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1、高效近红外光谱分析技术与展望高效近红外光谱分析技术与展望袁洪福1,褚小立1,杜泽涵21石油化工科学研究院2军事医学科学院1. 引言当前我国已经提出从资源消耗和医药的主要成分，水分，结晶，粉末粒径，乙醇，氨 基酸，糖分，原料品质，杂质，硬度，分解度的测定以及合成反应，混合过程和塑胶 包装的监视.纺织品与人造纤维的水分，含棉及聚酯的比例，共聚物成分，添加剂 和染料的测定;造纸的水分，酸值，皂化值和纸品添加剂的测定;还有化学品,天然 气，化妆品和油墨的成分及性质的测定.在生物医学，如血液的血红素携氧量，血糖，尿素，三酸甘油酯，脂肪酸，胆固醇和 蛋白的测定;发酵反应中乙醇,葡萄糖，乳糖，氨基酸,生物质
2、，细胞密度，固含量， 甘油,氨等的测定;还有在细胞病理，微生物与病毒和临床医学方面的应用.在商业上，近红外光谱用于大批量货物交易过程中可产生巨大利润，比如全世界 每年海上原油贸易量巨大,原油的质量直接与价格相关，采用传统原油评价方法 评价一个原油需要近1月时间提供上千详细数据，显然不能满足海上即时贸易要 求,仅根据密度等几个指标很难准确判断原油的质量.采用近红外光谱技术可在 几分钟内提供详细的原油评价数据，因此，对原油贸易具有重大商业价值;在农产 品贸易中也存在着同样的情况,使用在线近红外光谱直接检测粮食交易站内传送 带上谷物质量，确实做到按质论价.特别指出,食品环境安全（如蔬菜，水果，粮食等
3、）已经成为我国社会越来越关注的 问题,近红外分析技术可以在进料，加工过程和产品的质量检验与控制，以及流通 领域中打假等方面能够发挥其他分析技术难以发挥的作用.总之,各行各业对近红外分析技术潜在着巨大市场需求，该技术大发展不仅明显 地促进我国生产技术水平的提高，而且形成一个前景光明的分析仪器制造产业， 预计随着技术和市场的不断完善,5年后国内近红外光谱分析技术的年产值将高 达数亿元，而由近红外分析应用给工农业生产带来的间接经济效益更是非常可观 的.2. 国内外技术现状与分析国际上发达国家十分重视该技术研制与开发及其应用，开发出很多种产品，并广 泛用于各个领域，取得了可观的经济和社会效益.国际上，
4、自上世纪90年代初，在 线近红外光谱在炼油和化工过程中的应用发展得很快，广泛用于油品调合，原油 蒸馏，催化裂化，催化重整，润滑油，乙烯裂解，加氢裂化和石油化工等主要工艺. 根据近红外光谱实时提供的原料，各馏出口产物及中间产物性质，即时调整和优 化操作条件，实现对于生产装置的控制和优化.在农业上广泛用于农产品的质量 检验和种植管理;在畜牧领域广泛用于饲料和动物喂养管理;在临床中广泛用于 血液和人体代谢的分析与疾病诊断等.总之，该技术已经进入成熟发展期.国际上许多著名光谱仪器厂家都生产近红外光谱仪器，还有些仪器厂家和专业软 件公司提供化学计量学专用软件产品.目前光谱仪器，按照分光原理分为固定波 长
5、滤光片型，光栅扫描型，傅立叶变换型，固体阵列检测型和声光过滤型.根据用 途又分为便携式，实验室台式，和在线分析仪.根据美国国际战略方向公司2004 年6月出版的全球评估报告（第8版）的统计和预期，国外近红外光谱仪产品的 销售情况如表1所示，其应用领域如表2所示，地域分布列于表3,商家的销售份 额则见表4.表1近红外光谱产品销售额（美元）2003 2004 2005 2008百万百分率百万百分率百万百分率百万百分率 新仪器Dispersive 72 40 75 40 79 40 94 40FT-NIR 47 26 502754276628Fixed Filter 25132413251225 1
6、1另配件 18 10 191020102410服务 20 11 21 11 22 11 25 11总计 182 100 189 100 200 100 234 100表2近红外光谱仪的应用领域分布（%）农业食品制药有机化学聚合物石油独立测试生物技术科学政府其他 38 14 9 7 6 6 6 5 3 6表3近红外光谱仪的地域分布（%）北美洲欧洲日本亚太地区拉丁美洲其他地区35 34 11 9 3 8表4国外近红外光谱仪商家销售额分布（% ）Foss Electic Perten 热电 Bran Luebbe PE Bruker JY-Horiba LECO ABB Zeltex Kett 其他
7、27 12 8 7 7 6 4 3 2 2 2 20在上世纪90年代左右，农科院和中国农业大学等单位，曾对近红外光谱在测定农 产品性质的应用做一些工作.1995年，石油化工科学研究院通过大量调研工作， 认识到近红外光谱在解决石化产品的快速分析问题方面，具有很好的发展潜力. 但，当时国内还没有近红外光谱仪器产品和化学计量学软件,进口仪器不仅昂贵， 常因为又缺乏相应的技术支持而无法投用，因此，制约了近红外光谱分析技术在 我国的普及应用.为此，在著名陆婉珍院士组织和领导下，对近红外光谱分析成套 技术开发及其应用开始了深入研究.经过数年艰苦攻关，开发了短波近红外光谱 仪系列产品和化学计量学软件产品，形
8、成了具有自主知识产权近红外光谱分析的 技术平台.1996年开发出我国第1台CCD阵列检测的短波近红外光谱仪样 机,1997年与专业生产光谱仪的企业INCE仪器公司将该成果成功地转化为商品 仪器，即NIR-2000近红外光谱仪,2001年研制和生产出双光路CCD短波近红外 光谱仪，即NIR-3000短波近红外光谱仪，同年还与海军联合生产出专门用于特种 燃料（火箭助推剂）的短波近红外分析仪,2002年研制和生产出在线多通道近红 外油品质量分析仪,即在线多通道CCD短波近红外光谱仪,2003年与总后油料研 究所合作开发出了便携式油品分析仪，即便携式CCD短波近红外光谱分析仪.同 时开发了与之配套化学
9、计量学软件（版本1,版本2,和在线软件版本）产品.目前 所开发的在线近红外光谱分析技术已经在汽油调和生产工艺，催化重整生产工艺, 丁基橡胶生产工艺，和乙烯蒸汽裂解生产工艺中开始了工业应用.迄今为止，围绕 该项目已取得了 10项专利技术，1项软件著作版权.研究开发过程中并注重近红 外光谱分析知识在国内的普及工作，发表许多研究论文，和1本专著现代近红外 光谱分析技术”.在硬件技术方面,国内在阵列固定光路仪器制造技术上具有一定的技术基础和实 践经验，在仪器性能，可加工性,材料来源和价格控制等方面，发展阵列型光谱仪 比其他类型仪器更具有较多的优势.而样品前处理在在线分析系统中价格所占比 重很高，高达5
10、0%以上，国内在加工和总集成成本方面具有明显的优势.但是，我 国在阵列检测器，分束器材料，光谱用光纤以及某些精密光学调制技术还不能自 给,某些器件如长波阵列检测器在某些应用仍然受技术输出国的技术限制条款以 及价格方面的约束，其他类型技术产品很少.在软件技术方面，我国在化学计量学研究领域居于前沿水平，编制符合我国用户 习惯的专用化学计量学软件是国内的发展趋势.特别注重了阵列型仪器的模型传 递技术的开发，石油化工科学研究院在这方面积累了丰富的经验.我国在阵列型近红外光谱仪的研发方面已具备了一定的理论和实践基础,在设计 加工和组织生产方面积累了丰富经验，培养一批技术研发人才.目前近红外光谱 分析技术
11、作用和发展前景在我国各个行业中已经得到了基本认可,为今后的发展 创造了良好的条件.3. 展望与建议3.1我国近红外光谱分析发展前景光明我国已进入WTO,减员增效成为国内企业改革的重要措施之一，近红外分析技术 的应用，可提高生产的自动化程度,节省大量人力.随着我国工业生产水平和生活 水准的不断提高，最终近红外技术的应用也象发达国家的一样.正因为如此，目前 国外各大近红外光谱分析仪器厂家都看好中国市场，纷纷投入了大量人力和物力, 争夺中国的巨大市场.就炼厂而言，常，减压蒸馏，催化裂化，各种产品调和工艺， 还有加氢和重整等工艺都非常需要在线NIR,每套装置至少需要一套在线近红外 过程分析仪，按此预计
12、我国石化需要几千套.同样，化工工业也有类似情况.而引 进一台在线近红外过程分析仪一般在200至600万人民币.对于农业粮食，食品 和医药部门的需求从数量上更是巨大，因此，我国对这一技术具有巨大的潜在市 场，在数量上和规模上，其他国家无法与我国相比，属于关系到国计民生的关键技 术.由于近红外光谱包含了 C-H,O-H,N-H以及其他化学键的振动信息，近红外光谱测 量方式包括透射,漫反射，可以测量液态和固态样品.所以，近红外应用的领域范 围极其广泛.根据我国十一五期间的科学发展观，改资源消耗和粗放生产管理 向节约型和生产优化与精确控制型转化，建立人与自然协调发展的社会.质量管 理提到了很高的地位.
13、近红外分析技术作为质量管理所依靠的重要技术手段之一, 在未来具有光明的应用前景.目前近红外分析作为新技术在我国的市场已经初步 形成，目前每年近红外分析仪器（包括国产和进口产品）的销售量约近百台，年销 售额约近亿万元左右，而且每年呈明显上升趋势.重要的是国内科研单位和仪器 制造厂家已有了长期的成功合作，初步形成了近红外分析技术的研究开发和制造 的基地，具备了小批量生产能力，培养了一批专业技术人才队伍，积累了丰富的实 践经验.虽然目前国产近红外产品品种不多，但是，无论实验室型分析仪还是在 线分析仪都在工业上的得到较为广泛的应用，特别在石化工业的重整，汽油调和， 乙烯工业等大型炼油和化工装置上获得了应用.从仪器生产，技术应用，到售后技 术服务初步形成了一套合理的发展模式，为近红外分析技术可持续发展创造了良 好的氛围.在我国已经形成了近红外分析技术产业的雏形，具有良好的发展趋势. 3.2发展建议综上所述，近红外光谱分析技术应当首先列入我国今后重点开发的分析技术计划 之中.国家和相关行业应当对技术开发给予足够的资金和政策进行必要的支持.支持的重点包括两个方面：（1）技术平台开发:即光谱仪的核心技术如阵列检测技 术，傅立叶分光技术，声光调制技术,光纤耦合技术，样品前处理技术，测样附件技 术，
