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1、大家好大家好1FOSS FOSS 近红外技术在农业近红外技术在农业/ /食品应用举例食品应用举例农农业业 食食品品加加工工 乳乳制制品品 配配合合饲饲料料 Moisture, CP. EE, Fiber, Ash, Ca, P, Salt, AA, ME 糖糖品品中中锤锤度度和和旋旋光光度度 黄黄油油，乳乳酪酪中中的的油油份份和和水水分分 食食用用油油的的碘碘值值IV, POV, PHOS, FFA, Moisture, SFC 鲜鲜奶奶中中的的水水分分，乳乳脂脂和和总总固固形形物物 饲饲草草 糕糕点点中中蛋蛋白白，油油份份和和水水分分 乳乳清清制制品品中中的的蛋蛋白白和和总总固固形形物物 青
2、青储储饲饲料料 啤啤酒酒和和饮饮料料中中的的酒酒精精 奶奶粉粉中中的的水水分分、蛋蛋白白、油油份份和和灰灰份份 酸酸奶奶中中乳乳脂脂 & 总总固固形形物物 2NIRNIR技术技术目前所获得的国际目前所获得的国际认可认可AACC39-21 (大豆中的蛋白大豆中的蛋白,油份油份 , 水分水分)39-21A (小麦中蛋白小麦中蛋白、水分、水分) Foss TecatorAOAC 989.03 (蛋白蛋白, 酸性洗酸性洗涤纤维涤纤维,水分水分)Foss NIRSystemsUSDA89-01 (大豆中的蛋白大豆中的蛋白，油份油份)90-101 (小麦中的蛋白小麦中的蛋白) Foss TecatorAC
3、CC小麦中的蛋白小麦中的蛋白,硬度，水分硬度，水分Foss NIRSystems31975年加拿大谷物委员会正式确定NIR为该国官方的蛋白质分析方法1979年NIR成为官方分析油料中单葡萄糖苷的快速测定方法1983年成为快速测定油料中不饱和脂肪酸的官方分析方法41984 美国公职分析家学会(AOAC) 989.03: NIR成为分析饲料中蛋白，酸性洗涤纤维，中性 洗涤纤维 的标准方法1985年国际谷物技术协会采用NIR技术测定蛋白5近红外技术在我国饲料研究与应用进展近红外技术在我国饲料研究与应用进展七五期间，近红外定标软件的研制列入国家攻关计划。在此期间以中国农科院畜牧研究所为首，全国近20家
4、研究所联合完成了饲料用玉米等九个能量饲料大豆粕等4个蛋白饲料苜蓿粉等7个粗饲料蛋鸡配合料干物质，粗蛋白，粗纤维，和灰分组分的定标数据库建立和定量分析工作6近红外技术在我国的研究与应用进展近红外技术在我国的研究与应用进展6个饲料的消化能和代谢能含量分析大麦等4个饲料原料的氨基酸分析米糠饼等6个饲料的植酸磷分析饲料添加剂中喹乙醇分析的定标工作这些工作为NIR技术在我国农业上的应用提供了大量的基础数据7NIRNIR技术技术已正式列入我国饲料国标已正式列入我国饲料国标GB /T 18868-2002 GB /T 18868-2002 饲料中水分、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨饲料中水分、粗蛋白、
5、粗纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨酸、快速测定近红外光谱法酸、快速测定近红外光谱法Method for determination of moisture, crude Method for determination of moisture, crude protein, crude fiber, crude fat , lysine and protein, crude fiber, crude fat , lysine and methinionemethinione馔写人馔写人 国家饲料质量监督检验中心国家饲料质量监督检验中心 杨曙明杨曙明 宋荣宋荣8近红外光谱理论近红外光谱理论9近红外光谱
6、波长范围近红外光谱波长范围紫外紫外可见可见近红外中红外25004,000官能团定性分析官能团定性分析分子光谱分子光谱成分定量分析成分定量分析分子光谱分子光谱表观颜色分析表观颜色分析定量分析定量分析分子光谱分子光谱80014,28540025,000200 50,00025,000 nm400cm-110近红外是如何工作的近红外是如何工作的? ?u近红外光谱研究物质分子对近红外光（能量）的吸收近红外光谱研究物质分子对近红外光（能量）的吸收u界于电磁波谱界于电磁波谱800-25800-2500nm00nm光谱区段光谱区段u它属于分子光谱的研究范畴，即研究物质分子与电磁波的相互作用它属于分子光谱的研
7、究范畴，即研究物质分子与电磁波的相互作用. . 11光谱理论光谱理论u广义的红外光谱（包括中红外光谱及近红外光谱）广义的红外光谱（包括中红外光谱及近红外光谱）是由分子振动吸收引起的是由分子振动吸收引起的u红外活性分子红外活性分子( (包括对中红外及近红外谱区能量吸包括对中红外及近红外谱区能量吸收分子）可理解为收分子）可理解为 一振动双极的机械模型（双极一振动双极的机械模型（双极具有具有 电荷分离），每一双极模型其振动具有特殊电荷分离），每一双极模型其振动具有特殊的频率及振幅。的频率及振幅。12伸缩振动伸缩振动13弯曲弯曲 振动振动- - 面内弯曲面内弯曲 (1)(1)14弯曲振动弯曲振动 面外
8、弯曲面外弯曲 (2) (2)15光谱理论光谱理论. .u频率频率 是指单位 时间的振动数目u振幅振幅 是 振动双极的振动距离16光谱理论光谱理论. .u当光能与分子振动能量相匹配时，分子将吸收光能，当光能与分子振动能量相匹配时，分子将吸收光能，振动能级将跃迁为新能级，表征为振动振幅的增加振动能级将跃迁为新能级，表征为振动振幅的增加u在新能级时，分子振动频率保持不变在新能级时，分子振动频率保持不变17分子振动能级跃迁分子振动能级跃迁18 近红外区吸收近红外区吸收u近红外光谱主要是由分子中近红外光谱主要是由分子中O-H, N-H, C-H, S-H O-H, N-H, C-H, S-H 键的振动键
9、的振动 吸吸收引起的收引起的u是这些振动的组频和倍频吸收带是这些振动的组频和倍频吸收带u近红外区光谱测试成分须含有近红外区光谱测试成分须含有u O-H, C-H, N-H O-H, C-H, N-H 或或 S-H S-H 键键- CH- OH-NH-SH19光谱理论光谱理论u红外活性分子其振动的基频吸收发生在中红外区，在近红外区红外活性分子其振动的基频吸收发生在中红外区，在近红外区，表征为合频吸收及倍频吸收。，表征为合频吸收及倍频吸收。u倍频吸收带约发生在基频吸收倍频吸收带约发生在基频吸收2 - 3 2 - 3 倍基频吸收频率处（或波倍基频吸收频率处（或波长的约长的约 1/2 1/2 及及1/
10、3 1/3 处）处）u当倍频级别增加时，吸收强度将减弱当倍频级别增加时，吸收强度将减弱20 例如: C-H 键的倍频吸收约出现在 2960cm-1 (C-H 伸伸缩缩振振动动) * 2 = 5920cm-1 = 1689nm 2960cm-1 (C-H 伸伸缩缩振振动动) * 3 = 8880cm-1 = 1126nm 倍频吸收带位于倍频吸收带位于基频吸收频率的倍数积处基频吸收频率的倍数积处 21合频吸收带约位于两个或三个合频吸收带约位于两个或三个基频吸收频率之和处基频吸收频率之和处 例例如如: C-H键键的的合合频频吸吸收收带带约约出出现现在在 2960cm-1 (C-H Stretch)
11、+ 1460cm-1 (C-H Bend) = 4420cm-1 = 2262nm 22近近红红外外合合频频及及1级级，2级级倍倍频频吸吸收收带带 2.29 1.84 1.38 .93 .47 .02Log 1/T11001300150017001900210023002500Wavelength (nm)WaterOil232.702.752.802.852.902.953.003.053.103.153.20020406080100= Protein= Oil= Moisture近红外近红外2级，级，3级倍频级倍频24光谱理论小结光谱理论小结uR-H R-H 键振动在近红外区有较强的倍频吸
12、收键振动在近红外区有较强的倍频吸收u近红外光谱主要是由近红外光谱主要是由O-H, N-H, C-H, S-H O-H, N-H, C-H, S-H 键的振动键的振动 吸吸收引起的收引起的u在近红外谱区能量照射下，氢分子中的氢在近红外谱区能量照射下，氢分子中的氢- -氢键由于振动氢键由于振动双极没有发生任何变化，因此没有近红外吸收双极没有发生任何变化，因此没有近红外吸收uR-H R-H 的伸缩振动或的伸缩振动或 R-H R-H的伸缩的伸缩/ /弯曲振动构成了近红外区弯曲振动构成了近红外区的主要吸收带的主要吸收带u研究近红外区光谱吸收，测试成分须含有研究近红外区光谱吸收，测试成分须含有 O-H,
13、C-H, N-O-H, C-H, N-H H 或或 S-H S-H 键键25脂肪在脂肪在NIRNIR的对应基础的对应基础26 蛋白质在蛋白质在NIRNIR的对应基础的对应基础27糖在糖在NIRNIR光谱的对应基础光谱的对应基础28典型的近红外吸收典型的近红外吸收29近红外吸收重要的波长近红外吸收重要的波长 92139CH/CO组合吸收峰组合吸收峰蛋白蛋白/蛋粉蛋粉102180NH键伸缩振动一级倍频键伸缩振动一级倍频蛋白质蛋白质82190CH/CO组合吸收峰组合吸收峰蛋白蛋白/淀粉淀粉72208CH/CO组合吸收峰组合吸收峰尿素尿素/乳糖乳糖52270OH/CO组合吸收峰组合吸收峰淀粉淀粉/糖糖
14、42310CH键伸缩一级倍频键伸缩一级倍频油份油份22336CH/CH弯曲振动一级倍频弯曲振动一级倍频纤维素纤维素/灰份灰份32348CH键伸缩振动一级倍频键伸缩振动一级倍频纤维素纤维素62230参比参比 30近红外吸收重要的波长近红外吸收重要的波长 191445OH键二级倍频键二级倍频水分水分181722CH键二级倍频键二级倍频淀粉淀粉/纤维素纤维素171734SH键二级倍频键二级倍频蛋白质蛋白质151759CH键二级倍频键二级倍频油份油份131778CH/HOH组合吸收峰组合吸收峰淀粉淀粉/纤维素纤维素121818CO键一级倍频键一级倍频纤维素纤维素161940OH键一级倍频键一级倍频水分
15、水分111982NH/酰胺组合峰酰胺组合峰尿素尿素142100COO一级倍频一级倍频淀粉淀粉/蛋白蛋白31WATEROILPROTEINSTARCH3233700100013001600190022002500波长 (纳米)00.20.40.60.81吸光度吸光度 (Log 1/R)三级倍频吸收带三级倍频吸收带二级倍频吸收带二级倍频吸收带一级倍频吸收带一级倍频吸收带合频吸收带合频吸收带尼龙纤维样品的近红外光谱尼龙纤维样品的近红外光谱34随随波波长长变变化化的的一一些些因因素素变变化化趋趋势势随随波波长长变变化化的的一一些些因因素素变变化化趋趋势势在在样样品品中中穿穿透透波波带带叠叠加加吸吸光光
16、度度700nm1100nm1800nm2500nm35近红外检测技术分类近红外检测技术分类NIR = 近红外漫反射技术近红外漫反射技术 Near Infrared ReflectanceNIT = 近红外透射技术近红外透射技术 Near Infrared Transmittance36近红外透射近红外透射/ /漫反射技术漫反射技术透射技术透射技术 (NIT)漫反射技术漫反射技术 (NIR)ITEC169AITEC168ALight sourceLight sourceDetectorDetector37漫反射漫反射38常规分析常规分析UNKNOWNSSPECTRUM0.04 0.09 0.14
17、 0.16 0.26 0.54 0.55 .059 DRY MATTER AS IS GH TPROTEIN 51.4246.28 1.25 2.13FAT 1.96 1.76 1.25 2.13FIBER 5.4 4.86 1.25 2.13DM 100.0090.00 1.25 2.13MOISTURE 0.010.0039有关近红外技术定标有关近红外技术定标采用近红外测定某一产品的成分，首先需要对这个产品的采用近红外测定某一产品的成分，首先需要对这个产品的各种成分定标。各种成分定标。定标建立将采用样品的扫描数据，然后和某一成分的定标建立将采用样品的扫描数据，然后和某一成分的传统分析方法数
18、据相关连传统分析方法数据相关连(通常是化学分析法数据）。通常是化学分析法数据）。一旦某成分定标建立，就可以分析未知样品中此成分一旦某成分定标建立，就可以分析未知样品中此成分的浓度，分析时间只需的浓度，分析时间只需40秒。秒。 40近红外技术的定标过程图例近红外技术的定标过程图例41近红外光谱分析定标技术介绍近红外光谱分析定标技术介绍42近红外光谱分析定标技术介绍近红外光谱分析定标技术介绍未知样品未知样品预测预测43比尔定律比尔定律吸光度与样品浓度间的关系通过比尔定律描述： A = abc 在这里在这里: A = 某一波长的吸光度 a = 摩尔吸光系数 b = 吸收介质的光程 c = 样品浓度4
19、497% OH47%57%85%68%77%吸光度大小与样品浓度成正比吸光度大小与样品浓度成正比.C = B0 + B1X1Concentration % = 0.222 + -1065.8 * Abs at 2064 C B0 B1 X1 45简单的线性回归简单的线性回归uBeer-Lambert 定律u吸收强度与样品浓度成正比u(对漫反射技术，吸光系数和光程是固定的常数)u定标模型可描述为:uC = k0 + k1A1uk0 = 截距 k1 = 斜率 A1 = 吸光度46近红外定量分析方法近红外定量分析方法常规分析常规分析模型验证模型验证散射校正散射校正定标回归技术定标回归技术建立定标模型
20、建立定标模型 样品收集样品收集 线性定标模型线性定标模型Cnirs= B0+ B1*A1+B2*A2+. +Bk*Ak47建立近红外分析方法建立近红外分析方法u建立近红外定量模型的最终目标是一个长期稳定的和可预测的模型。 48建立近红外分析方法建立近红外分析方法.uI.I. 定标样品集定标样品集uA.A.样品数目样品数目- -根据检测成分的数目根据检测成分的数目uB. B. 产品本身的变异程度而定产品本身的变异程度而定uC. C. 样品浓度的分布状态样品浓度的分布状态uD.D.定标系列必须包含样品变化定标系列必须包含样品变化u 1. 1.经常收集样品经常收集样品 ( (不是只在一天不是只在一天
21、) )u 2. 2.结合不同的过程变化结合不同的过程变化u ( (不同的供应商，季节，颗粒度等不同的供应商，季节，颗粒度等) )uE.E.浓度范围需浓度范围需5-5-倍于标准方法的标准偏差。倍于标准方法的标准偏差。49建立近红外分析方法建立近红外分析方法.uII.II.标准方法标准方法uA. A. 什么是标准方法准确度什么是标准方法准确度? ?uB. B. 什么是标准方法精度什么是标准方法精度? ?uC.C. 近红外方法的准确度标准偏差近红外方法的准确度标准偏差SDSD是标准方法的是标准方法的1.2-1.1.2-1.倍倍uD.D. 近红外方法的精度标准偏差近红外方法的精度标准偏差SDSD比经典
22、高倍（显著特点）比经典高倍（显著特点）uE.E. 尤其对于浓度极端的样品，需采用标准方法进行双平行尤其对于浓度极端的样品，需采用标准方法进行双平行 或三平行分析或三平行分析50建立近红外分析方法建立近红外分析方法.uIII. III. 验证样品集验证样品集uA.A.类似于定标样品集样品收集类似于定标样品集样品收集 包含相同的变包含相同的变化化uB.B.如果样品许可，可保存高，中，低浓度三种样如果样品许可，可保存高，中，低浓度三种样品作为品作为“标准样标准样”定期分析，用于仪器定标定期分析，用于仪器定标检查的控制样检查的控制样51近红外定标方程的开发和近红外定标方程的开发和扩展所需的湿化学标准值
23、扩展所需的湿化学标准值 u1.1.在做湿化学分析前，须先进行样品扫描在做湿化学分析前，须先进行样品扫描 u2.2.扫描过的样品（同一份样）送交实验室进行湿化学分扫描过的样品（同一份样）送交实验室进行湿化学分析析. .送交实验室样品必需放置于密封的容器中送交实验室样品必需放置于密封的容器中 （最好用样品储藏罐且罐口需用胶带密封；封口样品袋（最好用样品储藏罐且罐口需用胶带密封；封口样品袋也可接受），以防止水份和挥发物的损失。也可接受），以防止水份和挥发物的损失。 52近红外定标方程的开发和近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值扩展所需的标准值 u3.3.样品需及时分析。样品需及时分析。u4.4.所
24、使用的实验室分析方法需官方认可的标准方法所使用的实验室分析方法需官方认可的标准方法u u 53近红外定标方程的开发和近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值扩展所需的标准值 u5.5.如果分析样品需要制备（研磨，萃取等），必须在实验室报如果分析样品需要制备（研磨，萃取等），必须在实验室报告中注明。如果样品制备需要磨，那么样品磨的类型和筛的尺告中注明。如果样品制备需要磨，那么样品磨的类型和筛的尺寸有记录。寸有记录。 注释注释用于分析的样其物理状态必须知道。如果分析前被研用于分析的样其物理状态必须知道。如果分析前被研磨或分析样品与实验室接收的状态一致，这些都必须注释（研磨或分析样品与实验室接收的状态
25、一致，这些都必须注释（研磨者和筛的尺寸）磨者和筛的尺寸） 54近红外定标方程的开发和近红外定标方程的开发和扩展所需的标准值扩展所需的标准值 u6.6.报告每一个方法和产品类型的实验室分析方法的误差报告每一个方法和产品类型的实验室分析方法的误差 * *盲样盲样分析平行样，其编号方式不显示两个样品间的关系分析平行样，其编号方式不显示两个样品间的关系55NIR是二手方法，需要用传统方法结果校正是二手方法，需要用传统方法结果校正! 56传统分析传统分析 近红外分析准确度无论如何也不会比对定标样品集传统分析分析的准确度高.57传统方法评估传统方法评估u10 10 样品浓度分布均匀包括高、中、低浓度段样品
26、样品浓度分布均匀包括高、中、低浓度段样品. .u分样，然后随机编号分样，然后随机编号. .u采用传统方法分析这采用传统方法分析这2020个样品个样品u计算计算SDDSDD (Standard Deviation of Difference) for the 20 (Standard Deviation of Difference) for the 20 samples.samples.u将将SDDSDD作为评估仪器分析准确度的参考值作为评估仪器分析准确度的参考值 . .58Product: Milled RiceConstituent: OilSample IDSample Constitue
27、ntSampleConstituentRandom Assay ValueRandomAssay ValueNo.(A)No.(B)17 r20,79 r120,770,020,000428 r140,76 r110,720,040,001639 r10,65 r100,87-0,220,0484410 r70,95 r130,870,080,0064511 r41,01 r180,920,090,0081612 r80,88 r50,98-0,10,01713 r30,44 r170,410,030,0009814 r150,42 r90,4200915 r60,43 r160,56-0,1
28、30,01691016 r200,77 r190,83-0,060,00360,0963Pooled St.0,10Deviation102dBAd2d2d59影响近红外定标准确性的主要因素影响近红外定标准确性的主要因素u参与定标的样品量不足，不具代表性参与定标的样品量不足，不具代表性u定标样品几乎一致造成定标不具代表性定标样品几乎一致造成定标不具代表性u样品近红外扫描数据误差样品近红外扫描数据误差u定标所使用的实验室数据分析不准确定标所使用的实验室数据分析不准确u非线性因素对定标的影响非线性因素对定标的影响60NIR- NIR- 统计术语解释统计术语解释lN N 定标样品个数定标样品个数lM
29、ean Mean 定标样品集平均浓度定标样品集平均浓度lSEC SEC 定标标准偏差定标标准偏差lRSQ, Correlation RSQ, Correlation 定标相关系定标相关系数数lSECVSECV交互验证标准偏差交互验证标准偏差l1-VR, Correlation1-VR, Correlation交互验证相交互验证相关系数关系数lSEPSEP预测标准偏差预测标准偏差lStandard DeviationStandard Deviation标准偏差标准偏差lSEP(SEP(C)C) ( (扣除系统偏差的预测标准偏扣除系统偏差的预测标准偏差）差）l Slope Slope斜率斜率l B
30、ias Bias系统偏差系统偏差61Mean valueMean value平均值平均值62标准偏差标准偏差 variance (Sdev) deviation Standardy根据正态（高斯）分布，有 68% 的结果落在此误差范围内63误差分布误差分布u样品分析误差符合高斯分布 (Gaussian) :u100 样品 ，验证样品平均浓度为4%, CV=1%:l32 误差落在 0.04%l5 误差落在 0.08%l1 误差超过 0.12%3.83.94.04.14.268%95%99%64SlopeSlope斜率斜率mkxyk 为斜率， m 为截距65BiasBias系统偏差系统偏差66WI
31、N ISI II - Scatter plotWIN ISI II - Scatter plot67Correlation Correlation 相关系数相关系数NiyxmimiNyyxxr) 1()(表征x,y之间的相关关系如果x,y共变化，则可获得好的相关68CorrelationCorrelation相关系数相关系数1-VR = 1-SECV2/SD269近红外技术应用简述近红外技术应用简述 (1)(1)u*检查仪器是否在正常的工作状态检查仪器是否在正常的工作状态u* *收集样品并获得样品的近红外光谱收集样品并获得样品的近红外光谱u* *对样品进行精确的实验室分析并将分析结果输入到光谱文对样品进行精确的实验室分析并将分析结果输入到光谱文件件u* *确定确定“最好的最好的”样品样品70.*利用样品的光谱数据及化学数据建立数学利用样品的光谱数据及化学数据建立数学模型来预测样品的成分模型来预测样品的成分*验正模型验正模型 (定标方程定标方程)的准确性的准确性*将模型将模型(定标方程定标方程)应用于常规分析应用于常规分析近红外技术应用简述近红外技术应用简述 (2)(2)71.*对模型对模型(定标方程定标方程)进行周期性的验正进行周期性的验正*如需要，应如需要，应对模型对模型 (定标方程定标方程)进行升级进行升级近红外技术应用简述近红外技术应用简述 (3)(3)72