红外检测技术在医药学中的应用1摘要近红外（NIR）谱区是人类认识最早的非可见光谱区，波长范围在0.75—2.5 m之间，用波数表示时则在13330—4000cm-1之间。

由于近红外的吸收谱带复杂，谱峰重叠，信号弱，在分析上难以应用，长期以来没有受到人们的重视。

近十多年来，随着近红外仪器的改良，新的光谱理论和光度分析方法的建立，特别是计算机技术和化学计量学的广泛应用和迅速发展，使近红外光谱技术成为目前发展最快、最引人注目的分析技术，并以其简单快速、实时在线、无损伤无污染分析等特点，在复杂物质的分析上得到广泛应用。

在包括制糖和制药的许多与化学分析和品质管理有关的行业中的应用前景极其广阔。

2现代红外光谱分析技术现代近红外光谱（NIR）分析技术是近年来分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。

我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，除一些专业分析工作人员以外，近红外光谱分析技术还鲜为人知。

但1995年以来已受到了多方面的关注，并在仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面取得了较为可喜的成果。

但是目前国内能够提供整套近红外光谱分析技术（近红外光谱分析仪器、化学计量学软件、应用模型）的公司仍是寥寥无几。

随着中国加入WTO及经济全球化的浪潮，国外许多大型分析仪器生产商纷纷登陆中国，想在第一时间占领中国的近红外光谱分析仪器市场。

由此也可以看出近红外光谱分析技术在分析界炙手可热的发展趋势。

在不久的未来，近红外光谱分析技术在分析界必将为更多的人所认识和接受。

现代近红外光谱分析是将光谱测量技术、计算机技术、化学计量学技术与基础测试技术的有机结合。

是将近红外光谱所反映的样品基团、组成或物态信息与用标准或认可的参比方法测得的组成或性质数据采用化学计量学技术建立校正模型，然后通过对未知样品光谱的测定和建立的校正模型来快速预测其组成或性质的一种分析方法。

与常规分析技术不同，近红外光谱是一种间接分析技术，必须通过建立校正模型（标定模型）来实现对未知样品的定性或定量分析。

具体的分析过程主要包括以下几个步骤：一是选择有代表性的样品并测量其近红外光谱；二是采用标准或认可的参考方法测定所关心的组分或性质数据；三是将测量的光谱和基础数据，用适当的化学计量方法建立校正模型；四是未知样品组分或性质的测定。

由近红外光谱分析技术的工作过程可见，现代近红外光谱分析技术包括了近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三部分。

三者的有机结合才能满足快速分析的技术要求，是缺一不可的。

与传统分析技术相比，近红外光谱分析技术具有诸多优点，它能在几分钟内，仅通过对被测样品完成一次近红外光谱的采集测量，即可完成其多项性能指标的测定（最多可达十余项指标）。

光谱测量时不需要对分析样品进行前处理；分析过程中不消耗其它材料或破坏样品；分析重现性好、成本低。

对于经常的质量监控是十分经济且快速的，但对于偶然做一两次的分析或分散性样品的分析则不太适用。

因为建立近红外光谱方法之前必须投入一定的人力、物力和财力才能得到一个准确的校正模型。

近红外光谱主要是反映C-H、O-H、N-H、S-H等化学键的信息，因此分析范围几乎可覆盖所有的有机化合物和混合物。

加之其独有的诸多优点，决定了它应用领域的广阔，使其在国民经济发展的许多行业中都能发挥积极作用，并逐渐扮演着不可或缺的角色。

主要的应用领域包括：石油及石油化工、基本有机化工、精细化工、冶金、生命科学、制药、医学临床、农业、食品、饮料、烟草、纺织、造纸、化妆品、质量监督、环境保护、高校及科研院所等。

在石化领域可测定油品的辛烷值、族组成、十六烷值、闪点、冰点、凝固点、馏程、MTBE含量等；在农业领域可以测定谷物的蛋白质、糖、脂肪、纤维、水分含量等；在医药领域可以测定药品中有效成分，组成和含量；亦可进行样品的种类鉴别，如酒类和香水的真假辨别，环保废弃物的分检等。

3近红外光谱技术的发展历史近红外光谱技术的发展大体上可分为5个阶段。

在发现近红外谱区后的150年中，其应用极为有限，被行内人士称为“被遗忘的谱区”。

直到20世纪50年代，由于近红外仪器的进步和Norris等人所做的大量研究工作，近红外光谱分析技术首先在农产品品质快速分析中得到广泛应用。

由于经典近红外光谱分析的灵敏度低、抗干扰性差，该项技术的研究和应用进入了一个沉默时期。

80年代以后，计算机技术的飞速发展，带动了仪器数字化和化学计量学（Chemometrics）学科的发展，也使以弱信号和多元信息处理为基本特征的近红外光谱分析获得了技术支持和依靠。

90年代以后，近红外光谱技术步入快速发展时期。

计算机技术、数字化仪器和化学计量学方法的有机结合，形成了现代近红外光谱技术。

化学计量学方法和分析软件成为现代近红外光谱技术的重要组成部分。

在欧美等发达国家中近红外光谱分析仪已成为品管实验中必备的仪器。

4红外光的区划红外线：波长在0.76~500μm (1000μm) 范围内的电磁波近红外区（NIR）:0.76~2.5μm（760~ 2500nm）-OH和-NH倍频吸收区中红外区（MIR）:2.5~25μm （4000~ 400cm-1）振动、伴随转动光谱远红外区（FIR）:25~500μm 纯转动光谱紫外-可见（UV-VIS）:190 ~900nm 电子光谱5红外光谱的作用绝大多数有机化合物的基频吸收带出现在MIR光区。

基频振动是红外光谱中吸收最强的振动，最适于进行红外光谱的定性和定量分析。

中红外光谱仪最为成熟、简单，因此它是应用极为广泛的光谱区。

通常,中红外光谱法又简称为红外光谱法。

红外光谱是鉴别物质和分析物质化学结构的有效手段，已被广泛应用于物质的定性鉴别、物相分析和定量测定，并用于研究分子间和分子内部的相互作用6近红外光谱技术的特点与传统化学分析方法相比，近红外光谱分析技术有鲜明的技术特点1、分析速度快。

扫描速度快，可在数十秒内获得一个样品的全光谱图，通过数学模型既可快速计算出样品的浓度。

2、多种成分同时分析。

一次全光谱扫描，可获得多种成分的光谱信息，通过建立不同的数学模型，就可定量分析样品的多种物质成分。

3、无污染分析。

样品不需特别的预处理，不使用有毒有害试剂。

根据样品的物质状态和透光能力采用透射或漫反射方式测定，可直接测定不经预处理的液态、固态或气态样品。

4、无损伤分析。

测定过程不破坏或消耗样品，不影响外观、内在结构和性质。

5、实时分析和远距离测定。

实时在线分析特别适合工业生产上应用。

利用光导纤维技术远离主机取样，将光谱信号实时传送回主机，直接计算出样品成分的含量。

6、操作简单，分析成本低。

除需要电能外，不需要任何耗材，大大地降低测试费用。

操作上不需要专门技能和特别训练。

近红外光谱分析技术也有其固有的弱点。

该项技术是一种间接的分析技术，它必须依赖常规的化学分析方法，测定出特定背景范围内多个标准样品成分的化学值，利用化学计量学方法建立数学模型，并通过数学模型计算待测样品的成分含量。

数学模型预测的准确性与常规化学分析的准确性、建模样品的代表性、模型使用的合理性有很大关系。

另外，近红外光谱分析的测试灵敏度较低，待测样品的成分含量一般不少于0.1%。

7近红外仪器的类型和特点近红外光谱仪器已由传统的滤光片型、光栅色散型，发展到目前流行的主导产品傅立叶变换型。

滤光片型仪器是主要用于专用分析仪器。

该类仪器的波长准确性差，测量准确性也就差，建立的数学模型不能转移。

由于滤光片镀膜分子经常变化，引起内部波长漂移，所建立的分析数学模型要经常校正误差，使用很麻烦，应用局限性大，数学模型不能传递。

该类仪器的价格也便宜。

光栅色散型仪器是70-80年代常用的仪器类型，其采用全息光栅分光、PbS或其他光敏元件作检测器，有较高的信噪比，但波长准确度仍较低，数学模型仍不能传递。

仪器中可动部分可能磨损，影响光谱采集的可靠性，不适合在线分析。

该类仪器的价格较滤光片型仪器贵。

傅立叶变换近红外光谱仪是90年代中期以后市场的主导产品，其较传统的滤光片型和光栅色散型近红外光谱仪有更为明显的优点，表现为波长准确度和分辨率更高、扫描速度更快、不受自然散光影响、检出限量高等；由于这些优点，用户在使用时不需要对仪器进行外部校准，数学模型在同类型仪器间转移和传递成为可能。

另外，光导纤维探头和积分球采样系统等附件的应用，对不规则样品的分析测定就更加方便。

样品的形态可以是固体、粉末状、颗粒状、液体，甚至气体。

可远距离提取样品光谱信息，从而实现在线分析。

这些技术的发展，大大拓宽了近红外光谱分析的应用范围。

该类仪器价格较贵。

8 NIR-AOTF光谱技术近红外光谱最突出的研究进展是能够实现药品和食品生产的在线过程控制，因此在多种物质品质检测方面有着良好的应用前景和市场潜力。

NIR-AOTF是20世纪90年代近红外光谱（near-infrared spectroscopy，NIR）最突出的进展——声光可调（acousto-optic tunable filter，AOTF）近红外光谱仪。

它不仅结构简单、体积小、重现性好，而且采用了全固态一体化的密封设计，具有优异的抗震性能，且对温度、湿度、灰尘均有较好的适应性。

NIR-AOTF在国外主要用于制药过程控制，推广NIR-AOTF 光谱技术在制药过程控制领域的应用，对提高药品质量有重要意义。

8.1 NIR-AOTF光谱技术的原理和性能NIR-AOTF的核心分光器件AOTF采用单晶体设计。

因设备内部构造简单、光径最短，保证了最大光学效能输出，满足了生产在线快速无损检测需求。

近红外光谱区（780～2 526 nm）的光谱信息来源于分子内部振动的倍频吸收和合频吸收。

传统的近红外光谱分析的专一性差、模型性能不稳定、难以实现在线检测[1,2]。

随着计算机技术和光学技术的迅速发展，NIR-AOTF除具有传统近红外傅立叶变换分光系统的优点外[3]，还具有以下性能：（1）信噪比比傅立叶变换技术高10～100倍，可以检测药物中痕量物质的含量；（2）采用全固化设计，没有任何可移动和转动的部件，具有很好的抗震性能，不仅可随混合器一起转动，而且仪器不需要定期校准，长时间运行数据稳定可靠，适用于在线连续长时间检测；（3）在中药提取和浓缩的在线检测中，仪器不受温度、湿度、灰尘等外界环境的影响，不受管路中气泡的影响，不需预处理就能准确测定提取液和浓缩液中万分之几的低含量指标；（4）光谱测量技术与化学计量学学科有机结合，具有强大的软件功能，包括光谱采集软件SNAP!2.03和化学计量学软件The Unscrambler，这些软件集成仪器能够在线实时显示各项指标数据，精度高，移植性好8.2 NIR-AOTF光谱技术在制药过程控制中的应用进展NIR-AOTF在制药工业中的应用日趋广泛，从药物的定性、定量分析，到生产过程各阶段如提取、浓缩、合成、混合、干燥、压片及包装等的在线监控，表现出巨大的潜力。