书城农业林业近红外光谱快速检测淀粉品质
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第3章 绪论(2)

国内对近红外光谱快速检测技术的研究起步较晚,检测对象也显得比较单一,但随着近红外光谱技术优越性的日益体现,近红外光谱快速检测方法正在得到越来越多的重视及应用。史月华等(2000年)[15]应用近红外光谱法对维生素E进行了定量分析,取得了很好的预测效果;王东丹,李天飞等(2001年)[16]应用傅立叶变换近红外漫反射光谱仪,对300个烟草样品建立了近红外光谱与总糖、还原糖、尼古丁、总氯4种主要成分含量间的关系模型,其各成分近红外预测值与实测值之间的平均相对误差均小于5%,结果证明近红外光谱分析技术可初步用于烟草常规化学成分的快速定量分析;于丽燕等(2001年)[17]探讨了用近红外光谱透射法快速检测酱油中总酸、氨基酸态氮和全氮3种组分的可行性,结果表明近红外光谱法可以满足酱油生产中理化指标所要求达到的测定精度;陈文杰,谭小力等(2002年)[18]利用傅立叶变换近红外光谱仪漫反射技术对完整油菜种子中的6种脂肪酸、硫甙、总氮、含油量9种指标进行非破坏性测定分析研究,利用内部交叉法进行验证,结果表明利用该技术能够满足油菜品质育种中对品种的快速筛选;甘莉,孙秀丽等(2003年)[19]用近红外光谱分析了油菜品质;刘燕德,应义斌(2004年)[20]用近红外漫反射光谱法找出苹果内部糖度定量分析的两类吸收峰,从而为水果内部品质的在线检测提供新思路;白琪林,陈绍江等(2004年)[21]应用近红外光谱技术在国内首次建立了适合不同品种类型、不同生长发育时期和不同部位且适配范围广的近红外漫反射光谱测定玉米秸秆中性洗涤纤维和酸性洗涤纤维含量的稳定校正模型,对青贮玉米秸秆材料快速鉴定和筛选具有重要的意义;芦永军等(2005年)[22]采用近红外光谱分析技术对茶多酚中儿茶素进行了光谱分析,结果表明该技术能够解析出儿茶素中各主要基团在近红外波段的吸收特性,并且结合定标过程定量快速检测总儿茶素在茶多酚中的含量,分析结果给出了较高的精度;张洪江,吴金红等(2005年)[23]运用近红外光谱快速分析技术,使用偏最小二乘法建立了近红外光谱和水稻糙米直链淀粉含量的数学模型,并进行糙米直链淀粉含量预测,结果表明该方法在不破坏样品的前提下快速分析水稻直链淀粉含量,可用于稻种资源的快速鉴定,对于水稻优质育种及其相关研究具有重要意义。

1.3近红外光谱分析技术的特点

在短短的10年内近红外光谱分析技术在很多领域得到广泛的应用,主要因为其有如下几个方面的优越性。

(1)分析速度快,分析效率高

近红外光谱采集时间大约为2s,其后的数据处理等工作都是通过计算机完成,这样,在日常的分析中,5min内即可得到有效的数据表征样品的某些特性。通过一张光谱,便可测得样品的各种成分和物理化学性质。

(2)非破坏性分析,不污染环境

样品分析过程不用进行前期处理,不必做任何形态的改变。近红外光谱的取得是通过漫反射方式,这样从外观到内部都不会对样品造成损伤。对样品本身无消耗,不用使用任何化学试剂,这样,样品仍可送回生产线,且不会对环境造成任何污染,属于“绿色分析”技术。

(3)成本低,操作方便

近红外光谱检测所用的光学材料为石英或玻璃,较紫外光和中红外光检测,其仪器价格偏低。可采用不同形状的探头直接对液态样品检测,并且有更加先进的数据处理软件,便于操作者使用,具有较高的自动化程度。

(4)测试重现性好

由于光谱测量较为稳定,受到人为干扰相对较小,其测试的重现性就比较好。

(5)便于在线分析

由于近红外光谱在光纤介质中具有很好的传输特性,可通过光纤实现远距离检测,即使客观环境危险、恶劣,也不会影响近红外检测。

当然,伴随着以上优点,近红外光谱分析技术也存在着如下的不足:

(1)近红外光谱分析测试的灵敏度相对较低,这主要是因为近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低,一般近红外倍频和合频谱带强度是其基频吸收的十万分之一。所以对组分的分析而言,其含量一般应大于01%才适合采用近红外光谱分析技术。当然这个数值并不是理论限值,随着近红外分析技术的不断发展,相信它的最小检出限还将会有所突破。

(2)近红外光谱分析技术属于一种间接分析技术,且前期投入较多。因为需要选取大量代表性样品进行化学分析,提供其组分或性质的已知数据来建立和维护模型,所以需要较多的化学分析知识、分析费用和时间。另外,近红外光谱分析结果的准确性与定标模型建立的质量和模型的合理使用有很大关系。

(3)由于分析必须要依赖模型,所以近红外光谱分析技术不适合作为样品和所测项目经常变化的分散性样品检测的手段。

1.4近红外光谱分析技术的研究展望

现代近红外光谱分析经过约半个世纪的发展,在理论和技术上已经趋于成熟;但应当指出,近红外方法虽然具有应用广泛、操作简便的优点,但对于还没有建立数学模型,或难以建立数学模型的一些样品,目前还不能用近红外法测定。近红外化学计量方法是通过数学模型来预测未知样品的,由于种种复杂背景的变化,测量方法、测量条件的影响,近红外法不能保证预测的每一个样品达到相同高的准确度,测定结果只能用统计方法给出测定结果的置信度,只能达到一定的准确率。对于广大的近红外光谱分析技术用户,建立优秀的数学模型有时有一定困难,影响了该技术的广泛应用。当前近红外技术需要借助于光学技术、计算机技术(硬件技术、算法、软件技术、网络技术等)与电子技术等当代技术的发展,继续改进软硬件技术,特别应侧重在应用领域的开拓,解决应用中的各种问题。

(1)在降低近红外光谱分析的技术难度上加大研究力度

近红外光谱分析建模过程,对一般使用人员有相当大的困难,为了使该技术成为一项“大众化”的分析手段,应当注意研究降低近红外分析技术的使用难度,特别要以软件技术和网络技术为依托,建立、优化、维护、使用数学模型,发展免建模型的专用仪器以及运用网络技术的近红外光谱仪器,发展新的算法,发展智能化软件。

(2)研究和发展近红外图像分析技术

传统的光谱分析只能得到分析对象空间各点的平均光谱,从而得到对象空间平均的结构与组成,因此通常只能用于均匀物质的分析,但是物体特别是生物体的各种复杂功能主要还是决定于空间各个层次的结构。例如细胞与组织的功能决定于空间微米和亚微米尺度的空间结构;又如,遥感技术要得到地面各点的结构特征,就不能只依靠平均光谱。近年来发展的图像分析可以得到空间分布的信息,但只是形象的信息,不能得到结构和组成的信息。需要把光谱技术和图像技术结合在一起,得到光谱图像即物体空间各个点的光谱,运用化学计量学方法通过对空间各个点的光谱分析,就能得到对象各点的结构和组成信息。由于近红外与中红外谱区信息量丰富,这些谱区的光谱图像技术必将对许多领域,特别是生物学与遥感技术的研究产生重大影响。品质分析从实验室的湿化学分析发展到近红外无损分析,使分析效率提高了一个到几个数量级。如果进一步在田间作物收割前用近红外品质分析遥感技术直接分析作物的品质,还可以使分析效率再提高几个数量级。从光谱图像中提取空间信息目前还缺少有效的算法,为此还需要发展空间化学计量学。

(3)研究和发展近红外过程分析技术

产品质量的保证必须从生产的全过程实现质量的监控,国际产业界对过程控制仪器给予了高度的重视。传统的化学分析方法对原料与产品质量分析费时、费事,难以进行现场分析或在线分析;传统过程控制主要依靠压力、温度、流量等间接参数进行生产监控,而对生产线上的原料、中间产品及最终产品的品质直接快速分析比较困难。由于近红外光谱分析技术可以不需对样品进行前处理,具有同时对多组分进行瞬间分析的能力,因此特别适合于过程分析,直接分析生产线上有关物料的内在品质,并迅速反馈给生产人员进行质量控制或进行自动控制,近红外光谱分析技术是当代过程控制的主导技术。

(4)研究和发展近红外光谱分析技术与其他分析技术的综合应用

近红外技术与其他分析技术一样,有其长处,也有一定的局限性。例如,因为近红外谱区的吸收较低,近红外法的检测低限不如中红外定量分析,不适宜做含量过低的样品、微量样品的显微分析。因为近红外光谱谱峰重叠严重,不宜进行官能团定性分析。因此应注意发展近红外光谱分析技术的综合应用。例如,为了实现对复杂物的综合品质性状的分析,需要运用多种仪器分析手段进行分析,并对各种分析结果取长补短,进行综合分析处理。对此可以研究运用军事科学中近来发展的“数据融合”技术,运用现代计算机技术和数学方法,对多种仪器分析方法得到的信息在一定的准则下加以综合、分析、过滤、相关与合成,并以此辅助对复杂物进行综合性状品质分析。

1.5小结

本章简要介绍了近红外光谱技术的发展历程,以及近红外技术在食品安全检测方面的应用,最后介绍了近红外光谱分析技术的特点及近红外技术研究展望。