近红外光谱理论课件

近红外应用领域近红外应用领域食品分析仪器食品分析仪器u乳制品检测乳制品检测u饲料饲料&饲草饲草u食品加工食品加工u肉制品肉制品u酿酒酿酒u制糖制糖工业分析仪器工业分析仪器u化学化学u制药制药u聚酯聚酯FOSS 近红外技术在农业近红外技术在农业/食品应用举例食品应用举例NIR技术技术目前所获得的国际目前所获得的国际认可认可AACC39-21(大豆中的蛋白大豆中的蛋白,油份油份,水分水分)39-21A(小麦中蛋白、小麦中蛋白、水分水分)FossTecatorAOAC989.03(蛋白蛋白,酸性洗酸性洗涤纤维涤纤维,水分水分)FossNIRSystemsUSDA89-01(大豆中的蛋白大豆中的蛋白，油份油份)90-101(小麦中的蛋白小麦中的蛋白)FossTecatorACCC小麦中的蛋白小麦中的蛋白,硬度，水分硬度，水分FossNIRSystems近红外定量分析在饲料质量分析中的地位近红外定量分析在饲料质量分析中的地位近红外定量分析在饲料质量分析中的地位近红外定量分析在饲料质量分析中的地位u1975年加拿大谷物委员会正式确定NIR为该国官方的蛋白质分析方法u1979年NIR成为官方分析油料中单葡萄糖苷的快速测定方法u1983年成为快速测定油料中不饱和脂肪酸的官方分析方法近红外定量分析在饲料质量分析中的地位近红外定量分析在饲料质量分析中的地位近红外定量分析在饲料质量分析中的地位近红外定量分析在饲料质量分析中的地位u1984 美国公职分析家学会(AOAC)989.03:NIR成为分析饲料中蛋白，酸性洗涤纤维，中性 洗涤纤维 的标准方法u1985年国际谷物技术协会采用NIR技术测定蛋白近红外技术在我国饲料研究与应用进展近红外技术在我国饲料研究与应用进展七五期间，近红外定标软件的研制列入国家攻关计划。在此期间以中国农科院畜牧研究所为首，全国近20家研究所联合完成了饲料用玉米等九个能量饲料u大豆粕等4个蛋白饲料u苜蓿粉等7个粗饲料u蛋鸡配合料干物质，粗蛋白，粗纤维，和灰分组分的定标数据库建立和定量分析工作近红外技术在我国的研究与应用进展近红外技术在我国的研究与应用进展u6个饲料的消化能和代谢能含量分析u大麦等4个饲料原料的氨基酸分析u米糠饼等6个饲料的植酸磷分析u饲料添加剂中喹乙醇分析的定标工作这些工作为NIR技术在我国农业上的应用提供了大量的基础数据NIR技术技术已正式列入我国饲料国标已正式列入我国饲料国标GB/T 18868-2002 饲料中水分、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨饲料中水分、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨酸、快速测定近红外光谱法酸、快速测定近红外光谱法Method for determination of moisture,crude protein,crude fiber,crude fat,lysine and methinione馔写人馔写人 国家饲料质量监督检验中心国家饲料质量监督检验中心 杨曙明杨曙明 宋荣宋荣近红外光谱理论近红外光谱理论近红外光谱波长范围近红外光谱波长范围紫外紫外可见可见近红外中红外25004,000官能团定性分析官能团定性分析分子光谱分子光谱成分定量分析成分定量分析分子光谱分子光谱表观颜色分析表观颜色分析定量分析定量分析分子光谱分子光谱80014,28540025,00020050,00025,000nm400cm-1近红外是如何工作的近红外是如何工作的?u近红外光谱研究物质分子对近红外光（能量）的吸收近红外光谱研究物质分子对近红外光（能量）的吸收u界于电磁波谱界于电磁波谱800-25800-2500nm光谱区段光谱区段u它属于分子光谱的研究范畴，即研究物质分子与电磁波的相互作用它属于分子光谱的研究范畴，即研究物质分子与电磁波的相互作用.光谱理论光谱理论u广义的红外光谱（包括中红外光谱及近红外光谱）广义的红外光谱（包括中红外光谱及近红外光谱）是由分子振动吸收引起的是由分子振动吸收引起的u红外活性分子红外活性分子(包括对中红外及近红外谱区能量吸包括对中红外及近红外谱区能量吸收分子）可理解为收分子）可理解为 一振动双极的机械模型（双极具一振动双极的机械模型（双极具有有 电荷分离），每一双极模型其振动具有特殊的频电荷分离），每一双极模型其振动具有特殊的频率及振幅。率及振幅。伸缩振动伸缩振动弯曲弯曲 振动振动-面内弯曲面内弯曲(1)弯曲振动弯曲振动 面外弯曲面外弯曲(2)光谱理论光谱理论.u频率频率是指单位时间的振动数目u振幅振幅是振动双极的振动距离光谱理论光谱理论.u当光能与分子振动能量相匹配时，分子将吸收光能，振当光能与分子振动能量相匹配时，分子将吸收光能，振动能级将跃迁为新能级，表征为振动振幅的增加动能级将跃迁为新能级，表征为振动振幅的增加u在新能级时，分子振动频率保持不变在新能级时，分子振动频率保持不变分子振动能级跃迁分子振动能级跃迁近红外区吸收近红外区吸收u近红外光谱主要是由分子中近红外光谱主要是由分子中O-H,N-H,C-H,S-H 键的振动键的振动 吸收吸收引起的引起的u是这些振动的组频和倍频吸收带是这些振动的组频和倍频吸收带u近红外区光谱测试成分须含有近红外区光谱测试成分须含有u O-H,C-H,N-H 或或 S-H 键键-CH-OH-NH-SH光谱理论光谱理论u红外活性分子其振动的基频吸收发生在中红外区，在近红外区，红外活性分子其振动的基频吸收发生在中红外区，在近红外区，表征为合频吸收及倍频吸收。表征为合频吸收及倍频吸收。u倍频吸收带约发生在基频吸收倍频吸收带约发生在基频吸收2-32-3倍基频吸收频率处（或波倍基频吸收频率处（或波长的约长的约1/21/2及及1/31/3处）处）u当倍频级别增加时，吸收强度将减弱当倍频级别增加时，吸收强度将减弱倍频吸收带位于倍频吸收带位于基频吸收频率的倍数积处基频吸收频率的倍数积处合频吸收带约位于两个或三个合频吸收带约位于两个或三个基频吸收频率之和处基频吸收频率之和处=Protein=Oil=Moisture近红外近红外2级，级，3级倍频级倍频光谱理论小结光谱理论小结uR-H 键振动在近红外区有较强的倍频吸收键振动在近红外区有较强的倍频吸收u近红外光谱主要是由近红外光谱主要是由O-H,N-H,C-H,S-H 键的振动键的振动 吸收吸收引起的引起的u在近红外谱区能量照射下，氢分子中的氢在近红外谱区能量照射下，氢分子中的氢-氢键由于振动氢键由于振动双极没有发生任何变化，因此没有近红外吸收双极没有发生任何变化，因此没有近红外吸收uR-H 的伸缩振动或的伸缩振动或 R-H的伸缩的伸缩/弯曲振动构成了近红外区弯曲振动构成了近红外区的主要吸收带的主要吸收带u研究近红外区光谱吸收，测试成分须含有研究近红外区光谱吸收，测试成分须含有 O-H,C-H,N-H 或或 S-H 键键脂肪在脂肪在NIR的对应基础的对应基础蛋白质在蛋白质在NIR的对应基础的对应基础糖在糖在NIR光谱的对应基础光谱的对应基础典型的近红外吸收典型的近红外吸收近红外吸收重要的波长近红外吸收重要的波长 92139CH/CO组合吸收峰组合吸收峰蛋白蛋白/蛋粉蛋粉102180NH键伸缩振动一级倍频键伸缩振动一级倍频蛋白质蛋白质82190CH/CO组合吸收峰组合吸收峰蛋白蛋白/淀粉淀粉72208CH/CO组合吸收峰组合吸收峰尿素尿素/乳糖乳糖52270OH/CO组合吸收峰组合吸收峰淀粉淀粉/糖糖42310CH键伸缩一级倍频键伸缩一级倍频油份油份22336CH/CH弯曲振动一级倍频弯曲振动一级倍频纤维素纤维素/灰份灰份32348CH键伸缩振动一级倍频键伸缩振动一级倍频纤维素纤维素62230参比参比近红外吸收重要的波长近红外吸收重要的波长 191445OH键二级倍频键二级倍频水分水分181722CH键二级倍频键二级倍频淀粉淀粉/纤维素纤维素171734SH键二级倍频键二级倍频蛋白质蛋白质151759CH键二级倍频键二级倍频油份油份131778CH/HOH组合吸收峰组合吸收峰淀粉淀粉/纤维素纤维素121818CO键一级倍频键一级倍频纤维素纤维素161940OH键一级倍频键一级倍频水分水分111982NH/酰胺组合峰酰胺组合峰尿素尿素142100COO一级倍频一级倍频淀粉淀粉/蛋白蛋白WATEROILPROTEINSTARCH700100013001600190022002500波长(纳米)00.20.40.60.81吸光度吸光度(Log1/R)三级倍频吸收带三级倍频吸收带二级倍频吸收带二级倍频吸收带一级倍频吸收带一级倍频吸收带合频吸收带合频吸收带尼龙纤维样品的近红外光谱尼龙纤维样品的近红外光谱近红外检测技术分类近红外检测技术分类NIR=近红外漫反射技术近红外漫反射技术 Near Infrared ReflectanceNIT=近红外透射技术近红外透射技术 Near Infrared Transmittance近红外透射近红外透射/漫反射技术漫反射技术透射技术透射技术(NIT)漫反射技术漫反射技术(NIR)ITEC169AITEC168ALight sourceLight sourceDetectorDetector漫反射漫反射检测器检测器检测器检测器检测器检测器检测器检测器常规分析常规分析UNKNOWNSSPECTRUM0.04 0.09 0.14 0.16 0.26 0.54 0.55 .059有关近红外技术定标有关近红外技术定标采用近红外测定某一产品的成分，首先需要对这个产品的采用近红外测定某一产品的成分，首先需要对这个产品的各种成分定标。各种成分定标。定标建立将采用样品的扫描数据，然后和某一成分的定标建立将采用样品的扫描数据，然后和某一成分的传统分析方法数据相关连传统分析方法数据相关连(通常是化学分析法数据）。通常是化学分析法数据）。一旦某成分定标建立，就可以分析未知样品中此成分一旦某成分定标建立，就可以分析未知样品中此成分的浓度，分析时间只需的浓度，分析时间只需40秒。秒。近红外技术的定标过程图例近红外技术的定标过程图例近红外光谱分析定标技术介绍近红外光谱分析定标技术介绍近红外光谱分析是间接的（第二手）分析方法，所以近红外光谱分析是间接的（第二手）分析方法，所以近红外光谱分析是间接的（第二手）分析方法，所以近红外光谱分析是间接的（第二手）分析方法，所以 需要定标样品集需要定标样品集需要定标样品集需要定标样品集 利用定标样品集的参比分析数据与近红外光谱建立定标利用定标样品集的参比分析数据与近红外光谱建立定标利用定标样品集的参比分析数据与近红外光谱建立定标利用定标样品集的参比分析数据与近红外光谱建立定标 近红外分析准确度与参比方法数据准确度高度相关近红外分析准确度与参比方法数据准确度高度相关近红外分析准确度与参比方法数据准确度高度相关近红外分析准确度与参比方法数据准确度高度相关 近红外分析精度优于参比方法分析精度近红外分析精度优于参比方法分析精度近红外分析精度优于参比方法分析精度近红外分析精度优于参比方法分析精度近红外光谱分析定标技术介绍近红外光谱分析定标技术介绍实验室分析实验室分析实验室分析实验室分析 蛋白蛋白 脂肪脂肪水分水分多变量统计模型多变量统计模型多变量统计模型多变量统计模型 预处理模型验证预处理模型验证（化学计量学）（化学计量学）未知样品未知样品预测预测 蛋白蛋白 脂肪脂肪水分水分近红外光谱近红外光谱定标样定标样品集品集比尔定律比尔定律吸光度与样品浓度间的关系通过比尔定律描述：A=abc在这里在这里:A=某一波长的吸光度a=摩尔吸光系数b=吸收介质的光程c=样品浓度97%OH47%57%85%68%77%吸光度大小与样品浓度成正比吸光度大小与样品浓度成正比.C=B0+B1X1Concentration%=0.222+-1065.8*Absat2064CB0B1X1简单的线性回归简单的线性回归uBeer-Lambert 定律u吸收强度与样品浓度成正比u(对漫反射技术，吸光系数和光程是固定的常数)u定标模型可描述为:uC=k0+k1A1uk0=截距 k1=斜率 A1=吸光度近红外定量分析方法近红外定量分析方法常规分析常规分析模型验证模型验证散射校正散射校正定标回归技术定标回归技术建立定标模型建立定标模型样品收集样品收集线性定标模型线性定标模型Cnirs=B0+B1*A1+B2*A2+.+Bk*Ak建立近红外分析方法建立近红外分析方法u建立近红外定量模型的最终目标是一个长期稳定的和可预测的模型。建立近红外分析方法建立近红外分析方法.uI.定标样品集定标样品集uA.样品数目样品数目-根据检测成分的数目根据检测成分的数目uB.B.产品本身的变异程度而定产品本身的变异程度而定uC.样品浓度的分布状态样品浓度的分布状态uD.定标系列必须包含样品变化定标系列必须包含样品变化u1.1.经常收集样品经常收集样品(不是只在一天不是只在一天)u2.2.结合不同的过程变化结合不同的过程变化u(不同的供应商，季节，颗粒度等不同的供应商，季节，颗粒度等)uE.浓度范围需浓度范围需5-5-倍于标准方法的标准偏差。倍于标准方法的标准偏差。建立近红外分析方法建立近红外分析方法.uII.标准方法标准方法uA.什么是标准方法准确度什么是标准方法准确度?uB.什么是标准方法精度什么是标准方法精度?uC.近红外方法的准确度标准偏差近红外方法的准确度标准偏差SDSD是标准方法的是标准方法的1.2-1.1.2-1.倍倍uD.近红外方法的精度标准偏差近红外方法的精度标准偏差SDSD比经典高倍（显著特点）比经典高倍（显著特点）uE.尤其对于浓度极端的样品，需采用标准方法进行双平行尤其对于浓度极端的样品，需采用标准方法进行双平行 或三平行分析或三平行分析建立近红外分析方法建立近红外分析方法.uIII.III.验证样品集验证样品集uA.A.类类似似于于定定标标样样品品集集样样品品收收集集 包包含含相相同同的的变变化化uB.B.如如果果样样品品许许可可，可可保保存存高高，中中，低低浓浓度度三三种种样样品品作作为为“标标准准样样”定定期期分分析析，用用于于仪仪器器定定标标检检查的控制样查的控制样近红外定标方程的开发和近红外定标方程的开发和扩展所需的湿化学标准值扩展所需的湿化学标准值 u1.1.在做湿化学分析前，须先进行样品扫描在做湿化学分析前，须先进行样品扫描u2.2.扫扫描描过过的的样样品品（同同一一份份样样）送送交交实实验验室室进进行行湿湿化化学学分分析析.送交实验室样品必需放置于密封的容器中送交实验室样品必需放置于密封的容器中 （最最好好用用样样品品储储藏藏罐罐且且罐罐口口需需用用胶胶带带密密封封；封封口口样样品品袋袋也可接受），以防止水份和挥发物的损失。也可接受），以防止水份和挥发物的损失。近红外定标方程的开发和近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值扩展所需的标准值 u3.3.样品需及时分析。样品需及时分析。u4.4.所使用的实验室分析方法需官方认可的标准方法所使用的实验室分析方法需官方认可的标准方法uu近红外定标方程的开发和近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值扩展所需的标准值 u5.5.如如果果分分析析样样品品需需要要制制备备（研研磨磨，萃萃取取等等），必必须须在在实实验验室室报报告告中中注注明明。如如果果样样品品制制备备需需要要磨磨，那那么么样样品品磨磨的的类类型型和和筛筛的的尺尺寸有记录。寸有记录。注注释释用用于于分分析析的的样样其其物物理理状状态态必必须须知知道道。如如果果分分析析前前被被研研磨磨或或分分析析样样品品与与实实验验室室接接收收的的状状态态一一致致，这这些些都都必必须须注注释释（研研磨者和筛的尺寸）磨者和筛的尺寸）近红外定标方程的开发和近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值扩展所需的标准值 u6.6.报告每一个方法和产品类型的实验室分析方法的误差报告每一个方法和产品类型的实验室分析方法的误差 *盲样盲样分析平行样，其编号方式不显示两个样品间的关系分析平行样，其编号方式不显示两个样品间的关系NIR是二手方法，需要用传统方法结果校正是二手方法，需要用传统方法结果校正!传统分析传统分析 近红外分析准确度无论如何也不会比对定标样品集传统分析分析的准确度高.传统方法评估传统方法评估u10 样品浓度分布均匀包括高、中、低浓度段样品样品浓度分布均匀包括高、中、低浓度段样品.u分样，然后随机编号分样，然后随机编号.u采用传统方法分析这采用传统方法分析这2020个样品个样品u计算计算SDD (Standard Deviation of Difference)for the 20 samples.u将将SDD作为评估仪器分析准确度的参考值作为评估仪器分析准确度的参考值.影响近红外定标准确性的主要因素影响近红外定标准确性的主要因素u参与定标的样品量不足，不具代表性参与定标的样品量不足，不具代表性u定标样品几乎一致造成定标不具代表性定标样品几乎一致造成定标不具代表性u样品近红外扫描数据误差样品近红外扫描数据误差u定标所使用的实验室数据分析不准确定标所使用的实验室数据分析不准确u非线性因素对定标的影响非线性因素对定标的影响NIR-统计术语解释统计术语解释lN 定标样品个数定标样品个数lMean 定标样品集平均浓度定标样品集平均浓度lSEC 定标标准偏差定标标准偏差lRSQ,Correlation 定标相关系定标相关系数数lSECV交互验证标准偏差交互验证标准偏差l1-VR,Correlation交互验证相关交互验证相关系数系数lSEP预测标准偏差预测标准偏差lStandard Deviation标准偏差标准偏差lSEP(C)(扣除系统偏差的预测标准偏扣除系统偏差的预测标准偏差）差）l Slope斜率斜率l Bias系统偏差系统偏差Mean value平均值平均值标准偏差标准偏差根据正态（高斯）分布，有68%的结果落在此误差范围内误差分布误差分布u样品分析误差符合高斯分布(Gaussian):u100 样品，验证样品平均浓度为4%,CV=1%:l32 误差落在 0.04%l5 误差落在 0.08%l1 误差超过 0.12%3.83.94.04.14.268%95%99%Slope斜率斜率k为斜率，m为截距Bias系统偏差系统偏差WIN ISI II-Scatter plotCorrelation 相关系数相关系数表征x,y之间的相关关系如果x,y共变化，则可获得好的相关Correlation相关系数相关系数1-VR=1-SECV2/SD2近红外技术应用简述近红外技术应用简述(1)u*检查仪器是否在正常的工作状态检查仪器是否在正常的工作状态u*收集样品并获得样品的近红外光谱收集样品并获得样品的近红外光谱u*对样品进行精确的实验室分析并将分析结果输入到光谱文对样品进行精确的实验室分析并将分析结果输入到光谱文件件u*确定确定“最好的最好的”样品样品.*利用样品的光谱数据及化学数据建立数学利用样品的光谱数据及化学数据建立数学模型来预测样品的成分模型来预测样品的成分*验正模型验正模型(定标方程定标方程)的准确性的准确性*将模型将模型(定标方程定标方程)应用于常规分析应用于常规分析近红外技术应用简述近红外技术应用简述(2).*对模型对模型(定标方程定标方程)进行周期性的验正进行周期性的验正*如需要，应如需要，应对模型对模型(定标方程定标方程)进行升级进行升级近红外技术应用简述近红外技术应用简述(3)