近紅外技術(shù)

1、近紅外技術(shù)（Near infrared）及其在藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,,X射線(xiàn) 遠(yuǎn)紫外光 近紫外光 可見(jiàn)光 近紅外中紅外 遠(yuǎn)紅外 微波 射頻,,,,,,,,,100 nm 200 nm 400 nm 800nm(0.8?m) 50 ?m 400 ?m 1m 5m,電子能級(jí)躍遷,分子振動(dòng)與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷,轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷,電子和核自旋能級(jí)躍遷,電磁

2、波譜,什么是紅外光譜（IR）？,紅外光譜是由于分子的振動(dòng)能級(jí)的躍遷而產(chǎn)生的，當(dāng)物質(zhì)吸收一定波長(zhǎng)的紅外光的能量時(shí)，就發(fā)生振動(dòng)能級(jí)的躍遷。 分子的振動(dòng)分為：伸縮振動(dòng)（?）、彎曲振動(dòng)（?）。,,分子的振動(dòng)類(lèi)型 （1）Streching Vibration——成鍵原子沿著鍵軸的伸長(zhǎng)或縮短（鍵長(zhǎng)發(fā)生改變，鍵角不變）。 ? Diatomic molecular ------ a streching vibratio

3、n,,（2）彎曲振動(dòng) (Bending Vibrations)—引起鍵角改變的振動(dòng),,紅外光能量（△E=0.05-1.0ev）紫外光能量（△E=1-20ev）IR能量較低，能引起分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)的躍遷，又稱(chēng)為分子振動(dòng)光譜或振轉(zhuǎn)光譜。,紅外光譜的特點(diǎn),1、特征性強(qiáng)構(gòu)成化合物的原子質(zhì)量、化學(xué)鍵、原子的連接次序和空間位置不同都會(huì)造成紅外光譜的差別。 2、適用范圍廣： 固態(tài)、液態(tài)或氣態(tài)都可進(jìn)行測(cè)定。,重要區(qū)域,

4、（1）近紅外：波長(zhǎng)在0.76-2.5μ m之間（波數(shù)12820-4000cm-1）（2） 中紅外：波長(zhǎng)在2.5-25μ m（在4000-400 cm-1，通常所用的紅外光譜是在這一段的（2.5-15μ m，即 4000-660 cm-1）光譜范圍（3） 遠(yuǎn)紅外：波長(zhǎng)在25~1000μ m（在400-10 cm-1）,中紅外區(qū)域,? 特征吸收峰和指紋區(qū)在紅外光譜上波數(shù)在 3800~1400cm-1 高頻區(qū)域的

5、吸收峰主要是由化學(xué)鍵和官能團(tuán)的伸縮振動(dòng)產(chǎn)生的,故稱(chēng)為特征吸收峰(或官能團(tuán)區(qū))。在紅外光譜上波數(shù)在1400~650cm-1 低區(qū)域吸收峰密集而復(fù)雜，像人的指紋一樣，所以叫指紋區(qū)。,中紅外區(qū)域,官能團(tuán)區(qū)分為：X-H區(qū)、三鍵區(qū)和雙鍵區(qū)。,主要官能團(tuán)的吸收區(qū)域,紅外光譜表示方法,橫坐標(biāo)：吸收波長(zhǎng)(?)或波數(shù)(?)。吸收峰位置?？v坐標(biāo)：透過(guò)率(T%)或吸光度(A)。吸收峰強(qiáng)度。,什么是近紅外光譜（NIR）？,屬于分子振動(dòng)光譜ASTM（美

6、國(guó)試驗(yàn)和材料協(xié)會(huì)）將近紅外光譜區(qū)的范圍定義為780--2526nm (12820~3959cm-1)，分為短波(780一1000nm)和長(zhǎng)波(1100一2526nm)兩個(gè)區(qū)域主要反映分子中C一H、N一H與0一H基團(tuán)的倍頻和合頻振動(dòng)吸收,與其他光譜的比較,信息特點(diǎn),信號(hào)頻率類(lèi)似可見(jiàn)光，易于采集和處理光譜信息類(lèi)似于中紅外，信息豐富信息強(qiáng)度比中紅外區(qū)低，譜帶寬，吸收弱，光譜容易變動(dòng)，背景復(fù)雜，吸收峰重疊-----需要經(jīng)計(jì)算機(jī)特

7、殊處理。,近紅外光譜的技術(shù)分類(lèi),常規(guī)分析技術(shù)：透射和反射光譜兩類(lèi)。透射光譜——透明的真溶液或固體樣品，儀器測(cè)量得到的吸光度與樣品的濃度之間遵守比爾一朗伯定律;（比爾郎伯（Lambert-Beer）定律是吸收光度法的基本定律，表示物質(zhì)對(duì)某一單色光吸收的強(qiáng)弱與吸光物質(zhì)濃度和厚度間的關(guān)系。 ）漫反射光譜——固體和半固體樣品——樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息常規(guī)反射光譜——不帶有分析樣品的組成信息,產(chǎn)生與發(fā)展歷史,1800年，人類(lèi)發(fā)現(xiàn)的第一個(gè)

8、非可見(jiàn)光譜區(qū)域，1950年代，初步在農(nóng)副產(chǎn)品上應(yīng)用1960年代，因靈敏度低、抗干擾性差，淡出分析領(lǐng)域“光譜技術(shù)中的沉睡者”。1980年代后，重新被認(rèn)識(shí)，成為一門(mén)獨(dú)立分析技術(shù)，分析化學(xué)領(lǐng)域被譽(yù)為分析“巨人”,技術(shù)優(yōu)勢(shì),1、分析對(duì)象廣泛：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2、吸收強(qiáng)度低，穿透深度大3、分析快速簡(jiǎn)便，無(wú)須復(fù)雜處理，通過(guò)數(shù)?？梢酝瑫r(shí)得到多個(gè)樣品的多個(gè)參數(shù)4、可使用光纖傳輸，近紅外區(qū)的波長(zhǎng)短，

9、不被玻璃或石英介質(zhì)吸收，適用于遠(yuǎn)程控制5、可用于定性定量分析，通過(guò)數(shù)學(xué)矯正模式來(lái)實(shí)現(xiàn)6、無(wú)損樣品，無(wú)污染,技術(shù)不足,1、檢測(cè)極限一般為0.1%，只適合常量分析，尚難以進(jìn)行痕量分析(物質(zhì)中被測(cè)組分含量在百萬(wàn)分之一以下的分析方法稱(chēng)為痕量分析 )。2、一種間接分析技術(shù)，對(duì)于經(jīng)常性的質(zhì)量控制十分經(jīng)濟(jì)且快速，但對(duì)于偶爾的分析或分散性樣品不太適用。,近紅外光譜分析技術(shù)的基本方法,1、代表性樣品選擇——測(cè)量其近紅外光譜。2、數(shù)據(jù)采集—

10、—采用標(biāo)準(zhǔn)或認(rèn)可的參考方法測(cè)定所關(guān)心的組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)。3、建?！ㄟ^(guò)合理的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法建立校正模型，為消除各種因素對(duì)光譜的干擾, 需要對(duì)光譜進(jìn)行預(yù)處理。4、未知樣本組成性質(zhì)的測(cè)定。,近紅外光譜分析技術(shù)的基本方法,定性分析,依靠已知和未知樣品譜圖的比較來(lái)完成的。一般須借助計(jì)算機(jī)模式識(shí)別方法方可完成。方法：相似系數(shù)法、馬氏距離法、主成分分析、主成分分析結(jié)合馬氏距離法、BEAST法、Sn近CA法和人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)法,定量分析

11、,屬于多元校正范疇，最常使用的多元校正算法有多元線(xiàn)性回歸、主成分回歸、偏最小二乘回歸等。,在藥學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用,1、原料藥分析快速測(cè)試原料，保證反應(yīng)的順利進(jìn)行。例：NIR測(cè)量酸的純度，可替代復(fù)雜的微分量熱法、x射線(xiàn)衍射和熱重分析法。采用NIR直接識(shí)別了裝在密閉容器中的材料,2、輔料識(shí)別,快速識(shí)別——色澤、外觀(guān)都非常相似，極易混淆的輔料。用線(xiàn)性判別方法——識(shí)別了在基本物理參數(shù)如密度和結(jié)晶度等方面具有差異的不同藥用輔料;,

12、,采用近紅外光譜對(duì)10種藥物輔料(無(wú)水磷酸氫二鈣、無(wú)水乳糖、乳糖、硬脂酸鎂、淀粉、硫酸月桂酸鈉、聚乙烯毗咯烷酮、微晶纖維素等)進(jìn)行分類(lèi)鑒別。,3、成藥鑒別,快速、直接、原位與非破壞性分析——市場(chǎng)上的假藥、劣藥NIR符合這一需要,4、天然藥物鑒別,快速識(shí)別——產(chǎn)地不同的同一類(lèi)藥材保證其制劑的藥效穩(wěn)定。區(qū)分——各種假冒偽劣品，有效、快速地判別天然藥物的優(yōu)劣真?zhèn)?5、藥物生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控,實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)分析——NRIS分析的特點(diǎn)使得近紅外分析技

13、術(shù)特別適宜于在線(xiàn)的過(guò)程控制分析。,NIR在中藥領(lǐng)域的應(yīng)用,1、中藥材白芷的真?zhèn)闻袆e,中藥材白芷的真?zhèn)闻袆e,中藥材白芷真?zhèn)闻袆e,2、中藥材的產(chǎn)地分析,NIR 光譜分析技術(shù)能夠以非破壞方式從樣本直接獲取分析信息, 有效地避免樣品因預(yù)處理所造成的微量(或次要) 組分的損失以及組分存在形態(tài)變化, 最大限度地保留不同產(chǎn)地的相同種類(lèi)中藥材樣本之間的微小差異, 已經(jīng)廣泛用于判定人參、丹參、黃芪等藥材產(chǎn)地,中藥材的產(chǎn)地分析,黃芪樣本的近紅外光譜的標(biāo)

14、準(zhǔn)偏差圖,黃芪樣本的近紅外光譜的標(biāo)準(zhǔn)偏差圖,3、中藥材成分定量分析,傳統(tǒng)的分析方法是不連續(xù)的, 并且通常情況下1 次分析只能測(cè)定1 種成分或1 個(gè)參數(shù)。而近紅外光譜在線(xiàn)分析技術(shù)可以連續(xù)測(cè)定多個(gè)成分和多個(gè)參數(shù), 極大的縮短了分析時(shí)間, 提高了分析效率,中成藥的近紅外光譜分析,杜德國(guó)等， 應(yīng)用近紅外光譜方法定量分析復(fù)方蘆丁片中蘆丁和維生素C的含量，所建立的預(yù)測(cè)方程對(duì)樣品的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值之間的相關(guān)系數(shù)為99.75%， 具有快速、準(zhǔn)確和無(wú)損等特

15、點(diǎn).,在中藥應(yīng)用中存在的主要問(wèn)題,1、中藥化學(xué)基礎(chǔ)研究的不足2、近紅外光譜技術(shù)存在分析濃度下限明確或潛在可能的有效化學(xué)成分的含量往往達(dá)不到分析的濃度下限對(duì)大類(lèi)組分， 如總黃酮、總皂甙、總生物堿等的分析， 以及提取物中有效組分的分析上是可行、且有優(yōu)勢(shì)3、需要特征信息提取和處理技術(shù)信息弱，存在噪音,中藥領(lǐng)域中的應(yīng)用前景展望,1、近紅外光譜技術(shù)在GAP中的應(yīng)用在對(duì)藥用植物實(shí)行品種、產(chǎn)地、栽培條件等方面的監(jiān)督和管理之后， 能