主题：【原创】傅里叶变换近红外光谱分析技术在茶叶中的应用1

傅里叶变换近红外光谱分析技术在茶叶中的应用

    近红外光谱分析技术近年来已成功应用于食品、烟草、药品及化工等诸多行业产品的分析测定，特别在农副产品的品性分析上，因其快速、无需前处理、非破坏性及多组分同时定量分析等优势而得到更为广泛的应用。日本早在70年代就已将近红外光谱分析技术应用于茶叶多种组分的定量分析，如茶多酚、咖啡碱、全氮量、粗纤维等的定量分析，并取得了良好的效果。国内应用近红外光谱测定茶叶中的成分也有报道，但局限在传统的运用特定波长确定某种成分的多元回归方程的研究阶段。目前，随着化学计量学和计算机技术的快速发展，近红外光谱分析已转向以分析弱信号和多组分多元信息处理为基础的阶段。特别是随着80年代傅里叶变换在近红外光谱仪中的应用，增加光通量，提高了信噪比，使所得谱线平滑，从而使近红外技术有效地应用于大量样品的高精度快速分析。本文通过运用德国Bruker公司的FT—NIR光谱仪(IFS 28/N型)和随机配送的OPUS QUANT—2定量和IDENT定性分析软件对茶树活体(叶片)、茶叶及茶制品的近红外光谱进行扫描和分析，并结合傅里叶变换近红外光谱仪在其他诸多行业中的应用现状，探讨它在茶叶领域内应用的特点及前景。

一、应用原理及特点
1.应用原理
    近红外光谱区介于可见光区与中红外光区之间，波长范围为0.75～2.5μm，波数范围为4000～13330cm-1 。由于近红外光谱区与有机分子中含氢基团(CH、OH、NH)振动的合频与各级倍频的吸收一致，因此通过扫描样品的近红外光谱，可以得到样品中有机分子含氢基团的特征振动信息。茶叶中的大多数有机化合物如茶多酚、氨基酸、蛋白质、咖啡碱、还原糖、多糖(纤维素、半纤维素、淀粉、果胶)等都含有各种含氢基团，所以通过对茶叶的近红外光谱分析可以测定这些成分的含量。而茶叶的品质或品性与它所含有的各种化学成分直接相关，如纤维素、半纤维素的含量决定了茶叶的老嫩度，氨基酸、茶多酚、咖啡碱含量及比例决定了茶冲泡后的口感。由此看出，通过分析茶叶的近红外光谱，不仅可以得到各种化学成分的含量，还能以此为依据，进一步建立关于茶叶优劣、级别、真假识别以及品种鉴定等一系列快速分析模型，从而可以从根本上避免现在茶叶化学测定的繁琐和人工审评中因个人好恶带来的误差。
    傅里叶变换近红外光谱仪所运用的傅里叶变换技术是通过机内的迈克尔逊干涉仪动镜的匀速运动把待分析光变成干涉光(干涉图)，干涉图是分析光的干涉强度随光程度变化的函数，也是干涉强度随时间变化的函数。机内的计算机采集干涉图的数据，通过傅里叶变换(多次的数值积分)，把干涉图变换成光谱图。由于干涉光提供了很高波长分辨率的全光谱，因此傅里叶变换后的信号提供了较其他类型仪器通常所能达到的更高信噪比。傅里叶变换技术是信号处理和波谱解析的有力手段，利用傅里叶变换可从数据中提取更多的有用信息，即以傅里叶级数拟合原光谱曲线，用较少项的级数就可获得与原光谱良好的近似，从而使所得谱线平滑，消除了部分噪音。因此傅里叶变换技术能使近红外光谱仪有效地应用于大量样品的高精度快速分析。

2.应用的方法和特点
(1)茶叶近红外光谱法测定步骤
    运用近红外光谱测定茶叶样品中所含的某种化学成分，首先要建立光谱特征与该成分含量之间的数字模型。具体过程如下：1选择一定数量(60份以上)具有代表性的茶叶样品(又称标准样品集)；2用其他测试仪器或化学方法准确测定各份茶叶中要预测成分的含量，作为真实值；3用傅里叶变换近红外光谱仪扫描标准样品，集中各份茶叶的近红外光谱图；4运用随机软件(OPUS QUANT—2定量分析软件)中的化学计量学方法、偏最小二乘法(PLS)在计算机内建立茶叶近红外光谱图和化学成分真实值之间的对应模型；5在以后运用该模型进行快速测定时还可以不断地进行检验和校准。多组分测定时，只须对标准样品集中各份茶叶进行多组分测定，建立各组分和茶叶近红外光谱图对应的模型即可。
测定时只需扫描待测茶叶样品的近红外光谱，通过欲测成分的对应模型就可以得到样品中该成分的含量。所以说傅里叶变换近红外光谱仪不同于液相色谱、气相色谱等大型测试仪器，它测定样品成分含量的方法是建立在化学测定法或其他仪器测定基础之上的，可以称之为“再生”的测定方法。
(2)特点
    傅里叶变换近红外光谱法在建立模型时，需要挑选有代表性的标准样品集并进行大量的化学测定，是一项耗时长且相当繁琐的工作。而且模型将来对未知样品预测的准确度完全取决于模型初建时化学测定的精确与否，这就要求化学测定一定要精确可靠，否则模型的可靠性就会降低。但只要模型准确建立，在进行茶叶样品组分测定时，样品无需进行任何前处理(如提取、消化等)就可以直接进行近红外图谱扫描，做到无损检测，并快速而准确地测得组分含量，扫描后的样品还可以挪作他用。
    傅里叶变换近红外光谱法还特别适合茶叶样品的多组分快速测定，测定时只要对样品进行一次近红外图谱扫描，通过各组分的数学模型可以在短时间内一次性同时测定未知样品多种组分的含量。
    另外，数学模型一经建立，可以被拷贝入任一带相同分析软件的傅里叶变换近红外光谱仪使用(又称作模型转移)，无需任何修正。这是因为傅里叶变换近红外光谱仪不同于普通的光栅型近红外光谱仪，它是采用仪器内部氦氖激光作为波长校准，仪器稳定性高，模型转移性能好。
    傅里叶变换近红外光谱仪带有很多的检测接口和附件，因此它可用于多种茶及茶制品的常规和在线检测。如积分球可用于扫描干茶以及茶浓缩乳浊液的漫反射光谱，变温池可用于茶水及茶饮料的恒温检测，固体光纤可用于速溶茶、粉茶及活体试验的常规检测和制茶、茶饮料及浓缩茶生产工艺中的在线检测等。