近红外的光谱分析技术在制药领域中的应用.docVIP

近红外光谱分析技术在制药领域中的应用 瞿海斌 杨海雷 浙江大学中药科学与工程学系，杭州 310027 近红外光谱区域是人们发现的第一个非可见光谱区域，它是由Hershel在1800年所观察到[1]。但是由于缺乏仪器基础，直到上世纪50年代以前，近红外光谱技术一直没有得到实际应用。上世纪50年代中期以后，随着简易近红外光谱仪的出现及美国农业部的Karl Norris等人所做的工作，使近红外光谱技术在农副产品分析中得到广泛应用[2]。20世纪60年代后，由于中红外光谱技术的快速发展和应用，加之近红外光谱技术自身的灵敏度低、抗干扰性差等缺点，使人们淡漠了该技术在分析测试中的应用。1983年，Wetzel称之为“光谱技术中的沉睡者（Sleeper among spectroscopic techniques）” [1]。 80年代以后，随着计算机技术、化学计量学技术及仪器分析技术的发展和应用，人们重新认识了近红外光谱的价值，并使其发展成为了一门独立的分析技术，1988年成立了国际近红外光谱协会（CNIRS）[3]。由于应用领域的不断扩展，McLure在1994年发表了一篇题为“The giant is running strong”的论文[1]。1998年，Davies撰文讨论了近红外光谱技术的潜在用途和发展趋势，并将其描述为光谱领域中“从沉睡者变为了启明星（from sleeping technique to the morning star of spectroscopy）”的技术[4]。 我国对近红外光谱技术的研究起步较晚，但1995年以来有关这一技术的应用研究逐步增多。目前，已有中国石化研究总院和北京第二光学仪器厂开发出商用近红外光谱仪[5]。 1. 近红外光谱分析技术简介 1.1 近红外光谱特征和应用特点 近红外光指可见光谱区到中红外光谱区之间的电磁波，美国材料实验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）将近红外谱区的范围定义为780 ~ 2526 nm（12820 ~ 3959 cm-1），其光谱信息来源于分子内部振动的倍频吸收与合频吸收。通常把近红外光谱分为两段，即短近红外波段（SW-NIR，700 ~ 1100 nm）和长近红外波段（LW-NIR，1100 ~ 2500 nm）[6]。图1-1为近红外波长范围示意图。 图1-1 近红外光谱波长范围及其特点 近红外光是一种电磁波，具有光的属性，即同时具有“波”及“粒”的二重性，我们对光的能量可以用光子表示为： 其中，为普兰克常数，为光的频率。 近红外的光子能量也可以用上述公式定量描述。从光源发出的红外光照射到由一种或多种分子组成的物质上，如果分子振动或转动状态变化或者分子振动或转动状态在不同能级间的跃迁，等于近红外光谱区域某波长处光子的能量，则产生近红外光谱吸收。分子的能量跃迁包括基频跃迁（对应于分子振动状态在相邻振动能级之间的跃迁）、倍频跃迁（对应于分子振动状态在相隔一个或几个振动能级之间的跃迁）和合频跃迁（对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁）。 近红外光谱信息主要反映的是有机物分子中C-H、N-H、O-H等含氢基团的在中红外吸收基频(4000－1600cm-1)的倍频和合频吸收，这些含氢基团吸收频率特征性强，受分子内外环境的影响小，而且在近红外谱区比中红外谱区的样品光谱特性更稳定。近红外与其它电磁波谱所包含信息的比较见表1。 表1. 不同电磁波谱区域的光谱特征 光谱范围 波长 (nm) 光谱特征 紫外 190-360 离域π电子跃迁，如芳环特征等 可见光 360-780 电子跃迁：如颜色的测量 近红外 780-2500 分子振动基频的倍频和合频的谱带 中红外 2500-25000 基频分子振动：伸缩，弯曲，摇摆和剪切 近红外光谱同中红外相比有以下特征：① 信号频率比中红外区高，介于中红外区和可见光区之间，且类似于可见光，信号易获取与处理；② 近红外光谱信息类似于振动光谱的中红外区，但信息量丰富，包含大量含氢基团的结构信息，同一基团常在近红外谱区的多个位置具有吸收；③ 近红外信息强度比中红外区低，谱峰宽，吸收弱，光谱容易变动，背景复杂，吸收峰重叠。 近红外波段的光谱特征决定了近红外光谱分析技术与常规分析技术相比，具有显著的优越性[1]： ①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，对某些无近红外光谱吸收的物质（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。适合近红外光谱测量的物质种类范围和场合非常广泛。 ②物质在近红外区域的吸收系数小，分析过程简单：作为分子振动能级跃迁产