部分近红外光谱分析基础知识.ppt

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1、第一部分第一部分 近红外光谱分析近红外光谱分析基础知识基础知识NuclearTransitionsSpinOrientation in MagneticFieldMolecularRotationsMolecularVibrationsValanceElectronTransitionsInnerShell Electronic Transitions-RayRadio,TV WavesMicrowaveInfraredNMRESRFIRMIRX RayvisibleNIRUltravioletInteractionRegion10-310-210-1110110210310410510610

2、7108101110-110-210-310-410-510-610-710-810-910-10Wavelength(cm-1)Wavelength(m)12,500 cm-1(800 nm)4,000 cm-1(2500 nm)（一）定义：（一）定义：（二）近红外光谱的产生（二）近红外光谱的产生 近近红红外外谱谱区区的的吸吸收收是是由由于于分分子子振振动动的的倍倍频频或或合合频频吸吸收收造造成成的的，但但分分子子中中只只有有基基频频振振动动的的波波数数在在20002000cmcm-1-1以以上上时时，其其倍倍频频吸吸收收才才能能处处于于近近红红外外谱谱区区，因因此此物物质质在在近近红红外外

3、谱谱区区的的吸吸收收主主要要包包括括以以下下基基团团基基频频振振动动及及其其合合频和倍频振动吸收：频和倍频振动吸收：C-H,N-H,O-H,S-HC-H,N-H,O-H,S-H振动吸收振动吸收基基频频谱谱带带：由由基基态态（v=0v=0）跃跃迁迁到到第第一一振振动动激激发发态态（v=1v=1）所产生的谱带称为基频谱带；）所产生的谱带称为基频谱带；倍倍频频谱谱带带：由由基基态态直直接接跃跃迁迁到到第第二二振振动动激激发发态态（v=2,3,4v=2,3,4）以上所产生的谱带称为倍频谱带；）以上所产生的谱带称为倍频谱带；合合频频：如如果果一一个个光光子子的的能能量量同同时时激激发发二二种种基基频频的

4、的跃跃迁迁,则则分分子子在在光光谱谱中中的的吸吸收收峰峰位位置置等等于于这这种种基基频频振振动频率的和动频率的和,称这种吸收为合频。称这种吸收为合频。油酸的近红外和中红外光谱图油酸的近红外和中红外光谱图 吸收度吸收度波波数数 cmcm-1-1近红外近红外中红外中红外（三）获得近红外光谱的方法（三）获得近红外光谱的方法吸收吸收全反射全反射漫反射漫反射透射透射散射散射scatteringtransmittanceDiffuse reflectanceabsorption近红外光与物质的相互作用近红外光与物质的相互作用specula reflectance光源单色器样品样品单色器光源检测器检测器Ne

5、ar-IR Reflectance(NIR)漫反射式Near-IR Trans-Reflectance(NITR)透反射式（液体）不同的采样方法不同的采样方法近红外吸收光谱近红外吸收光谱 近红外吸收光谱近红外吸收光谱 是指在一定近红外谱区范是指在一定近红外谱区范围和一定扫描分辨率条件下，物质在所有波围和一定扫描分辨率条件下，物质在所有波长点的吸收值连接成的线，表征为该物质在长点的吸收值连接成的线，表征为该物质在以上测试条件下的近红外吸收光谱。以上测试条件下的近红外吸收光谱。遵循遵循Lambert-Beer定律定律A=-log(I/Io)or A=-log T=log(1/r)（四）近红外光谱包

6、含的基本信息（四）近红外光谱包含的基本信息1.活性成分的化学结构信息活性成分的化学结构信息2.辅料的化学结构信息辅料的化学结构信息3.活性成分的工艺信息（如晶型、旋光度、密活性成分的工艺信息（如晶型、旋光度、密度等）度等）4.制剂的工艺特征（如制粒的大小、硬度等）制剂的工艺特征（如制粒的大小、硬度等）5.部分包装材料的结构信息部分包装材料的结构信息（五）近红外光谱的特点（五）近红外光谱的特点1、信息范围：分子中只有基频振动的频率在信息范围：分子中只有基频振动的频率在2000cm2000cm-1-1以上的振以上的振动（主要含有动（主要含有C-HC-H、N-HN-H、O-HO-H等的伸缩振动）其倍

7、频吸收才能处等的伸缩振动）其倍频吸收才能处于近红外谱区。于近红外谱区。2 2、信息量：近红外谱区除有不同级别的倍频谱带外，还包含不、信息量：近红外谱区除有不同级别的倍频谱带外，还包含不同形式组合的合频吸收，谱带复杂，信息丰富。同形式组合的合频吸收，谱带复杂，信息丰富。3 3、信息强度：倍频与合频跃迁的几率比基频跃迁小的多，有机、信息强度：倍频与合频跃迁的几率比基频跃迁小的多，有机物在近红外区的摩尔吸光系数比中红外区小物在近红外区的摩尔吸光系数比中红外区小1-51-5个数量级，比紫个数量级，比紫外可见区小外可见区小2-42-4个数量级。个数量级。4 4、信息品质：近红外谱区的谱带比中红外谱区的谱

8、带宽，近红、信息品质：近红外谱区的谱带比中红外谱区的谱带宽，近红外谱区的谱带重叠严重，常规方法解析困难。外谱区的谱带重叠严重，常规方法解析困难。（六）近红外光谱的基本分析方法（六）近红外光谱的基本分析方法 现现代代近近红红外外光光谱谱技技术术不不是是通通过过观观察察供供试试品品谱谱图图特特征征或或测测量量参参数数直直接接进进行行定定性性或或定定量量分分析析,而而是是首首先先通通过过测测定定训训练练集集的的光光谱谱、利利用用组组成成或或性性质质数数据据（通通过过其其它它认认可可的的标标准准方方法法测测定定），采采用用合合适适的的化化学学计计量量学学方方法法建建立立校校正正模模型型，在在通通过过建

9、建立立的的校校正正模模型型与与未未知知样品进行比较，实现定性定量分析。样品进行比较，实现定性定量分析。发展史：发展史：50年代以前年代以前,初步认识初步认识50年代以后年代以后,农副产品农副产品60年代中期年代中期,沉睡期沉睡期80年代年代,成长期成长期90年代年代,快速发展快速发展（七）近红外分析的发展及应用（七）近红外分析的发展及应用近红外分析的特点近红外分析的特点优点：优点：1.样样品品预预处处理理简简单单或或无无需需预预处处理理，适适用用于于各各种固体、液体和气体样品分析。种固体、液体和气体样品分析。2.分分析析时时间间短短，每每张张光光谱谱的的扫扫描描时时间间小小于于一一分钟。分钟。

10、3.一一次次全全光光谱谱扫扫描描，可可以以获获得得各各类类化化学学成成分分定定性性或或定定量量的的数数据据，因因此此具具有有同同时时分分析析多多种化学成分的能力。种化学成分的能力。4.可可以以透透过过玻玻璃璃和和一一些些塑塑料料包包装装直直接接进进行行测测量量，属属于于非非破破坏坏性性分分析析方方法法，通通过过光光纤纤探探头头等等辅辅助助设设备备，使使其其可可以以进进行行生生产产过过程程的的在在线线监监测测并并且且适适用用于于不不同同的测试环境。的测试环境。5.维维护护费费用用及及分分析析成成本本比比普普通通色色谱谱分分析析技技术低，一般不耗费化学溶剂或试剂。术低，一般不耗费化学溶剂或试剂。6

11、.仪仪器器操操作作简简单单，一一般般操操作作人人员员均均可可操操作作使用。使用。缺点：缺点：1.1.测试灵敏度相对较低测试灵敏度相对较低(0.1%)(0.1%)2.2.一种间接分析技术一种间接分析技术3.3.信号重叠严重信号重叠严重,难以判断物质化学结构难以判断物质化学结构,需化需化学计量学的大力协助学计量学的大力协助4.4.易受样品物性或周围环境的影响易受样品物性或周围环境的影响,若无谨慎若无谨慎规则规则,较难取得稳健的模型较难取得稳健的模型5.5.需长期依赖技术支援（建模、光谱库、维修需长期依赖技术支援（建模、光谱库、维修等）等）目前，将近红外用于假药的识别成为药物分析领域一个新的热点。国

12、外的研究刚刚起步且局限于辅料间有所差异的不同生产厂家的同一品种药物的鉴别。与国外相比，我们所要建立的模型在样品来源、种类、影响因素等方面更加复杂。假药识别假药识别第二部分第二部分 近红外药品鉴近红外药品鉴别系统介绍别系统介绍车载型近红外分析仪车载型近红外分析仪是否为标签是否为标签标示药品标示药品(定性定性)是否为特定是否为特定企业的产品企业的产品(定性定性)药品质量药品质量快速检验快速检验(定量定量)（二）车载近红外药品快速分析流程（二）车载近红外药品快速分析流程建立模型建立模型测定未知样品测定未知样品1.选择代表性样品测试选择代表性样品测试2.计算平均光谱和阈值计算平均光谱和阈值3.建立和检

13、验模型建立和检验模型1.测定未知样品光谱测定未知样品光谱2.调用模型调用模型3.鉴定未知样品鉴定未知样品 Sample Identified as Material X（三）定性分析（三）定性分析定性分析阈值的确定定性分析阈值的确定测定未知样品的原理测定未知样品的原理未知样品可以被鉴定未知样品可以被鉴定:D(X-A)D(B)建立定性模型的难点建立定性模型的难点第一个难点：模型的分辨能力不够，对一些近红外谱图差异较小的物质不能被正确识别。第二个难点：算法的局限性，使得一些近红外图谱差异较大，但谱图满足一定数字关系的物质被错误识别。第三个难点：代表性样品的收集。第一个难点：第一个难点：阿莫西林钠与

14、阿阿莫西林钠与阿莫西林钠莫西林钠/克拉维酸克拉维酸钾（钾（5:1)5:1)制剂的近红制剂的近红外光谱非常相似，采外光谱非常相似，采用全谱识别时，二者用全谱识别时，二者不能相互识别。不能相互识别。利用局部特征谱利用局部特征谱段的差异，可以有效段的差异，可以有效地识别结构类似物。地识别结构类似物。阿莫西林钠（紫色）与阿莫西林钠克阿莫西林钠（紫色）与阿莫西林钠克拉维酸钾（红色）近红外光谱的比较拉维酸钾（红色）近红外光谱的比较 第二个难点：第二个难点：300300张维生素张维生素C C片近红外光谱有片近红外光谱有281281张被错误的识别为张被错误的识别为罗红霉素片。罗红霉素片。利用全谱进行利用全谱进

15、行识别时，较少发生识别时，较少发生第二类识别错误第二类识别错误 。罗红霉素片剂平均光谱（紫色）与维罗红霉素片剂平均光谱（紫色）与维生素生素C片剂平均光谱（蓝色）的比较片剂平均光谱（蓝色）的比较建模思路建模思路1 1：结构相近的同系物药物放在一组进行识别：结构相近的同系物药物放在一组进行识别水杨酸类：水杨酸类：母核母核代表品种：代表品种：水杨酸水杨酸 水杨酸钠水杨酸钠 对氨基水杨酸钠对氨基水杨酸钠 阿司匹林阿司匹林 贝诺酯贝诺酯识别模型识别模型（根据（根据NIR光谱的差异对光谱的差异对同类药品进行识别）同类药品进行识别）确证模型确证模型（利用（利用NIR全谱进一步全谱进一步排除第二类识别错误）排

16、除第二类识别错误）实现唯一鉴别实现唯一鉴别鉴别为已知品种鉴别为已知品种鉴别为假药鉴别为假药鉴别终止鉴别终止建模思路建模思路2 2：采用：采用“两步识别两步识别”的方案的方案建模思路建模思路3 3：适当调整模型中各品种的阈值：适当调整模型中各品种的阈值大样本根据正态分布的规律，将阈值定为均值2SD，可以保证有95的样品预测准确小样本则根据结构相近物质大样本的阈值做适当调整能够满足近红外分析方法做药品检验现场初筛的目的。近红外模型建立的总体框架近红外模型建立的总体框架琥乙红霉素片 剂粉针剂胶囊剂铝塑包装非铝塑包装铝塑包装非铝塑包装去糖衣片*理论上讲，同一品种非铝塑包装的模型准确度较铝塑包装模型高（

17、五）模型传递（五）模型传递 模型传递是指在近红外光谱分析应用过程中，采用数学处理的方法，使得不同仪器上采集的数据，使用相同分析模型处理时，能得到相同的结果。保证模型传递准确性的关键保证模型传递准确性的关键 干涉仪是保证傅立叶变换近红外光谱仪模型传干涉仪是保证傅立叶变换近红外光谱仪模型传递准确性和测定准确性的关键。递准确性和测定准确性的关键。立体角镜立体角镜 采用立体角镜偶合等技术为基础的8台傅立叶变换型近红外光谱仪之间传输 间苯二酚水溶液定量模型，在未对模型进行任何校正的情况下，对一批样品（300g/l）每台仪器每星期测定10次，连续测定60个星期，其测定结果显示，仪器间的测定误差（SD0.22%）及 不 同 时 间 的 测 定 误 差（SD0.13%）均可以忽略，即现代近红外光谱仪已经较好的解决了模型传输中的准确性问题。解决模型传递问题的策略解决模型传递问题的策略1.至少采用3台仪器上测量的数据建立模型；2.校准X轴（仪器出厂时和设定仪器自检初值时），保证各台仪器上所测量数据的一致性。3.采集未知样品谱图时严格按照SOP的要求。4.按照规定，做仪器自检，以避免由仪器失准带来的预测误差。由于由于X轴偏移引起的错误谱图与正确谱图对照轴偏移引起的错误谱图与正确谱图对照蓝色：X轴偏移后出现的问题谱图粉色：正常谱图