NIR在工業分析中的應用

化工、食品工業在線監控

近紅外技術在我國石油化工中的應用開始于1997年，由中國石油化工科學研究院開始進行近紅外技術在石油煉制方面的應用研究。1998年，布魯克光譜儀器公司開始與中國石油化工科學研究院合作，進行傅里葉變換近紅外在該行業的應用研究。借助石化產品中有機物的C-H、N-H、O-H、C=O、C=C 和 S-H 等豐富的近紅外光譜信息，完全實現了各種油品、生產過程的組分含量測定。如汽油中苯、烯烴、餾程等；柴油中密度、凝點、餾程、十六烷值等；溶劑油中芳烴、密度、餾程等；石腦油中密度、餾程、PIONA族組成等；重整進料中苯、甲苯、二甲苯、芳烴等；脫硫裝置中烯烴、芳烴、辛烷值等。根據用戶需要，MATRIX-F光譜儀主機可安裝在工業機柜或現場工業小屋中；探頭通過法蘭密封插入到具體的采樣管道中，再通過近紅外光纖將光譜儀主機與探頭連接，實現光信號的傳輸、光譜信息的采集；光譜儀主機通過通訊光纜或網線與控制計算機連接，進行數據采集、分析；控制計算機將近紅外分析的結果通過工業通訊協議傳送到工廠的DCS控制系統，再由DCS調控生產的工藝。

從1998年以來，布魯克光譜儀器公司與國內許多研究單位和企業合作，將近紅外分析技術從石油煉制實驗測試推廣到工業在線監控，為石油化工質量分析和工業控制提供了可靠的數據參數，節省了運行成本和常規儀器消耗，提高了分析速度，增加了質量控制的頻率，為油品調和、工藝優化提供了實時的質量參數，確保產品質量。

圖2 MPA型多功能近紅外光譜儀在制藥行業的應用。

在傳統的肉制品生產中, 生產工藝的執行主要是靠熟練工人的經驗, 憑經驗值進行不同原料肉的混合，無法得到所加脂肪的準確含量，出廠成品的檢測主要由衛檢部門監督、質量檢測部門抽檢。從而導致產品生產過程的各個指標量較難，難以保證產品質量的一致性。另外，傳統檢測方法一般需要樣品前處理，整個檢測過程耗時較長，容易出現檢測被動。近紅外分析技術快速準確的分析，使肉制品加工廠能夠實現生產線的監控，從而使工程師對各生產環節進行及時調控，在生產中或產品出廠前發現問題，及時解決，避免損失。

藥物制劑無損分析

近紅外光譜法可用于原料藥和輔料的分析。早在1988年，Rostaing等就應用傅立葉變換紅外光譜和近紅外漫反射光譜對制藥原料進行了快速鑒別。1995年，Van等首先建立了各種原料的標準指紋近紅外譜庫，對來源不同、在化學或物理性狀方面只具有微小差異的原料，實現了正確判別。Smola等也報道了近紅外在原料藥判別分析上的應用。使用近紅外光譜法對原料進行化學鑒定通常采用建立該原料的光譜庫。如果該原料的譜圖庫建立的比較好，同時包含了化學和物理信息，可用來作原料品質分析。在1990年早期，Viels等用NIR建立了一個新的定性方法，稱作“一致性（conformity）”方法，并且引入了一個新的品質參數—一致性指數（Conformity Index, CI）。他們成功用這個方法替代了藥典方法對氨芐青霉素三水合物的鑒別。值得一提的是，這是首個被美國FDA認可的用于測試人類藥品的近紅外方法。

硬膠囊是一種多樣化的劑型，可填充各種配方形式的藥物，例如粉末、顆粒，微球甚至是液體和半固體等。活性成分、水分含量和溶出度是控制硬膠囊質量的重要指標。1987年Lodder等利用近紅外光譜鑒別了摻雜和沒有摻雜的膠囊。這篇報道是首次使用近紅外方法無損分析技術。在最近幾年里，Reich等通過了大量的數據說明了近紅外透射和反射法在控制膠囊質量方面有非常大的潛力。關于用近紅外分析軟膠囊的報道相對較少，主要是有以下原因：（1）囊殼的顏色在近紅外區有很強的吸收；（2）光譜的采集受形狀的影響較大，例如囊殼的厚度、接縫的影響等；（3）囊殼的水分跟外界環境有很大的關系。Reich等使用近紅外光譜同樣在軟膠囊上做了很多工作。實驗數據表明，解軟凝膠殼的水分和可塑性變化對近紅外光譜的影響是將近紅外技術用于軟膠囊品質分析的先決條件。

圖3 傅里葉變換型近紅外光譜技術提高大飼料集團管理效率。

近紅外光譜技術在藥物制劑分析方面的應用已有了很大的發展。在早期，近紅外光譜法與傳統分析方法一樣，需要用溶劑提取制劑樣品中的待測成分后進行測定。隨著近紅外方法的發展，計算機科學和化學計量學的進步，可以用近紅外光譜法對制劑樣品進行無損分析。最早使用近紅外光譜對片劑藥物進行含量測定的是FAD的Sherken，他用近紅外法測定一系列的甲丙氨脂標準溶液，建立了計算甲丙氨脂含量的校正方程。另外近紅外在透過包裝材料快速無損鑒別片劑的活性成分或輔料是一大優勢。

Dempster等人成功應用近紅外技術透過包裝材料鑒別了不同劑量的安慰劑。目前已經有很多關于近紅外技術快速測定片劑中活性成分的報道，并且一些跨國制藥企業已將近紅外的分析結果作為最終放行數據。

凍干制劑通常是針對一些易水解的藥物，用于提高其穩定性，因此水分含量是凍干制劑一個重要的指標。傳統測水分的方法非常耗時，例如Karl Fischer滴定。而采用近紅外光譜法可直接透過玻璃瓶進行無損分析。Derksen等使用近紅外光譜法測定藥品的穩定性，他將水分含量和活性藥物的含量進行關聯來確定藥品的有效期。Lin和Hsu用5種不同的蛋白質評估近紅外光譜法在不同的算法下測量水分的準確度。

提高飼料生產管理效率

飼料的質量對畜群的生產性能有著重要的影響，對飼料的營養成分含量進行實時可靠的分析是確保飼料質量的重要途徑，傅里葉變換型近紅外光譜技術為飼料和牧草品控提供了一種省時省力的非破壞性分析方法。樣品無需復雜的預處理，可以直接分析，節省了時間，而且無需消耗化學試劑，是一種綠色的分析技術。

同時，近紅外技術為飼料原料的采購、產品生產以及飼料成品的快速定性定量提供了整套檢測方案。從飼料和牧草的原料，制粒加工過程到生產過程中的混合均勻度，再到終產品的品質分析，布魯克公司的近紅外光譜儀隨時可進行分析，而且分析可以在不同場合進行，如生產車間、儲料間、生產線上以及飼料廠的品控實驗室等。不同種類的飼料樣品，如玉米、豆粕、小麥、魚粉、肉骨粉等，均可通過一次掃描，在不到1 min的時間內，同時實現蛋白、脂肪、淀粉、水分、干物質以及其它指標的快速分析。

英國中心實驗室（Central Laboratories，CL)和比利時農業研究中心（Walloon Agricultural Research Centre of Gembloux）是提供近紅外模型的專業機構，依靠豐富的樣品源的優勢，已經建立了包括飼料、飼料原料、寵物飼料、飼料添加劑在內的近紅外模型庫—INGOT，所有模型樣品收集于全球不同的國家，適合在不同的區域使用。INGOT的各級模型均可在布魯克的近紅外儀器上使用。INGOT模型庫可分為即飼料和飼料原料、面粉、動物蛋白、寵物飼料和寵物飼料原料、干牧草和濕牧草幾類。根據選用類型，可只選擇其中某個產品的模型。布魯克公司擁有全套飼料行業應用的模型，可以縮短中小企業開發模型的周期，提高近紅外檢測效率。