非食品近红外光谱有哪些应用?

木材及木制品

过去 20 年来，人们对木材和木制品的近红外光谱进行了积极的研究，以确定化学成分、物理化学和机械性能。首次报道的近红外光谱法在木浆上的应用是预测木质素含量，然后是纸浆产量和木材纤维素含量测量。尽管近红外光谱法用于评估育种试验样品，但它仍未广泛应用于商业环境中的木材表征。这可能是因为没有为优质木材支付溢价;因此，质量分析并不重要。使用有限也可能归因于获得实验室 NIR 系统所需的资本成本以及开发、使用和维护校准模型的需要。

因此，需要使用合适、经济的便携式仪器作为实验室系统的替代品。如果商业环境需要适当准确的近红外模型，则使用近红外光谱作为育种计划中的筛选工具，可能不需要分析精度，而通过便携式系统获得的精度可能是可以接受的。

木材样品基质的高度异质性以及了解木材特性空间分布的重要性，使得木材非常适合近红外高光谱成像。凭借空间优势和可视化近红外高光谱图像分析结果的能力，需要更多的研究来受益于这一优势，以提高对木材样品基质整体异质性的了解。这可以让我们更好地了解环境对木结构的影响。

土壤

土壤是农产品和食品等生产的基本自然资源。已知它是一种包含有机和无机矿物质、水和空气的复杂基质。分析土壤的困难之一是没有两种土壤是相同的，即使在很短的距离内也可能会发生变化。在过去 15-20 年中，近红外(或可见近红外)光谱学在土壤科学中的应用研究大幅增加。应用主要集中于基本土壤成分、质地和粘土矿物学。养分的可用性和特性(如肥力、结构和微生物活性)也受到关注。土壤中最成功的校准是总碳含量(R 2 = 0.66–0.87;RMSEP = 4.2–7.9 mg g −1)和有机碳含量(R 2 = 0.55–0.92;RMSEP = 2.5–29 mg g −1)以及粘土含量(R 2 = 0.56–0.94;RMSEP = 1.9–10.3%)。这是因为粘土矿物质和土壤有机质都是土壤的基本成分，并且在近红外区域被吸收。间接测量(例如 pH、可提取的 P、K、Fe、Ca、Na 和 Mg)被发现具有很大的可变性，因为预计不稳定的光谱活性成分存在共变。纯金属在近红外区域不吸收，但由于与光谱活性成分的共变而可以被检测到，并且它们也可以与有机物络合。建立间接校准的共变在不同地点也可能有很大不同，使得在地理上转移校准变得困难。另一个原因可能是所使用的参考方法，例如不同类型的P通过不同的参考方法测量，这些参考方法并不总是具有很好的相关性。

现场样品的光谱不一定比适当收集和充分准备的实验室土壤样品的光谱差。应更频繁地考虑现场或现场测量，无需采样或样品制备。还需要更好地处理土壤的可变性和复杂性，并更好地理解土壤反射光的物理基础。

医疗

NIR 光谱应用于体内医学应用可以追溯到 1977 年，当时 Frans Jöbsis 报道可以在 NIR 范围(700-1000 nm)内测量脑组织。这使得血红蛋白氧合的实时、非侵入性分析成为可能。近红外光谱在医疗应用中的主要优点是它没有任何副作用、可以实时使用、成本效益高且便于携带。目前，主要的近红外光谱和近红外高光谱成像应用包括脉搏血氧测定法、脑/肌肉血氧测定法、功能性脑皮层测绘和光学乳房X线照相术。

药品

近红外光谱的一个常见应用是鉴定片剂或药物中存在的活性化合物或活性药物成分 (API)。它还可用于识别赋形剂。由于颗粒尺寸和基线偏移之间存在反比关系，因此也可以确定颗粒尺寸。为了使 NIR 光谱作为 PAT 的一部分在制药领域有效实施，需要在线和在线使用。生产过程中可应用 NIR 的最关键阶段之一是混合(除了 API 和原材料的鉴定)。为了能够有效识别活性化合物或赋形剂，通常会创建常用药物材料的库。为了更好地理解和解释光谱，需要有关特征波段的信息。近红外高光谱成像的使用在制药领域越来越受欢迎，其中优选使用术语“近红外化学成像”(NIR-CI)。此处利用空间维度的优势来确定活性化合物分布的均匀性以及片剂中这些化合物的含量。

水光学

水作为生物系统中的常见成分，目前仍没有得到很好的了解。由于水在生物系统中发挥的复杂作用，多年来受到了广泛的关注。水光组学基于可见近红外光谱和多变量数据分析，将吸水模式与不同生物系统的各自功能联系起来。目的是建立吸水带数据库(即水矩阵坐标)并确定可用作生物标记的特征吸水模式(即水分子结构)。这可能有助于更好地理解复杂的生物系统。

结论

近红外光谱作为一种完善的实验室分析系统。然而，它不仅限于实验室;在线分析以及在某些情况下在线和在线分析变得越来越普遍。在线应用仍有改进的余地。仪器开发，尤其是小型化，现在可以实现现场和现场分析。因此，更多时候是将仪器带到样品处而不是将样品带到仪器处。仍然需要提高这些仪器的精度并确保稳定性。化学计量学的进一步发展将不断实现更准确、更快和更稳健的通用全球模型。如今，许多行业将近红外光谱作为质量控制的唯一可行替代方案。