近紅外光譜nir分析技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

近紅外光譜nir分析技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

近紅外光譜分析技術(shù)（nir）是近年來分析領(lǐng)域的一項高科技分析技術(shù)，越來越受國內(nèi)外研究者的影響。通過掃描樣品的近紅外光譜分析,可以得到樣品中有機分子含氫基團的特征信息,由此推斷樣品的成分和結(jié)構(gòu)。隨著近紅外光譜技術(shù)和光譜數(shù)據(jù)處理軟件的發(fā)展,近紅外光譜技術(shù)也開始廣泛應(yīng)用于制漿造紙分析領(lǐng)域。近年來,利用近紅外光譜測定紙漿中木素含量和卡伯值等,已經(jīng)成為制漿造紙工業(yè)分析領(lǐng)域的研究熱點。1近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用近紅外區(qū)域是指波長在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波。近紅外光譜區(qū)域與有機分子中含氫基團振動的合頻和各級倍頻的吸收區(qū)一致,因此利用近紅外光譜可以反映-CH、-OH、-NH、-SH等含氫基團的特征信息,其分析范圍可覆蓋幾乎所有的有機化合物。近紅外光照射樣品時,利用樣品分子對近紅外光的吸收,由振動或轉(zhuǎn)動引起偶極矩的變化,產(chǎn)生分子振動和轉(zhuǎn)動能級從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷,從而得到近紅外光譜。近紅外光譜記錄的主要是樣品中含氫基團振動的倍頻和合頻吸收。如果該近紅外光的頻率與樣品的振動頻率相同,該頻率的光就會被吸收,反之,則不被吸收。因此,選用連續(xù)改變頻率的近紅外光照射樣品時,由于樣品對不同頻率近紅外光的選擇性吸收,通過樣品后的近紅外光在某些波長范圍內(nèi)減弱,而在另外一些波長范圍內(nèi)較強,可以根據(jù)得到的近紅外光譜推斷樣品組分和結(jié)構(gòu)的信息。在近紅外光譜圖上,依據(jù)不同種類物質(zhì)所含化學(xué)成分的不同,含氫基團倍頻與合頻振動頻率不同,則近紅外譜圖的峰位、峰數(shù)及峰強不同。樣品的化學(xué)成分差異越大,圖譜的特征性差異越強。如果我們建立了光譜與待測參數(shù)之間的分析模型,那么只要測得樣品的光譜,通過光譜和上述分析模型,就能很快得出所需要的參數(shù)數(shù)據(jù)。近年來,近紅外光譜分析技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品、食品、化工、造紙等多個領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用,它的優(yōu)點有:分析速度快,可以實現(xiàn)在線定量分析;對樣品無污染,分析過程無需任何化學(xué)干預(yù),是一種綠色分析技術(shù);儀器操作和維護簡單,在整個測量過程中引入的人為誤差較小;測量精度較高;分析成本較低,整個測量過程中無需使用任何化學(xué)試劑。但是,目前近紅外光譜分析技術(shù)也存在一些不足,主要在于分析儀器的價格相對較高,以及模型的建立與維護比較麻煩。如何降低儀器成本的同時保持較高的分析精度是現(xiàn)今需要解決的主要問題。2近紅外光譜定標原理紅外光譜的研究始于20世紀初期,隨著1940年商品紅外譜儀的問世,紅外光譜分析技術(shù)在有機化學(xué)研究中得到廣泛應(yīng)用。近紅外光譜區(qū)是1800年Herschel在對太陽光譜可見區(qū)紅外部分能量測量中發(fā)現(xiàn)的,也是人們最早發(fā)現(xiàn)的非可見光區(qū)域。但是,由于物質(zhì)在該譜區(qū)的倍頻和合頻吸收信號弱,譜帶重疊,解析復(fù)雜,受技術(shù)水平限制,近紅外光譜在過去很長一段時間內(nèi)并不被人們所重視。直到20世紀60年代,隨著紅外儀器技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展,近紅外光譜區(qū)才開始作為具有獨特信息特征的譜區(qū)在農(nóng)產(chǎn)品成分快速定量檢測中得到應(yīng)用。Norris是近紅外光譜分析技術(shù)發(fā)展的奠基人,他首先提出了多元線性回歸算法在近紅外光譜定標模型的建立和光譜信息提取解析等方面的優(yōu)勢,并且研制出了世界上第一臺近紅外掃描光譜儀。20世紀80年代以前,雖然近紅外光譜分析通過采用多元線性回歸技術(shù)建立定標模型,在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了應(yīng)用,但是由于當時的近紅外光譜技術(shù)還存在靈敏度低、抗干擾性差等缺點,再加上各種新的分析技術(shù)的出現(xiàn),人們對近紅外光譜技術(shù)的研究并不多。直到20世紀80年代后期,作為化學(xué)計量學(xué)的重要組成部分——多元統(tǒng)計變量方法在光譜分析領(lǐng)域成功應(yīng)用,近紅外光譜分析技術(shù)才解決了光譜信息提取和背景干擾等問題,再加上近紅外光譜技術(shù)的自身優(yōu)點,人們開始重新認識到近紅外光譜的價值,近紅外光譜在除農(nóng)業(yè)外其他領(lǐng)域中的應(yīng)用研究也陸續(xù)展開。進入20世紀90年代,隨著計算機技術(shù)的進步,近紅外光譜開始廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品、食品、制藥、石油化工、紡織印染等諸多領(lǐng)域,并取得了較好的效果。近紅外光譜分析技術(shù)已經(jīng)成為21世紀最有應(yīng)用前途的分析技術(shù)之一。3近紅外光譜分析研究隨著近紅外光譜技術(shù)和光譜數(shù)據(jù)處理軟件的發(fā)展,近紅外光譜技術(shù)在制漿造紙領(lǐng)域的應(yīng)用也越來越多。近紅外光譜分析可以用于測定木材纖維素含量、木素含量、木材的力學(xué)性能以及紙張性能的測定等方面;另外,利用近紅外光譜技術(shù)還可以測量紙頁水分、紙板重量、漿料性能、快速預(yù)測漿料中膠黏物的含量等。近年來,利用近紅外光譜技術(shù)來測定紙漿中木素含量和卡伯值,已經(jīng)成為制漿造紙工業(yè)分析領(lǐng)域的研究熱點。江澤慧等利用近紅外光譜對木材不同含水率下的氣干密度和水分進行了測定。吳新生等采用近紅外光譜法對不同的造紙木材原料進行了快速分類與評價,該方法可望用作造紙用材育種和培育過程中原料的快速選擇和分析。TingFengYeh等利用近紅外光譜分析對火炬松和白楊中纖維素和木素的組成成分進行了研究。劉雪云等針對傳統(tǒng)紙漿纖維種類鑒別費時、費力等問題,研究了基于近紅外光譜技術(shù)的紙漿原料快速分類方法。賀文明等研究了利用近紅外光譜法快速測定木材中纖維素、聚戊糖和Klason木素含量。王玉榮等研究了近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用于測量木材纖維長度的基本原理及流程,為造紙木材的定向培育及成材的纖維分等提供了新的途徑和方法。許瑞雪等將近紅外光譜技術(shù)用于毛白楊材性的快速分析測定中,為提高不同組分含量的纖維原料在制漿造紙工業(yè)的應(yīng)用提供了科學(xué)依據(jù)。孟莉莉等研究了歐美楊各組分含量與近紅外光譜數(shù)據(jù)間的相關(guān)性,應(yīng)用近紅外光譜法預(yù)測歐美楊化學(xué)組成。李小梅等采用近紅外漫反射測定方式和偏最小二乘回歸法,分別對造紙纖維原料中的水分、灰分、木素、纖維素、半纖維素等5種成分進行定量測定并建立數(shù)學(xué)模型。閻繼鵬等對三倍體毛白楊木素和苯醇抽提物的近紅外光譜法測定進行了研究。近紅外光譜還可以用于漿料組分和紙張性能的測定。Zbonak等利用近紅外光譜測定了巨桉KP漿中的纖維素含量。VinhQDang等研究了傅立葉變換紅外-光聲光譜法測定高得率KP漿的木素含量。曾細玲等探討了通過對近紅外光譜進行偏最小二乘法建模,快速預(yù)測漿料中膠黏物的含量的可行性。歐陽春等研究了用近紅外光譜無損測定紙張施膠度,為紙張施膠度無損傷、無預(yù)處理的快速簡便預(yù)測提供了新的途徑,可望實現(xiàn)紙機的在線檢測。謝益民等利用近紅外光譜法測量蒸煮過程黑液中木素含量的變化,從而在線測定出紙漿卡伯值。姚春麗等用偏最小二乘法分別建立了卡伯值和得率的近紅外光譜的驗證模型和預(yù)測模型,通過近紅外光譜法對歐美楊的制漿性能進行了測定。黎慶濤等研究了近紅外漫反射技術(shù)在紙漿卡伯值定量分析測定中的應(yīng)用,研究結(jié)果表明,用近紅外方法對紙漿卡伯值的測定是可行和有效的,樣品不需預(yù)處理,分析快速,結(jié)果準確。4近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用分析技術(shù)的發(fā)展對于制