張英

【摘 要】自從上個(gè)世紀(jì)八十年代開始，近紅外光譜成為全世界發(fā)展最快、最引人矚目的一種光譜分析技術(shù)，被廣泛的應(yīng)用在各個(gè)行業(yè)的檢測(cè)工作中。本文就近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展歷程入手分析，探討了其在國(guó)內(nèi)外的應(yīng)用情況，重點(diǎn)列舉了其在林業(yè)生產(chǎn)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，旨在為同行日后工作提供科學(xué)的參考依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】近紅外光譜；林業(yè)生產(chǎn)；木材工業(yè)；檢測(cè)

近年來(lái)，隨著時(shí)代的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，以紅外光譜技術(shù)為主的新型檢測(cè)技術(shù)越來(lái)越受到人們的重視和關(guān)注，已成為現(xiàn)代化檢測(cè)領(lǐng)域中一項(xiàng)備受關(guān)注的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。這種技術(shù)在應(yīng)用中以其速度快、準(zhǔn)確系數(shù)高、操作簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能好、無(wú)損傷的優(yōu)勢(shì)得到了人們的認(rèn)可，已成為國(guó)內(nèi)外水果品質(zhì)檢測(cè)、木材檢測(cè)、唔?yè)p傷檢測(cè)領(lǐng)域中研究的焦點(diǎn)話題。而在我國(guó)，近紅外光譜技術(shù)在林業(yè)生產(chǎn)上的研究才剛剛起步，其中還存在著眾多的不足，因此，在工作中需要我們認(rèn)真的歸納和總結(jié)，從而提出科學(xué)、合理的檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.近紅外光譜技術(shù)分析

隨著紅外光譜技術(shù)和計(jì)算機(jī)的不斷發(fā)展，在我國(guó)林業(yè)生產(chǎn)和國(guó)際化發(fā)展中的應(yīng)用中這種技術(shù)發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。林業(yè)生產(chǎn)本身作為一個(gè)繁雜的混合體系，它在工作中與周邊的環(huán)境因素、自然因素、生態(tài)因素、地質(zhì)因素都有著密切關(guān)系，因此在工作中需要認(rèn)真的歸納總結(jié)，針對(duì)林業(yè)生產(chǎn)中存在的各種問題提出有針對(duì)性的預(yù)防，以確保林業(yè)生長(zhǎng)的正常、合理。

1.1近紅外光譜技術(shù)概述

近紅外光譜技術(shù)主要指的相關(guān)物質(zhì)在近紅外區(qū)的吸收光譜現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，其紅外波段長(zhǎng)度為0.7～2.5μm左右，而近紅外區(qū)主要指的是能夠吸收各種低能電子躍遷以及含有氫原子的原子團(tuán)。一般來(lái)說(shuō)，在目前的應(yīng)用中波長(zhǎng)范圍一般都是節(jié)約可見光與中紅外區(qū)之間的電磁波，其波長(zhǎng)控制在780～2526nm之間，而波數(shù)的范圍則是在12820～3959cm之間。截至目前，我們?cè)诠ぷ髦谐Ｒ姷慕t外光譜區(qū)的含氫基團(tuán)主要包含有CH、0H、NH等。由于在工作中，幾乎所有的有機(jī)物都能夠在組成以及構(gòu)成中出現(xiàn)譜圖穩(wěn)定等現(xiàn)象，因此近紅外光譜發(fā)也被人們稱之為分析界的巨人。

1.2近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用特點(diǎn)

近紅外光譜分析技術(shù)是與上個(gè)世紀(jì)八十年代開始形成的一項(xiàng)測(cè)試新技術(shù)。這種技術(shù)隨著近紅外光譜儀器的不斷優(yōu)化、更新和成本的不斷降低和各種軟件的進(jìn)一步完善，其逐步提高了從復(fù)雜、繁瑣、重疊和變化環(huán)境中提取有效信息的效率，增加了光譜的噪音比。截至目前的社會(huì)發(fā)展和應(yīng)用中，近紅外光譜發(fā)的應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，其在應(yīng)用中以速度快、操作簡(jiǎn)單、不破壞樣品以及無(wú)污染的特點(diǎn)受到了社會(huì)各界的好評(píng)，更是成為木材檢驗(yàn)工作中一項(xiàng)就為常見的檢測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

1.3近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展

近紅外光最早出現(xiàn)于1800年的英國(guó)，而近紅外光譜分析技術(shù)的應(yīng)用與出現(xiàn)是與上個(gè)世紀(jì)三十年代末期，但是由于當(dāng)時(shí)各種技術(shù)的不科學(xué)、不完善，使得其在應(yīng)用中存在著種種的困擾，如信號(hào)吸收能力弱、譜帶相互混亂、信息量龐大、分析復(fù)雜等現(xiàn)象。這些問題和現(xiàn)象的存在一方面造成了近紅外光譜分析技術(shù)應(yīng)用的局限性，另外也使得整個(gè)近紅外光譜分析技術(shù)發(fā)展手速。直至六十年代開始，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的發(fā)展，近紅外光譜分析技術(shù)得到了迅速的發(fā)展，其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)。特別是新世紀(jì)以來(lái)，由于近紅外光在光纖中有著良好的傳輸性能，在先分析成功的應(yīng)用在社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，截至目前已經(jīng)成功的應(yīng)用在林業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)藥、石油化工等多個(gè)環(huán)節(jié)，并獲得了豐碩的成果。

2.近紅外光譜分析技術(shù)在林業(yè)上的應(yīng)用狀況

2.1近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)在水果品質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

為了提供高質(zhì)量的水果，滿足人們對(duì)綠色果品的需求，水果的種植、貯藏和銷售都需要一種方便準(zhǔn)確、迅速、無(wú)損的在線檢測(cè)技術(shù)。以取代目前的M—T有損檢測(cè)試驗(yàn)。近紅外光譜分析技術(shù)作為一種快速、無(wú)損、簡(jiǎn)便的檢測(cè)方法顯得特別重要，日本公司開發(fā)的近紅外分光測(cè)定法可以同時(shí)測(cè)定水果的成熟度、含糖度、含酸度、糖蜜含量以及檢驗(yàn)有無(wú)病斑等，可以說(shuō)在檢測(cè)水果中取得了劃時(shí)代的進(jìn)展。國(guó)外已有許多學(xué)者在水果堅(jiān)實(shí)度、糖度和酸度睜7]檢測(cè)方面利用N瓜技術(shù)做過(guò)大量的相關(guān)研究，研究的水果品種主要有蘋果、梨、香蕉、桃子、櫻桃、芒果、獼猴桃、柑橘和菠蘿等。研究結(jié)果表明，應(yīng)用近紅外檢測(cè)技術(shù)對(duì)水果進(jìn)行田間、儲(chǔ)藏和銷售在線快速無(wú)損檢測(cè)是可行的，為確定采摘時(shí)間和包裝等級(jí)等提供新的檢測(cè)手段。目前，近紅外檢測(cè)技術(shù)已經(jīng)在同時(shí)檢測(cè)水果品質(zhì)的多個(gè)指標(biāo)（糖度、酸度、堅(jiān)實(shí)度等）中得到了廣泛應(yīng)用。

自2000年以來(lái)，我國(guó)也陸續(xù)開展了近紅外檢測(cè)技術(shù)在水果檢測(cè)中的一些應(yīng)用研究。有關(guān)專家以柑橘和蘋果為檢測(cè)對(duì)象，用完全遮光型透過(guò)光水果內(nèi)部品質(zhì)測(cè)定裝置進(jìn)行在線糖度、酸度及內(nèi)部褐變等檢測(cè)試驗(yàn)，并與常規(guī)分析法測(cè)定結(jié)果進(jìn)行回歸分析，結(jié)果表明：糖度值與實(shí)測(cè)值的相關(guān)系數(shù)在0.95以上，酸度相關(guān)系數(shù)大于0.85，且能檢測(cè)內(nèi)部缺陷，完全滿足在線檢測(cè)水果內(nèi)部品質(zhì)的要求。

2.2近紅外光譜技術(shù)在木材性質(zhì)檢測(cè)中的應(yīng)用

國(guó)外對(duì)近紅外光譜技術(shù)在木材性質(zhì)中的應(yīng)用研究工作開展得比較早，研究的也相對(duì)廣泛，如利用近紅外光譜技術(shù)預(yù)測(cè)木材化學(xué)組成、物理力學(xué)性質(zhì)、解剖性質(zhì)、腐朽性質(zhì)以及木質(zhì)復(fù)合材料的性能等方面都有報(bào)道。目前，近紅外光譜技術(shù)在我國(guó)林業(yè)木材性質(zhì)方面的研究應(yīng)用也日益展開，已有用近紅外對(duì)木材密度、水分和微纖絲角以及木材腐朽性質(zhì)的研究報(bào)道。木材密度是木材性質(zhì)中的一項(xiàng)重要性質(zhì)，與木材的化學(xué)組成和細(xì)胞構(gòu)造密切相關(guān)，它可以估計(jì)木材的重量、判斷木材的工藝性質(zhì)和物理力學(xué)性質(zhì)（硬度、強(qiáng)度、干縮以及濕漲等）。樹木在其全部生命活動(dòng)期間，都與水分有著密不可分的聯(lián)系。水分是木材的重要特征之一，用近紅外光譜分析木材性質(zhì)，必須考慮水分對(duì)預(yù)測(cè)結(jié)果的影響。微纖絲角是影響木材性質(zhì)的最重要的物理量之一，木材資源利用和林木品質(zhì)改良都要求能快速、方便地測(cè)定木材的微纖絲角。

有關(guān)工作人士對(duì)杉木的三個(gè)不同切面（橫切面、徑切面、弦切面）進(jìn)行了近紅外光譜信息的提取及模型建立，通過(guò)對(duì)杉木不同切面密度模型及預(yù)測(cè)結(jié)果的分析與評(píng)價(jià)，發(fā)現(xiàn)從木材橫切面采集到的光譜建立的預(yù)測(cè)模型效果最好，可以實(shí)現(xiàn)杉木木材密度的快速無(wú)損檢測(cè)。用近紅外光譜分析技術(shù)測(cè)定木材密度，具有快速、準(zhǔn)確、無(wú)需對(duì)樣品進(jìn)行特殊預(yù)處理等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)，這為杉木的加工利用和林木遺傳改良提供了重要的密度預(yù)測(cè)方法。

2.3近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)在林業(yè)種子質(zhì)量檢測(cè)中的應(yīng)用

面對(duì)大量的林業(yè)種質(zhì)資源，如何進(jìn)行有效的分析利用，不斷地培育出優(yōu)質(zhì)的新品種，是林業(yè)育種學(xué)家的重要課題。近紅外光譜檢測(cè)技術(shù)為林業(yè)育種工作提供了一個(gè)新的快速的和非破壞性的檢測(cè)方法和手段，克服了傳統(tǒng)方法中需要解決的難題，在困外的林業(yè)品質(zhì)育種和種植資源鑒定中已有一定的研究和應(yīng)用。

3.結(jié)束語(yǔ)

國(guó)內(nèi)外的大量試驗(yàn)研究和實(shí)踐表明，近紅外漫反射光譜檢測(cè)技術(shù)具有常規(guī)法難以比擬的許多優(yōu)越性，在水果堅(jiān)實(shí)度和品質(zhì)檢測(cè)、木材性質(zhì)檢測(cè)、品質(zhì)育種、種質(zhì)資源鑒定等方面的應(yīng)用是可行的。但進(jìn)一步的深入研究還是必需的，包括嘗試別的建?；瘜W(xué)計(jì)量學(xué)方法、不同的光檢測(cè)方法以及不同的光譜預(yù)處理等等，以提高檢測(cè)的精度。

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