(qū)域按美國(guó)試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)的定義是指波長(zhǎng)780nm~2500nm范圍內(nèi)的電磁波，是人們發(fā)現(xiàn)最早的處于可見(jiàn)光（360~780nm）和中紅外光（2500～25000nm）之間的非可見(jiàn)光譜區(qū)域。習(xí)慣上，往往將近紅外光譜（NIR)分為兩個(gè)區(qū)域。波長(zhǎng)780nm至1100nm的區(qū)域稱作為短波近紅外光譜區(qū)，波長(zhǎng)1100nm至2500nm區(qū)域稱作長(zhǎng)波近紅外光譜區(qū)。醫(yī)學(xué)課件3一、近紅外光譜近紅外區(qū)域按美國(guó)試驗(yàn)與材料學(xué)會(huì)的定義二、分析原理

近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的。近紅外光譜記錄的是分子中單個(gè)化學(xué)鍵的基頻振動(dòng)的倍頻和合頻信息，它常常受含氫基團(tuán)X-H(X:C、N、O)的倍頻和合頻的重疊主導(dǎo)，所以在近紅外光譜范圍內(nèi)，測(cè)量的主要是含氫基團(tuán)X-H振動(dòng)的倍頻和合頻吸收。

醫(yī)學(xué)課件4二、分析原理近紅外光譜主要是由于分子振動(dòng)的非諧表1C-H各級(jí)基團(tuán)倍頻在近紅外區(qū)的分布醫(yī)學(xué)課件5表1C-H各級(jí)基團(tuán)倍頻在近紅外區(qū)的分布醫(yī)學(xué)課件5表2主要基團(tuán)與各級(jí)倍頻吸收帶的近似位置醫(yī)學(xué)課件6表2主要基團(tuán)與各級(jí)倍頻吸收帶的近似位置醫(yī)學(xué)課件6二、分析原理主要技術(shù)透射光譜技術(shù)(700-1100nm)反射光譜技術(shù)(1100-2500nm)規(guī)則反射漫反射醫(yī)學(xué)課件7二、分析原理主要技術(shù)醫(yī)學(xué)課件7二、分析原理

漫反射是從光源出來(lái)的光線進(jìn)入樣品內(nèi)部，經(jīng)過(guò)多次反射、折射、衍射及吸收后返回樣品表面的過(guò)程，因此，漫反射光是分析光與樣品內(nèi)部分子發(fā)生作用的光，負(fù)載了樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息。漫反射幾乎可用于各類樣品分析。

醫(yī)學(xué)課件8二、分析原理醫(yī)學(xué)課件8三、儀器基本構(gòu)造

(1)光源

(2)分光系統(tǒng)

(3)測(cè)樣器件

(4)檢測(cè)器

(5)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)

(6)記錄儀主要類型(1)濾光片型(2)光柵色散型(3)傅立葉變換型(4)聲光調(diào)制濾光型

醫(yī)學(xué)課件9三、儀器基本構(gòu)造主要類型醫(yī)學(xué)課件9三、儀器性能指標(biāo)（1）光譜的分辨率—分光系統(tǒng)

（2）波長(zhǎng)準(zhǔn)確性—模型傳遞（3）波長(zhǎng)重現(xiàn)性—儀器穩(wěn)定（4）吸光度準(zhǔn)確性—測(cè)量結(jié)果（5）吸光度重現(xiàn)性—模型效果

（6）吸光度噪音—儀器穩(wěn)定醫(yī)學(xué)課件10三、儀器性能指標(biāo)醫(yī)學(xué)課件10三、儀器

傅立葉變換近紅外光譜儀是具有較高的分辨率和掃描速度，這類儀器的弱點(diǎn)同樣是干涉儀中存在移動(dòng)性部件，且需要較嚴(yán)格的工作環(huán)境。聲光可調(diào)濾光器是采用雙折射晶體，通過(guò)改變射頻頻率來(lái)調(diào)節(jié)掃描的波長(zhǎng)，整個(gè)儀器系統(tǒng)無(wú)移動(dòng)部件，掃描速度快。但目前這類儀器的分辨率相對(duì)較低，價(jià)格也較高。

在與固定光路相匹配的陣列檢測(cè)器中，常用的有電荷耦合器件（CCD）和二極管陣列（PDA）兩種類型，其中CCD多用于近紅外短波區(qū)域的光譜儀，PDA檢測(cè)器則用于長(zhǎng)波近紅外區(qū)域。醫(yī)學(xué)課件11三、儀器傅立葉變換近紅外光譜儀是具有較高的分三、儀器性能指標(biāo)（1）光譜的分辨率

光譜的分辨率主要取決于光譜儀器的分光系統(tǒng)，對(duì)用多通道檢測(cè)器的儀器，還與儀器的像素有關(guān)。分光系統(tǒng)的光譜帶寬越窄，其分辨率越高，對(duì)光柵分光儀器而言，分辨率的大小還與狹縫的設(shè)計(jì)有關(guān)。儀器的分辨率能否滿足要求，要看儀器的分析對(duì)象。醫(yī)學(xué)課件12三、儀器性能指標(biāo)醫(yī)學(xué)課件12三、儀器（2）波長(zhǎng)準(zhǔn)確性

波長(zhǎng)準(zhǔn)確性是指儀器測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)某一譜峰的波長(zhǎng)與該譜峰的標(biāo)定波長(zhǎng)之差。波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性對(duì)保證近紅外光譜儀器間的模型傳遞非常重要。為了保證儀器間校正模型的有效傳遞，波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性在短波近紅外范圍要求好于0.5nm，長(zhǎng)波近紅外范圍好于1.5nm。

醫(yī)學(xué)課件13三、儀器（2）波長(zhǎng)準(zhǔn)確性

波長(zhǎng)準(zhǔn)確性是指儀器測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)三、儀器（3）波長(zhǎng)重現(xiàn)性

波長(zhǎng)的重現(xiàn)性指對(duì)樣品進(jìn)行多次掃描，譜峰位置間的差異，通常用多次測(cè)量某一譜峰位置所得波長(zhǎng)或波數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示（傅立葉變換的近紅外光譜儀器習(xí)慣用波數(shù)cm-1表示）。波長(zhǎng)重現(xiàn)性是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)校正模型的建立和模型的傳遞均有較大的影響，同樣也會(huì)影響最終分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般儀器波長(zhǎng)的重現(xiàn)性應(yīng)好于0.1nm。醫(yī)學(xué)課件14三、儀器（3）波長(zhǎng)重現(xiàn)性

波長(zhǎng)的重現(xiàn)性指對(duì)樣品進(jìn)行三、儀器（4）吸光度準(zhǔn)確性

吸光度準(zhǔn)確性是指儀器對(duì)某標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行透射或漫反射測(cè)量，測(cè)量的吸光度值與該物質(zhì)標(biāo)定值之差。對(duì)那些直接用吸光度值進(jìn)行定量的近紅外方法，吸光度的準(zhǔn)確性直接影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

醫(yī)學(xué)課件15三、儀器（4）吸光度準(zhǔn)確性

吸光度準(zhǔn)確性是指儀器對(duì)某標(biāo)準(zhǔn)物三、儀器（5）吸光度重現(xiàn)性

吸光度重現(xiàn)性指在同一背景下對(duì)同一樣品進(jìn)行多次掃描，各掃描點(diǎn)下不同次測(cè)量吸光度之間的差異。通常用多次測(cè)量某一譜峰位置所得吸光度的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。吸光度重現(xiàn)性對(duì)近紅外檢測(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的指標(biāo)，它直接影響模型建立的效果和測(cè)量的準(zhǔn)確性。醫(yī)學(xué)課件16三、儀器（5）吸光度重現(xiàn)性

吸光度重現(xiàn)性指在同一背景三、儀器（6）吸光度噪音

吸光度噪音也稱光譜的穩(wěn)定性，是指在確定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行多次掃描，得到光譜的均方差。吸光度噪音是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。將樣品信號(hào)強(qiáng)度與吸光度噪音相比可計(jì)算出信噪比。醫(yī)學(xué)課件17三、儀器（6）吸光度噪音

吸光度噪音也稱光譜的穩(wěn)定性三、儀器注意事項(xiàng)（1）各項(xiàng)性能長(zhǎng)期穩(wěn)定的近紅外光譜儀，是保證數(shù)據(jù)具有良好再現(xiàn)性的基本要求；（2）功能齊全的化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件，是建立模型和分析的必要工具；（3）準(zhǔn)確并適用范圍足夠?qū)挼哪Ｐ汀?/p>

醫(yī)學(xué)課件18三、儀器注意事項(xiàng)醫(yī)學(xué)課件18四、分析流程1訓(xùn)練集樣品的選擇選擇適宜的訓(xùn)練集樣本是建立近紅外光譜校正方法的第一步。理想的訓(xùn)練集應(yīng)該包括盡量多的有代表性的樣本，樣本的光譜不能因顆粒度、濃度等因素的不同而變化。醫(yī)學(xué)課件19四、分析流程1訓(xùn)練集樣品的選擇醫(yī)學(xué)課件19圖1主成分得分圖醫(yī)學(xué)課件20圖1主成分得分圖醫(yī)學(xué)課件20四、分析流程2標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)定物化性質(zhì)

用標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照分析方法測(cè)定樣品的物化性質(zhì)非常重要。對(duì)復(fù)雜的天然樣品，應(yīng)選用被大家所接受的、權(quán)威的分析方法。由于模型預(yù)測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性很大程度上取決于標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性，為建立高質(zhì)量的校正模型，標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照方法的測(cè)量誤差應(yīng)降至最小。醫(yī)學(xué)課件21四、分析流程2標(biāo)準(zhǔn)方法的測(cè)定物化性質(zhì)醫(yī)學(xué)課件21四、分析流程3光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量

在測(cè)量光譜數(shù)據(jù)時(shí)，儀器的狀態(tài)實(shí)際每天都在變化，即使在同一天，光譜數(shù)據(jù)也可能由于光源的溫度變化而變化。在對(duì)訓(xùn)練集樣本或未知樣本的光譜進(jìn)行測(cè)量時(shí)，實(shí)驗(yàn)條件應(yīng)盡量保持一致。如果可能，進(jìn)行訓(xùn)練集樣本的光譜測(cè)定最好不在同一時(shí)間進(jìn)行，這樣，可以將時(shí)間不同而造成的光譜數(shù)據(jù)的變化也概括到模型中。醫(yī)學(xué)課件22四、分析流程3光譜數(shù)據(jù)的測(cè)量醫(yī)學(xué)課件22圖2肝素原料藥樣品光譜圖譜帶重疊醫(yī)學(xué)課件23圖2肝素原料藥樣品光譜圖譜帶重疊醫(yī)學(xué)課件23四、分析流程4校正模型的建立與驗(yàn)證良好的校正模型應(yīng)當(dāng)是在用測(cè)試集樣本對(duì)模型進(jìn)行考核時(shí)，其預(yù)報(bào)結(jié)果與標(biāo)準(zhǔn)方法實(shí)際測(cè)量結(jié)果有良好的一致性。一個(gè)好的模型意味著它必須是對(duì)組成的變化非常敏感，而對(duì)其它因素，如儀器、環(huán)境的變化不敏感。

醫(yī)學(xué)課件24四、分析流程4校正模型的建立與驗(yàn)證醫(yī)學(xué)課件24圖3校正模型評(píng)估曲線

醫(yī)學(xué)課件25圖3校正模型評(píng)估曲線醫(yī)學(xué)課件25四、分析流程5未知樣品的預(yù)測(cè)未知樣品的分析過(guò)程首先是在相同的儀器條件下測(cè)量光譜的，并采用與訓(xùn)練集樣本相同的預(yù)處理方法，其次是選擇適當(dāng)?shù)男ＵＰ?，并?duì)模型的適應(yīng)度進(jìn)行檢驗(yàn)，根據(jù)該模型和未知樣品光譜預(yù)測(cè)其物化性質(zhì)。醫(yī)學(xué)課件26四、分析流程5未知樣品的預(yù)測(cè)醫(yī)學(xué)課件26四、分析流程近紅外光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件訓(xùn)練集樣品組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)近紅外光譜模型未知樣品12對(duì)比補(bǔ)充醫(yī)學(xué)課件27四、分析流程近紅外光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件訓(xùn)練集樣品組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)五、特點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)1.分析對(duì)象廣泛

近紅外光譜幾乎可用于所有與含氫基團(tuán)有關(guān)的樣品物化性質(zhì)分析，不僅能反映絕大多數(shù)有機(jī)化合物的組成和結(jié)構(gòu)信息，對(duì)某些無(wú)近紅外吸收的物質(zhì)(如某些無(wú)機(jī)離子化合物)，也可通過(guò)它對(duì)共存的本體物質(zhì)影響引起的光譜變化，間接地反映它存在的信息。所以適合近紅外方法測(cè)量的物質(zhì)種類范圍和場(chǎng)合非常廣泛。醫(yī)學(xué)課件28五、特點(diǎn)（一）優(yōu)點(diǎn)醫(yī)學(xué)課件28五、特點(diǎn)2.樣品預(yù)處理簡(jiǎn)便或無(wú)須處理

由于近紅外光譜分析可以采用透射、散射和漫反射等光學(xué)檢測(cè)原理，對(duì)分析樣品的外觀寬容度大，使得近紅外光譜技術(shù)可以用于直接分析液體、固體、半固體和膠體等不同物態(tài)的樣品。固體樣品可以是任何形狀的，如水果、谷物或固體藥片都可以直接測(cè)定，便于檢查各部位或每一顆粒的質(zhì)量。而這些樣品，用常規(guī)的分析方法是很難直接進(jìn)行分析的。醫(yī)學(xué)課件29五、特點(diǎn)2.樣品預(yù)處理簡(jiǎn)便或無(wú)須處理醫(yī)學(xué)課件29五、特點(diǎn)3.分析速度快，效率高

近紅外光譜的信息必須由計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計(jì)分析，一般一個(gè)樣品取得光譜數(shù)據(jù)后可以立刻得到定性或定量分析結(jié)果，整個(gè)過(guò)程可以在不到2分鐘內(nèi)完成。而且通過(guò)一次光譜的測(cè)量和已建立的相應(yīng)的校正模型，可同時(shí)對(duì)樣品的多個(gè)組成或性質(zhì)進(jìn)行測(cè)定。在工業(yè)分析中，可實(shí)現(xiàn)由單項(xiàng)目操作向車間化多指標(biāo)同時(shí)分析的飛躍，這一點(diǎn)對(duì)多指標(biāo)監(jiān)控的生產(chǎn)過(guò)程分析非常重要。已有的一些商品模型可以購(gòu)買(mǎi)，以節(jié)省很多建模的費(fèi)用及時(shí)間。醫(yī)學(xué)課件30五、特點(diǎn)3.分析速度快，效率高醫(yī)學(xué)課件30五、特點(diǎn)4.便于與光纖相連，實(shí)現(xiàn)在線分析傳統(tǒng)的分析技術(shù)一般是離線分析方法，分析耗時(shí)較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)連續(xù)過(guò)程的即時(shí)分析和在線制。光導(dǎo)纖維的引進(jìn)使傳統(tǒng)的近紅外光譜技術(shù)擴(kuò)展到了過(guò)程分析及有毒材料或惡劣環(huán)境中樣品的遠(yuǎn)程分析，同時(shí)也使光譜儀的設(shè)計(jì)得以更多用，且小型化。醫(yī)學(xué)課件31五、特點(diǎn)4.便于與光纖相連，實(shí)現(xiàn)在線分析醫(yī)學(xué)課件31五、特點(diǎn)5.不破壞樣品，不用試劑，故不污染環(huán)境

近紅外光譜方法可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有樣品的非破壞性分析和檢測(cè)，并能保證產(chǎn)品的質(zhì)量一致和穩(wěn)定。由于近紅外光譜分析中只是取得樣品的光譜信號(hào)，有時(shí)甚至可以在原容器中進(jìn)行測(cè)定，樣品測(cè)定后一般可以送回原生產(chǎn)地或容器，因此測(cè)定過(guò)程中不消耗其它化學(xué)試劑，也不會(huì)產(chǎn)生任何污染，所以說(shuō)近紅外光譜技術(shù)是一種典型的綠色分析技術(shù)，符合當(dāng)前分析技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。醫(yī)學(xué)課件32五、特點(diǎn)5.不破壞樣品，不用試劑，故不污染環(huán)境醫(yī)學(xué)課件32五、特點(diǎn)6.分析成本低

近紅外區(qū)的波長(zhǎng)短，因而不被玻璃或石英介質(zhì)所吸收。所用的樣品池容器可以用常用的玻璃或石英制成，因此使用方便，儀器價(jià)格也較低。同時(shí)由于近紅外光譜分析不消耗化學(xué)試劑，不破壞待測(cè)樣品，以及通過(guò)儀器的高度自動(dòng)化提高分析效率，使得近紅外光譜分析的成本很低，非常適合于實(shí)驗(yàn)室和生產(chǎn)線上大批量樣本的分析。與常用的標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比，測(cè)試費(fèi)用可大幅度降低。醫(yī)學(xué)課件33五、特點(diǎn)6.分析成本低醫(yī)學(xué)課件33五、特點(diǎn)7.測(cè)試重現(xiàn)性好近紅外光譜分析技術(shù)無(wú)需預(yù)處理，測(cè)試結(jié)果很少受人為因素的影響，與某些常規(guī)分析方法相比，近紅外光譜分析技術(shù)一般顯示出更好的重現(xiàn)性。同時(shí)，近紅外光譜技術(shù)所建立的模型是一個(gè)基于開(kāi)放性的、可拓展的樣品數(shù)據(jù)庫(kù)的模型，其分析準(zhǔn)確度將越來(lái)越高。醫(yī)學(xué)課件34五、特點(diǎn)7.測(cè)試重現(xiàn)性好醫(yī)學(xué)課件34五、特點(diǎn)8.可以用于樣品的定性，也可以得到精度很高的定量結(jié)果

采用多元校正方法及一組已知的同類樣品所建立的定量模型，可以快速得到相對(duì)誤差小于0.5%的測(cè)量結(jié)果。定性分析采用模式識(shí)別分析方法，先取得一組已知樣品的吸光度分布模型，再測(cè)得待定性樣品在不同波長(zhǎng)下的吸光度分布，用聚類原理確定樣品是否屬于已有的模型。如果已知樣品有好幾類，則可以從幾種模型中選出最接近的一類以定性。醫(yī)學(xué)課件35五、特點(diǎn)8.可以用于樣品的定性，也可以得到精度很高的定量結(jié)果五、特點(diǎn)（二）缺點(diǎn)1.不適合于痕量分析

如果面對(duì)的樣品僅有幾毫克或要分析的組分在樣品中的含量?jī)H有1×10-6

，近紅外光譜分析是有困難的，最好去尋求另一種方法。醫(yī)學(xué)課件36五、特點(diǎn)（二）缺點(diǎn)醫(yī)學(xué)課件36五、特點(diǎn)2.不適合分散性樣品的分析

近紅外分析必須建立在標(biāo)準(zhǔn)分析方法或參考分析方法以及化學(xué)計(jì)量學(xué)基礎(chǔ)上，因而必須依賴于復(fù)雜的校正體系，標(biāo)準(zhǔn)測(cè)量方法以及大量的訓(xùn)練樣品。這就要求我們?cè)诮⒔t外光譜方法之前，必須投入一定的人力、物力和財(cái)力才能得到一個(gè)準(zhǔn)確的校正模型才行。因此，對(duì)于經(jīng)常的質(zhì)量控制是十分經(jīng)濟(jì)且快速的，但對(duì)于偶然做一二次的分析或分散性樣品不太適用。醫(yī)學(xué)課件37五、特點(diǎn)2.不適合分散性樣品的分析醫(yī)學(xué)課件37五、特點(diǎn)3.易受到外界因素的影響

近紅外光譜容易受到測(cè)量條件(如溫度、儀器)和樣品狀態(tài)等外界因素的影響，引起以系統(tǒng)誤差為主的光譜不確定性。例如影響近紅外吸收峰位置的因素就有很多。如氫鍵的影響，會(huì)使吸收峰向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向移動(dòng)：溫度升高，會(huì)使吸收峰向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)。另外，很多其它的干擾信息，如散射、漫反射等現(xiàn)象引起的光譜變化都會(huì)被加載到樣品近紅外光譜上。這些都使近紅外光譜解析更加復(fù)雜化。醫(yī)學(xué)課件38五、特點(diǎn)3.易受到外界因素的影響醫(yī)學(xué)課件38六、藥物分析中的應(yīng)用

隨著近紅外光譜技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，近紅外光譜在藥物分析中的應(yīng)用也日趨廣泛，不論是在定性或定量測(cè)定中都顯示出了很大的潛力。不但適用于不同狀態(tài)的藥物：原料藥、片劑、膠囊及液體制劑；不同類型的藥品，如蛋白質(zhì)、中藥、抗生素等；還適用于藥物生產(chǎn)過(guò)程各個(gè)階段（包括