近红外技术-ppt课件.ppt

1、医学课件1一、近红外光谱近红外光谱技术二、分析原理三、仪器四、分析流程五、特点六、药物分析中的应用医学课件2一、近红外光谱 近红外区域按美国试验与材料学会的定义是指波长780 nm2500 nm范围内的电磁波，是人们发现最早的处于可见光（360780 nm）和中红外光（250025000 nm）之间的非可见光谱区域。 习惯上，往往将近红外光谱（NIR)分为两个区域。波长780 nm 至 1100 nm的区域称作为短波近红外光谱区，波长1100 nm至2500 nm区域称作长波近红外光谱区。医学课件3二、分析原理 近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。近红外

2、光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团X-H(X :C、N、O)的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。 医学课件4频率 波长范围/nm相对吸收强度 建议光程基频2900320010.14 mm合频220024500.010.12 cm一级倍频160018000.010.12 cm二级倍频115012500.0010.55 cm四级倍频8509400.0001510 cm五级倍频7007800.00051020 cm表1 C-H各级基团倍频在近红外区的分布医学课件5单位cm-1nm基团C-H N-H O-

3、HC-H N-H O-H合频4250 4650 50002350 2150 2000 二倍频 5800 6670 70001720 1500 1430 四倍频 6500 9520 105001180 1050 950 五倍频 11100 12500 13500900 800 740 六倍频 13300 750表2 主要基团与各级倍频吸收带的近似位置医学课件6二、分析原理 主要技术透射光谱技术(700 -1100 nm)反射光谱技术(1100-2500 nm)规则反射漫反射医学课件7二、分析原理 漫反射是从光源出来的光线进入样品内部，经过多次反射、折射、衍射及吸收后返回样品表面的过程，因此，漫反

4、射光是分析光与样品内部分子发生作用的光，负载了样品的结构和组成信息。漫反射几乎可用于各类样品分析。 医学课件8三、仪器 基本构造 (1)光源 (2)分光系统 (3)测样器件 (4)检测器 (5)数据处理系统 (6)记录仪 主要类型(1)滤光片型(2)光栅色散型(3)傅立叶变换型(4)声光调制滤光型 医学课件9三、仪器 性能指标（1）光谱的分辨率分光系统（2）波长准确性模型传递 （3）波长重现性仪器稳定 （4）吸光度准确性 测量结果 （5）吸光度重现性模型效果 （6）吸光度噪音仪器稳定医学课件10三、仪器 傅立叶变换近红外光谱仪是具有较高的分辨率和扫描速度，这类仪器的弱点同样是干涉仪中存在移动性

5、部件，且需要较严格的工作环境。 声光可调滤光器是采用双折射晶体，通过改变射频频率来调节扫描的波长，整个仪器系统无移动部件，扫描速度快。但目前这类仪器的分辨率相对较低，价格也较高。 在与固定光路相匹配的阵列检测器中，常用的有电荷耦合器件（CCD）和二极管阵列（PDA）两种类型，其中CCD多用于近红外短波区域的光谱仪， PDA检测器则用于长波近红外区域。 医学课件11三、仪器 性能指标（1）光谱的分辨率 光谱的分辨率主要取决于光谱仪器的分光系统，对用多通道检测器的仪器，还与仪器的像素有关。分光系统的光谱带宽越窄，其分辨率越高，对光栅分光仪器而言，分辨率的大小还与狭缝的设计有关。仪器的分辨率能否满足

6、要求，要看仪器的分析对象。医学课件12三、仪器（2）波长准确性 波长准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标定波长之差。波长的准确性对保证近红外光谱仪器间的模型传递非常重要。为了保证仪器间校正模型的有效传递，波长的准确性在短波近红外范围要求好于0.5 nm，长波近红外范围好于1.5 nm。医学课件13三、仪器（3）波长重现性 波长的重现性指对样品进行多次扫描，谱峰位置间的差异，通常用多次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏差表示（傅立叶变换的近红外光谱仪器习惯用波数cm-1表示）。波长重现性是体现仪器稳定性的一个重要指标，对校正模型的建立和模型的传递均有较大的影响，同样也会影响最

7、终分析结果的准确性。一般仪器波长的重现性应好于0.1 nm。医学课件14三、仪器（4）吸光度准确性 吸光度准确性是指仪器对某标准物质进行透射或漫反射测量，测量的吸光度值与该物质标定值之差。对那些直接用吸光度值进行定量的近红外方法，吸光度的准确性直接影响测定结果的准确性。医学课件15三、仪器（5）吸光度重现性 吸光度重现性指在同一背景下对同一样品进行多次扫描，各扫描点下不同次测量吸光度之间的差异。通常用多次测量某一谱峰位置所得吸光度的标准偏差表示。吸光度重现性对近红外检测来说是一个很重要的指标，它直接影响模型建立的效果和测量的准确性。医学课件16三、仪器（6）吸光度噪音 吸光度噪音也称光谱的稳定

8、性，是指在确定的波长范围内对样品进行多次扫描，得到光谱的均方差。吸光度噪音是体现仪器稳定性的重要指标。将样品信号强度与吸光度噪音相比可计算出信噪比。医学课件17三、仪器 注意事项 （1）各项性能长期稳定的近红外光谱仪， 是保证数据具有良好再现性的基本要求； （2）功能齐全的化学计量学软件，是建立模型和分析的必要工具； （3）准确并适用范围足够宽的模型。 医学课件18四、分析流程 1 训练集样品的选择训练集样品的选择 选择适宜的训练集样本是建立近红外光谱校正方法的第一步。理想的训练集应该包括尽量多的有代表性的样本，样本的光谱不能因颗粒度、浓度等因素的不同而变化。医学课件19图1 主成分得分图医学

9、课件20四、分析流程 2 标准方法的测定物化性质标准方法的测定物化性质 用标准对照分析方法测定样品的物化性质非常重要。对复杂的天然样品，应选用被大家所接受的、权威的分析方法。由于模型预测结果的准确性很大程度上取决于标准方法测量结果的准确性，为建立高质量的校正模型，标准对照方法的测量误差应降至最小。医学课件21四、分析流程 3 光谱数据的测量光谱数据的测量 在测量光谱数据时，仪器的状态实际每天都在变化，即使在同一天，光谱数据也可能由于光源的温度变化而变化。在对训练集样本或未知样本的光谱进行测量时，实验条件应尽量保持一致。如果可能，进行训练集样本的光谱测定最好不在同一时间进行，这样，可以将时间不同

10、而造成的光谱数据的变化也概括到模型中。医学课件22图2 肝素原料药样品光谱图谱带重叠医学课件23四、分析流程 4 校正模型的建立与验证校正模型的建立与验证 良好的校正模型应当是在用测试集样本对模型进行考核时，其预报结果与标准方法实际测量结果有良好的一致性。一个好的模型意味着它必须是对组成的变化非常敏感，而对其它因素，如仪器、环境的变化不敏感。 医学课件24图3 校正模型评估曲线 医学课件25四、分析流程 5 未知样品的预测未知样品的预测 未知样品的分析过程首先是在相同的仪器条件下测量光谱的，并采用与训练集样本相同的预处理方法，其次是选择适当的校正模型，并对模型的适应度进行检验，根据该模型和未知

11、样品光谱预测其物化性质。医学课件26四、分析流程近红外光谱化学计量学软件训练集样品组成或性质数据组成或性质数据近红外光谱模型未知样品12对比补充医学课件27五、特点（一）（一） 优点优点 1.分析对象广泛分析对象广泛 近红外光谱几乎可用于所有与含氢基团有关的样品物化性质分析，不仅能反映绝大多数有机化合物的组成和结构信息，对某些无近红外吸收的物质(如某些无机离子化合物)，也可通过它对共存的本体物质影响引起的光谱变化，间接地反映它存在的信息。所以适合近红外方法测量的物质种类范围和场合非常广泛。医学课件28五、特点 2.样品预处理简便或无须处理样品预处理简便或无须处理 由于近红外光谱分析可以采用透射

12、、散射和漫反射等光学检测原理，对分析样品的外观宽容度大，使得近红外光谱技术可以用于直接分析液体、固体、半固体和胶体等不同物态的样品。固体样品可以是任何形状的，如水果、谷物或固体药片都可以直接测定，便于检查各部位或每一颗粒的质量。而这些样品，用常规的分析方法是很难直接进行分析的。医学课件29五、特点 3.分析速度快，效率高分析速度快，效率高 近红外光谱的信息必须由计算机进行数据处理及统计分析，一般一个样品取得光谱数据后可以立刻得到定性或定量分析结果，整个过程可以在不到2分钟内完成。而且通过一次光谱的测量和已建立的相应的校正模型，可同时对样品的多个组成或性质进行测定。在工业分析中，可实现由单项目操

13、作向车间化多指标同时分析的飞跃，这一点对多指标监控的生产过程分析非常重要。已有的一些商品模型可以购买，以节省很多建模的费用及时间。医学课件30五、特点 4.便于与光纤相连，实现在线分析便于与光纤相连，实现在线分析 传统的分析技术一般是离线分析方法，分析耗时较长，无法实现连续过程的即时分析和在线制。光导纤维的引进使传统的近红外光谱技术扩展到了过程分析及有毒材料或恶劣环境中样品的远程分析，同时也使光谱仪的设计得以更多用，且小型化。医学课件31五、特点 5.不破坏样品，不用试剂，故不污染环不破坏样品，不用试剂，故不污染环境境 近红外光谱方法可以实现对所有样品的非破坏性分析和检测，并能保证产品的质量一

14、致和稳定。由于近红外光谱分析中只是取得样品的光谱信号，有时甚至可以在原容器中进行测定，样品测定后一般可以送回原生产地或容器，因此测定过程中不消耗其它化学试剂，也不会产生任何污染，所以说近红外光谱技术是一种典型的绿色分析技术，符合当前分析技术的发展趋势。医学课件32五、特点 6.分析成本低分析成本低 近红外区的波长短，因而不被玻璃或石英介质所吸收。所用的样品池容器可以用常用的玻璃或石英制成，因此使用方便，仪器价格也较低。同时由于近红外光谱分析不消耗化学试剂，不破坏待测样品，以及通过仪器的高度自动化提高分析效率，使得近红外光谱分析的成本很低，非常适合于实验室和生产线上大批量样本的分析。与常用的标准

15、或参考方法相比，测试费用可大幅度降低。医学课件33五、特点 7.测试重现性好测试重现性好 近红外光谱分析技术无需预处理，测试结果很少受人为因素的影响，与某些常规分析方法相比，近红外光谱分析技术一般显示出更好的重现性。同时，近红外光谱技术所建立的模型是一个基于开放性的、可拓展的样品数据库的模型，其分析准确度将越来越高。医学课件34五、特点 8.可以用于样品的定性，也可以得到可以用于样品的定性，也可以得到精度很高的定量结果精度很高的定量结果 采用多元校正方法及一组已知的同类样品所建立的定量模型，可以快速得到相对误差小于0.5%的测量结果。定性分析采用模式识别分析方法，先取得一组已知样品的吸光度分布

16、模型，再测得待定性样品在不同波长下的吸光度分布，用聚类原理确定样品是否属于已有的模型。如果已知样品有好几类，则可以从几种模型中选出最接近的一类以定性。医学课件35五、特点（二）缺点（二）缺点 1.不适合于痕量分析不适合于痕量分析 如果面对的样品仅有几毫克或要分析的组分在样品中的含量仅有110-6 ，近红外光谱分析是有困难的，最好去寻求另一种方法。医学课件36五、特点 2.不适合分散性样品的分析不适合分散性样品的分析 近红外分析必须建立在标准分析方法或参考分析方法以及化学计量学基础上，因而必须依赖于复杂的校正体系，标准测量方法以及大量的训练样品。这就要求我们在建立近红外光谱方法之前，必须投入一定

17、的人力、物力和财力才能得到一个准确的校正模型才行。因此，对于经常的质量控制是十分经济且快速的，但对于偶然做一二次的分析或分散性样品不太适用。医学课件37五、特点 3.易受到外界因素的影响易受到外界因素的影响 近红外光谱容易受到测量条件(如温度、仪器)和样品状态等外界因素的影响，引起以系统误差为主的光谱不确定性。例如影响近红外吸收峰位置的因素就有很多。如氢键的影响，会使吸收峰向长波长方向移动：温度升高，会使吸收峰向短波长方向移动。 另外，很多其它的干扰信息，如散射、漫反射等现象引起的光谱变化都会被加载到样品近红外光谱上。这些都使近红外光谱解析更加复杂化。医学课件38六、药物分析中的应用 随着近红

18、外光谱技术及计算机软件技术的发展，近红外光谱在药物分析中的应用也日趋广泛，不论是在定性或定量测定中都显示出了很大的潜力。不但适用于不同状态的药物：原料药、片剂、胶囊及液体制剂；不同类型的药品，如蛋白质、中药、抗生素等；还适用于药物生产过程各个阶段（包括合成、混合、加工、制剂、压片及包装过程）的在线监控和产品鉴定等。医学课件39六、药物分析中的应用（一）中药（一）中药 中药道地性研究 道地药材的表型变异=环境变异+遗传变异 表型特异性研究性状（核心）生境特异性研究土壤(设想）遗传特异性研究DNA和蛋白质(实 现）有效成分含量测定医学课件40六、药物分析中的应用(二二)化学制药过程化学制药过程 （

19、1）合成反应（中间体、预期产物） (2) 原料药与辅料鉴别 （3） 药物制剂（粒径大小、混匀度、水 分检测、结晶度等） （4） 在线监测和实时监测 医学课件41六、药物分析中的应用（三）中西药的共同应用（三）中西药的共同应用 常规有效成分的定量定性测定 真伪药的鉴别 无创血药浓度检测快速无损坏在线医学课件42六、药物分析中的应用（四）总结（四）总结 美国FDA、加拿大及欧洲药监局已正式采用近红外光谱分析技术，取代繁琐的品管分析方法。 中国，在2005年NIR技术刚刚被药典收入，距离大规模的普及应用任重而道远。同时，也应看到近红外光谱分析技术在药物分析应用中有很大的前景。医学课件43医学课件44