近红外光谱分析技术

近红外光谱分析技术一、本文概述近红外光谱分析技术是一种基于物质在近红外光谱区域（780-2500纳米）的吸收和散射特性的分析技术。本文将对近红外光谱分析技术的原理、应用、优势以及挑战进行全面的概述。我们将介绍近红外光谱分析技术的基本原理。近红外光谱分析主要利用物质在近红外光谱区域的吸收和散射特性，通过测量和分析这些特性，可以对物质的组成、结构和性质进行定性和定量分析。我们将详细探讨近红外光谱分析技术在各个领域的应用。这些领域包括但不限于农业、食品工业、医药、石油化工、环境监测等。在这些领域中，近红外光谱分析技术被广泛应用于物质成分的检测、品质的评估、过程的监控等方面。然后，我们将讨论近红外光谱分析技术的优势。这种技术具有非破坏性、快速、简便、无需样品预处理等优点，因此在实际应用中受到了广泛的欢迎。我们也将对近红外光谱分析技术面临的挑战进行讨论。这些挑战包括光谱解析的复杂性、仪器设备的精度和稳定性要求、以及数据处理和分析方法的改进等。近红外光谱分析技术是一种强大的分析工具，具有广泛的应用前景。然而，为了更好地发挥这种技术的优势，我们还需要在理解其基本原理、优化其应用方法、以及解决其面临的挑战等方面做出更多的努力。二、近红外光谱分析技术原理近红外光谱分析技术（Near-InfraredSpectroscopy，NIRS）是一种基于物质对近红外光（波长范围通常在780-2500nm）吸收特性的分析方法。近红外光谱包含了有机物质分子振动和转动能级跃迁的信息，这些信息能够反映物质的组成和结构。因此，通过测量和分析近红外光谱，可以实现对物质成分和性质的快速、无损检测。近红外光谱分析的基本原理是，当近红外光通过物质时，物质中的分子会吸收与其振动和转动能级相匹配的光能，导致光的强度减弱。这种吸收作用与物质的组成和分子结构密切相关，因此不同的物质在近红外光谱上表现出不同的吸收特征。通过收集和分析这些吸收特征，可以获取物质的成分和性质信息。近红外光谱分析技术通常包括光谱采集和数据处理两个步骤。在光谱采集阶段，需要使用近红外光谱仪对样品进行测量，获取样品的近红外光谱数据。在数据处理阶段，则需要对采集到的光谱数据进行预处理、特征提取和定量分析或定性识别等步骤，以获取有用的信息。近红外光谱分析技术具有许多优点，如快速、无损、无需化学试剂、可同时检测多种成分等。因此，它在农业、食品、医药、石油化工等领域得到了广泛的应用。例如，在农业领域，近红外光谱分析技术可用于检测粮食作物的水分、蛋白质、脂肪等成分，以评估粮食的质量和营养价值；在食品领域，该技术可用于检测食品的营养成分、添加剂、水分等，以确保食品的安全和质量；在医药领域，该技术可用于药物成分的分析和质量控制等。近红外光谱分析技术是一种基于物质对近红外光吸收特性的分析方法，具有快速、无损、无需化学试剂等优点，在多个领域得到了广泛的应用。随着技术的不断发展和完善，近红外光谱分析技术在未来将有更广阔的应用前景。三、近红外光谱仪器与设备近红外光谱分析技术的广泛应用，离不开先进的近红外光谱仪器与设备的支持。这些设备的设计与发展，极大地推动了近红外光谱技术在各个领域的深入应用。近红外光谱仪器主要包括光源、单色器、样品室、检测器和信号处理器等几个部分。光源是近红外光谱仪器的核心部件之一，通常采用近红外发光二极管（NIRLED）或卤钨灯等作为光源，其光谱范围覆盖了近红外区域的大部分。单色器则负责从光源发出的复合光中分离出单一波长的光，常见的单色器有滤光片、光栅和干涉仪等。样品室是放置待测样品的地方，设计时应考虑到样品的特性，如固体、液体或气体，以及是否需要特殊的温度或压力控制。检测器则负责接收经过样品吸收后的光信号，将其转换为电信号以供后续处理。常见的检测器有光电倍增管、硅光二极管和InGaAs线性阵列检测器等。随着科技的进步，现代的近红外光谱仪器还配备了先进的信号处理器和计算机软件，用于对检测到的光谱信号进行预处理、定性和定量分析，以及结果的展示和输出。这些软件不仅提高了光谱分析的准确性和效率，也使得非专业人士也能轻松操作近红外光谱仪器。为了满足不同领域和场景的需求，近红外光谱仪器还衍生出了多种类型，如便携式近红外光谱仪、在线近红外光谱仪和多通道近红外光谱仪等。这些仪器各有其特点，为近红外光谱技术的应用提供了更广阔的空间。近红外光谱仪器与设备的发展，为近红外光谱技术的推广和应用提供了有力的支持。随着科技的不断发展，我们有理由相信，未来的近红外光谱仪器将更加先进、便捷和高效，为更多的科研和工业生产领域带来更多的可能性。四、近红外光谱数据处理与分析方法近红外光谱分析技术的核心在于对光谱数据的处理与分析。这一环节直接决定了光谱信息能否有效转化为对样品性质的准确描述。以下将详细介绍几种常用的近红外光谱数据处理与分析方法。光谱预处理：光谱预处理是数据分析的第一步，其目的是减少或消除光谱中的非目标信息，如噪声、基线漂移等。常见的预处理方法包括平滑处理、导数处理、归一化等。平滑处理可以减少光谱中的随机噪声；导数处理可以强化光谱中的吸收峰，消除基线漂移；归一化处理则可以使光谱在相同尺度上比较。特征提取：特征提取是从预处理后的光谱中提取出能够代表样品性质的关键信息。常用的特征提取方法包括主成分分析（PCA）、小波变换等。PCA通过正交变换将原始光谱数据转换为一系列线性无关的主成分，这些主成分能够反映光谱数据中的主要变化趋势；小波变换则能够在不同尺度上分析光谱数据，提取出与特定性质相关的特征。定量与定性分析：基于提取的特征，可以进一步进行定量或定性分析。定量分析是通过建立光谱特征与样品性质之间的数学模型，实现对样品性质的准确预测。常见的定量分析方法包括多元线性回归（MLR）、主成分回归（PCR）、偏最小二乘回归（PLSR）等。定性分析则是通过比较未知样品的光谱特征与已知样品的光谱特征，实现对未知样品的识别与分类。常见的定性分析方法包括模式识别、聚类分析等。模型优化与验证：为了提高模型的预测精度和稳定性，需要对建立的模型进行优化和验证。模型优化可以通过调整模型参数、引入新的特征变量等方式实现。模型验证则通常使用交叉验证、独立样本验证等方法，以评估模型的泛化能力和预测精度。近红外光谱数据处理与分析方法涵盖了光谱预处理、特征提取、定量与定性分析以及模型优化与验证等多个环节。这些方法的合理运用能够充分挖掘近红外光谱中的信息，为快速、准确地分析样品性质提供有力支持。五、近红外光谱分析技术在各行业的应用案例近红外光谱分析技术以其快速、准确、无损的特点，在众多行业中得到了广泛应用。下面，我们将通过几个具体的应用案例，来展示近红外光谱分析技术在不同领域的实际应用效果。在农业领域，近红外光谱分析技术被广泛应用于农产品质量检测和分类。例如，在谷物检测中，该技术可以快速准确地测定谷物中的水分、蛋白质、脂肪等关键指标，从而实现对谷物品质的快速评估。这不仅提高了检测效率，还为农业生产提供了有力的技术支持。在制药行业，近红外光谱分析技术也被用于药品的质量控制。通过对药品的近红外光谱进行分析，可以准确地测定药品中的活性成分含量、杂质等关键指标，从而确保药品的质量和安全性。这种无损检测技术不仅提高了药品生产的效率，还有助于减少药品生产过程中的质量风险。在石油化工领域，近红外光谱分析技术同样发挥着重要作用。该技术可以用于石油产品的成分分析、质量控制以及生产过程监控等方面。例如，在炼油过程中，通过实时监测原料和产品的近红外光谱，可以及时发现生产过程中的异常情况，从而采取相应的措施进行调整和优化。近红外光谱分析技术还在食品工业、环境监测等领域得到了应用。在食品工业中，该技术可以用于食品营养成分的快速测定和食品安全检测等方面；在环境监测中，该技术则可以用于水质分析、大气污染物检测等方面。这些应用不仅提高了相关行业的工作效率和质量，还有助于推动可持续发展和生态保护。近红外光谱分析技术在各行业的应用案例充分展示了其在快速检测、质量控制、生产过程监控等方面的独特优势。随着技术的不断发展和完善，相信近红外光谱分析技术将在更多领域得到应用和推广。六、近红外光谱分析技术的优势与挑战近红外光谱分析技术作为一种现代分析手段，在多个领域都展现出了其独特的优势。快速无损检测：近红外光谱分析能够在不破坏样品的前提下，快速获取其内部结构和组成信息，这对于食品、医药、化工等领域中的质量控制和过程监控具有重要意义。多组分同时分析：近红外光谱分析技术可以实现对多个组分的同时测定，大大提高了分析效率，特别适用于复杂体系的快速分析。绿色环保：与传统的湿化学分析方法相比，近红外光谱分析无需使用化学试剂，减少了环境污染，符合绿色化学的发展理念。易于实现在线分析：近红外光谱仪器的小型化和自动化程度不断提高，使得其能够方便地集成到生产线上，实现实时在线分析，有助于生产过程的优化和控制。尽管近红外光谱分析技术具有诸多优势，但在实际应用中也面临着一些挑战。光谱解析困难：近红外光谱信息复杂，容易受到样品物理状态、温度、湿度等因素的影响，导致光谱解析的准确性受到挑战。模型泛化能力有限：目前，近红外光谱分析大多依赖于建立校正模型，然而模型的泛化能力往往有限，对于不同来源或不同批次的样品，可能需要重新建立模型。仪器性能差异：不同品牌和型号的近红外光谱仪器在性能上存在差异，这可能导致相同样品在不同仪器上获得的光谱结果存在差异，影响分析准确性。标准化和规范化需求：近红外光谱分析技术的广泛应用需要更多的标准化和规范化工作，以提高分析结果的准确性和可靠性。近红外光谱分析技术在多个领域都展现出了广阔的应用前景，但同时也面临着一些技术和实践上的挑战。随着技术的不断进步和研究的深入，相信这些挑战将逐渐被克服，近红外光谱分析技术将在更多领域发挥重要作用。七、结论随着科学技术的不断发展，近红外光谱分析技术已经在诸多领域展现出其独特的优势和应用潜力。近红外光谱作为一种快速、无损、环保的分析方法，其应用已经从最初的农业和食品科学领域扩展到了石油化工、医药制造、环境保护等多个领域。本文详细介绍了近红外光谱分析技术的基本原理、仪器设备、数据处理方法以及在实际应用中的案例分析。通过对比分析，我们发现近红外光谱分析技术具有操作简便、分析速度快、对样品无损伤等特点，为现代分析化学提供了新的手段。同时，我们也看到了近红外光谱分析技术在实际应用中面临的挑战和限制，如光谱信息的复杂性、干扰因素的影响以及模型的通用性和稳定性等问题。这些问题需要我们进一步深入研究，通过改进分析方法、优化数据处理流程和提高仪器性能等方式，提升近红外光谱分析技术的准确性和可靠性。展望未来，随着、机器学习等技术的不断发展，近红外光谱分析技术有望在数据处理和模型优化方面实现更大的突破。随着环境保护意识的日益增强和可持续发展战略的深入实施，近红外光谱分析技术作为一种绿色、环保的分析方法，将在更多领域发挥其独特优势，为推动科技进步和社会发展做出重要贡献。近红外光谱分析技术作为一种重要的现代分析手段，已经在多个领域展现出其独特的优势和应用潜力。我们期待通过不断的研究和探索，进一步提升这一技术的性能和准确性，为科技进步和社会发展做出更大的贡献。参考资料：近红外光是指波长在780～2526nm范围内的电磁波,是人们认识最早的非可见光区域。习惯上又将近红外光划分为近红外短波(780～1100nm)和长波(1100～2526nm)两个区域。现代近红外光谱是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术,是光谱测量技术与化学计量学学科的有机结合,被誉为分析的巨人。量测信号的数字化和分析过程的绿色化又使该技术具有典型的时代特征。近红外光谱(NIR)是介于可见光(VIS)和中红外光(MIR)之间的电磁波谱，波数约为：10000~4000cm-1。近红外光谱法是利用含有氢基团（-H，为：C，O，N，S等）化学键(-H)伸缩振动倍频和合频，在近红外区的吸收光谱，通过选择适当的化学计量学多元校正方法，把校正样品的近红外吸收光谱与其成分浓度或性质数据进行关联，建立校正样品吸收光谱与其成分浓度或性质之间的关系-校正模型。在进行未知样品预测时，应用已建好的校正模型和未知样品的吸收光谱，就可定量预测其成分浓度或性质。另外，通过选择合适的化学计量学模式识别方法，也可分离提取样本的近红外吸收光谱特征信息，并建立相应的类模型。在进行未知样品的分类时，应用已建立的类模型和未知样品的吸收光谱，便可定性判别未知样品的归属。具体而言，近红外光谱的分析技术与其他常规分析技术不同。现代近红外光谱是一种间接分析技术,是通过校正模型的建立实现对未知样本的定性或定量分析。图1给出了近红外光谱分析模型建立及应用的框图,其分析方法的建立主要通过以下几个步骤完成。近红外光谱技术之所以成为一种快速、高效适合过程在线分析的有利工具,是由其技术特点决定的,近红外光谱分析的主要技术特点如下：(1)分析速度快。由于光谱的测量过程一般可在1min内完成(多通道仪器可在1Sec之内完成),通过建立的校正模型可迅速测定出样品的组成或性质。(2)分析效率高。通过一次光谱的测量和已建立的相应的校正模型,可同时对样品的多个组成或性质进行测定。在工业分析中,可实现由单项目操作向车间化多指标同时分析的飞跃,这一点对多指标监控的生产过程分析非常重要,在不增加分析人员的情况下可以保证分析频次和分析质量,从而保证生产装置的平稳运行。(3)分析成本低。近红外光谱在分析过程中不消耗样品,自身除消耗一点电外几乎无其他消耗,与常用的标准或参考方法相比,测试费用可大幅度降低。(4)测试重现性好。由于光谱测量的稳定性,测试结果很少受人为因素的影响,与标准或参考方法相比,近红外光谱一般显示出更好的重现性。(5)样品测量一般勿需预处理,光谱测量方便。由于近红外光较强的穿透能力和散射效应,根据样品物态和透光能力的强弱可选用透射或漫反射测谱方式。通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状类等不同物态的样品。(6)便于实现在线分析。由于近红外光在光纤中良好的传输特性,通过光纤可以使仪器远离采样现场,将测量的光谱信号实时地传输给仪器,调用建立的校正模型计算后可直接显示出生产装置中样品的组成或性质结果。另外通过光纤也可测量恶劣环境中的样品。(7)典型的无损分析技术。光谱测量过程中不消耗样品,从外观到内在都不会对样品产生影响。鉴于这一特点,该技术在活体分析和医药临床领域正得到越来越多的应用。(8)现代近红外光谱分析也有其固有的弱点。一是测试灵敏度相对较低,这主要是因为近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低,一般近红外倍频和合频的谱带强度是其基频吸收的10到10000分之一,就对组分的分析而言,其含量一般应大于1%；二是一种间接分析技术,方法所依赖的模型必须事先用标准方法或参考方法对一定范围内的样品测定出组成或性质数据,因此模型的建立需要一定的化学计量学知识、费用和时间,另外分析结果的准确性与模型建立的质量和模型的合理使用有很大的关系。现代近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶变换和声光可调滤光器(AOTF)四种类型。光栅色散型仪器根据使用检测器的差异又分为扫描式和固定光路两种。在各种类型仪器中,滤光片型主要作专用分析仪器,为提高测定结果的准确性,现在的滤光片型仪器往往装有多个滤光片供用户选择。光栅扫描式是最常用的仪器类型,采用全息光栅分光、PbS或其他光敏元件作检测器,具有较高的信噪比。由于仪器中的可动部件(如光栅轴)在连续高强度的运行中可能存在磨损问题,从而影响光谱采集的可靠性,不太适合于在线分析。傅立叶变换近红外光谱仪是目前近红外光谱仪器的主导产品,具有较高的分辨率和扫描速度,这类仪器的弱点同样是干涉仪中存在移动性部件,且需要较严格的工作环境。AOTF是90年代初出现的一类新型分光器件,采用双折射晶体,通过改变射频频率来调节扫描的波长,整个仪器系统无移动部件,扫描速度快,具有较好的仪器稳定性,特别适合用于在线分析。但目前这类仪器的分辨率相对较低,AOTF的价格也较高。随着多通道检测器件生产技术的日趋成熟,采用固定光路、光栅分光、多通道检测器构成的NIR仪器,以其性能稳定、扫描速度快、分辨率高、性能价格比好等特点正越来越引起人们的重视。在与固定光路相匹配的多通道检测器中,常用的有二极管阵列(Photodiode-array简称PDA)和电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices简称CCD)两种类型。在研制新型近红外光谱仪器,提高仪器性能的同时,为适合各类样品的分析,近红外光谱测样器件的研制也越来越引起人们的重视。在各类测样器件中,最引人注目的是各种光纤测样器件的开发。通过光纤测样器件,一方面可以方便测样过程,另一方面可以利用光纤的远距离传输特性,将近红外光谱技术用于在线分析。光谱化学计量学软件是现代近红外光谱分析技术的一个重要组成部分,将稳定、可靠的近红外光谱分析仪器与功能全面的化学计量学软件相结合也是现代近红外光谱技术的一个明显标志。因此,光谱化学计量学方法研究在现代近红外光谱技术的发展中占有非常重要的地位。从另外一个方面讲,现代近红外光谱技术的发展也带动和促进了化学计量学学科的发展。近红外光谱中化学计量学方法的研究主要涉及3个方面的内容：一是光谱预处理方法的研究,目的是针对特定的样品体系,通过对光谱的适当处理,减弱以至于消除各种非目标因素对光谱的影响,净化谱图信息,为校正模型的建立和未知样品组成或性质的预测奠定基础；二是近红外光谱定性和定量校正方法的研究,目的在于建立稳定、可靠的定性或定量分析模型；三是校正模型传递技术的研究,也称近红外光谱仪器的标准化,目的是将在一台仪器上建立的定性或定量校正模型可靠地移植到其他相同或类似的仪器上使用,从而减少建模所需的时间和费用。现代近红外光谱技术的应用除传统的农副产品的分析外已扩展到众多的其他领域,主要有石油化工和基本有机化工、高分子化工、制药与临床医学、生物化工、环境科学、纺织工业和食品工业等领域。在农业领域,近红外光谱可通过漫反射方法,将测定探头直接安装在粮食的谷物传送带上,检验种子或作物的质量,如水分、蛋白含量及小麦硬度的测定。还用于作物及饲料中的油脂、氨基酸、糖分、灰粉等含量的测定以及谷物中污染物的测定；近红外光谱还被用于烟草的分类、棉花纤维、饲料中蛋白及纤维素的测定,并用于监测可耕土壤中的物理和化学变化。在食品分析中,近红外光谱用于分析肉、鱼、蛋、奶及奶制品等食品中脂肪酸、蛋白、氨基酸等的含量,以评定其品质；近红外光谱还用于水果及蔬菜如苹果、梨中糖的分析；在啤酒生产中,近红外光谱被用于在线监测发酵过程中的酒精及糖分含量。近红外光谱在药物分析中的应用始于60年代后期,在当时药物成分一般通过萃取以溶液形式测定。随着漫反射测试技术的出现,无损药物分析在近红外光谱分析中占有非常重要的位置。现在近红外光谱已广泛用于药物的生产过程控制。在生命科学领域,近红外光谱用于生物组织的表征,研究皮肤组织的水分、蛋白和脂肪;Tong等将近红外光谱用于乳腺癌的检查；除此之外,近红外光谱还用于血液中血红蛋白、血糖及其他成分的测定及临床研究,均取得较好的结果。近红外光谱在石油炼制中的应用已涉及石油加工的各个环节,并为石化工业带来巨大的经济效益。测定汽油的辛烷值是近红外光谱在油品分析中最早也是最成功的应用。在其后续工作中,又尝试了近红外光谱在测定汽油族组成中的应用。随着现代仪器研制技术的不断进步，以及与化学计量学方法的日趋融合，整个近红外光谱分析系统，无论是硬件系统（近红外光谱仪、配套专用测量附件等）的稳定性、光学一致性，还是软件系统（仪器操作控制软件、数据分析软件等）的人机对话功能，复杂数据处理和数学建模功能，均得到全面提升；加之，近年来物联网技术、云计算技术的兴起，近红外光谱分析技术服务于产业现代化，无论是应用于离线分析，还是在线过程监测，必将发挥越来越重要的作用，以下几方面可能是研究的热点：（1）近红外光谱法在在线过程质量监测中的应用研究及相关标准制订；（2）基于云计算技术、物联网技术的近红外光谱分析系统、建模服务系统研发；（3）基于近红外光谱数据库与相关领域知识的数据挖掘技术应用研究。近红外光谱分析技术是一种快速、高效、无损的分析方法，被广泛应用于现代社会的各个领域，如食品安全、药物分析、材料科学等。本文将围绕“我国近红外光谱分析技术的发展”展开，详细介绍该技术在国内外的发展现状、应用领域以及未来发展方向等方面的内容。近红外光谱分析技术自20世纪70年代问世以来，已经经历了数十年的发展。目前，全球范围内有许多企业和研究机构在此领域取得了显著成果。随着科技的不断进步，近红外光谱分析技术也在不断完善，并向更高的精度、更快速的分析速度以及更广泛的应用领域发展。在我国，近红外光谱分析技术的研究和应用起步较晚，但发展迅速。目前，我国已经有一些高校和科研机构在此领域取得了重要进展。其中，以中科院上海药物研究所、中国农业大学、江南大学等为代表的机构和企业，已经在近红外光谱分析技术的多个方面取得了重要成果。同时，国内也有一些新兴的科技企业开始涉足此领域，进一步推动了近红外光谱分析技术的发展。近红外光谱分析技术在食品安全、药物分析、材料科学等领域有着广泛的应用。在食品安全领域，近红外光谱分析技术可用于食品的品质和安全性的快速检测，如农药残留、重金属含量等。在药物分析领域，近红外光谱分析技术可以对药物进行有效成分的快速鉴定和含量测定，有助于提高药物质量和临床疗效。在材料科学领域，近红外光谱分析技术可用于材料的结构分析和性能评估，如聚合物的分子量、玻璃化转变温度等。虽然我国近红外光谱分析技术的发展已经取得了一定的成就，但仍然存在一些问题和挑战。我国在此领域的专业人才相对较少，需要加强人才培养和引进。我国在近红外光谱分析技术的自主研发方面还有很大的提升空间，需要加强科技创新和投入。近红外光谱分析技术的标准化和规范化也是亟待解决的问题，需要制定相应的标准和规范，以保证分析结果的准确性和可靠性。加强人才培养和引进：我国应该加大对近红外光谱分析领域的人才培养和引进力度，建立完善的人才培养体系，吸引更多的优秀人才投身于该领域的研究和应用工作。加强科技创新和投入：政府和企业应该共同加大对近红外光谱分析技术的科技创新和投入力度，推动我国在此领域的自主研发能力提升。同时，鼓励企业与高校、研究机构进行合作，共同推进技术成果的转化和应用。制定相应的标准和规范：政府和相关机构应该制定近红外光谱分析技术的标准和规范，强化技术应用的规范化管理，保证分析结果的准确性和可靠性。同时，加强国际合作和交流，推动我国近红外光谱分析技术的国际影响力提升。近红外光谱分析技术在我国的发展已经取得了显著的成就，在多个领域得到了广泛的应用。然而，仍需针对存在的问题和挑战采取有效的措施，加强人才培养和引进、科技创新和投入以及标准化和规范化管理等方面的工作。只有这样，我国近红外光谱分析技术才能更好地为现代社会的各个领域提供更加精准、快速和高效的分析服务，为我国的科技发展和经济建设做出更大的贡献。近红外光是指波长在780～2526nm范围内的电磁波,是人们认识最早的非可见光区域。习惯上又将近红外光划分为近红外短波(780～1100nm)和长波(1100～2526nm)两个区域。现代近红外光谱是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术,是光谱测量技术与化学计量学学科的有机结合,被誉为分析的巨人。量测信号的数字化和分析过程的绿色化又使该技术具有典型的时代特征。近红外光谱(NIR)是介于可见光(VIS)和中红外光(MIR)之间的电磁波谱，波数约为：10000~4000cm-1。近红外光谱法是利用含有氢基团（-H，为：C，O，N，S等）化学键(-H)伸缩振动倍频和合频，在近红外区的吸收光谱，通过选择适当的化学计量学多元校正方法，把校正样品的近红外吸收光谱与其成分浓度或性质数据进行关联，建立校正样品吸收光谱与其成分浓度或性质之间的关系-校正模型。在进行未知样品预测时，应用已建好的校正模型和未知样品的吸收光谱，就可定量预测其成分浓度或性质。另外，通过选择合适的化学计量学模式识别方法，也可分离提取样本的近红外吸收光谱特征信息，并建立相应的类模型。在进行未知样品的分类时，应用已建立的类模型和未知样品的吸收光谱，便可定性判别未知样品的归属。具体而言，近红外光谱的分析技术与其他常规分析技术不同。现代近红外光谱是一种间接分析技术,是通过校正模型的建立实现对未知样本的定性或定量分析。图1给出了近红外光谱分析模型建立及应用的框图,其分析方法的建立主要通过以下几个步骤完成。近红外光谱技术之所以成为一种快速、高效适合过程在线分析的有利工具,是由其技术特点决定的,近红外光谱分析的主要技术特点如下：(1)分析速度快。由于光谱的测量过程一般可在1min内完成(多通道仪器可在1Sec之内完成),通过建立的校正模型可迅速测定出样品的组成或性质。(2)分析效率高。通过一次光谱的测量和已建立的相应的校正模型,可同时对样品的多个组成或性质进行测定。在工业分析中,可实现由单项目操作向车间化多指标同时分析的飞跃,这一点对多指标监控的生产过程分析非常重要,在不增加分析人员的情况下可以保证分析频次和分析质量,从而保证生产装置的平稳运行。(3)分析成本低。近红外光谱在分析过程中不消耗样品,自身除消耗一点电外几乎无其他消耗,与常用的标准或参考方法相比,测试费用可大幅度降低。(4)测试重现性好。由于光谱测量的稳定性,测试结果很少受人为因素的影响,与标准或参考方法相比,近红外光谱一般显示出更好的重现性。(5)样品测量一般勿需预处理,光谱测量方便。由于近红外光较强的穿透能力和散射效应,根据样品物态和透光能力的强弱可选用透射或漫反射测谱方式。通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状类等不同物态的样品。(6)便于实现在线分析。由于近红外光在光纤中良好的传输特性,通过光纤可以使仪器远离采样现场,将测量的光谱信号实时地传输给仪器,调用建立的校正模型计算后可直接显示出生产装置中样品的组成或性质结果。另外通过光纤也可测量恶劣环境中的样品。(7)典型的无损分析技术。光谱测量过程中不消耗样品,从外观到内在都不会对样品产生影响。鉴于这一特点,该技术在活体分析和医药临床领域正得到越来越多的应用。(8)现代近红外光谱分析也有其固有的弱点。一是测试灵敏度相对较低,这主要是因为近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低,一般近红外倍频和合频的谱带强度是其基频吸收的10到10000分之一,就对组分的分析而言,其含量一般应大于1%；二是一种间接分析技术,方法所依赖的模型必须事先用标准方法或参考方法对一定范围内的样品测定出组成或性质数据,因此模型的建立需要一定的化学计量学知识、费用和时间,另外分析结果的准确性与模型建立的质量和模型的合理使用有很大的关系。现代近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶变换和声光可调滤光器(AOTF)四种类型。光栅色散型仪器根据使用检测器的差异又分为扫描式和固定光路两种。在各种类型仪器中,滤光片型主要作专用分析仪器,为提高测定结果的准确性,现在的滤光片型仪器往往装有多个滤光片供用户选择。光栅扫描式是最常用的仪器类型,采用全息光栅分光、PbS或其他光敏元件作检测器,具有较高的信噪比。由于仪器中的可动部件(如光栅轴)在连续高强度的运行中可能存在磨损问题,从而影响光谱采集的可靠性,不太适合于在线分析。傅立叶变换近红外光谱仪是目前近红外光谱仪器的主导产品,具有较高的分辨率和扫描速度,这类仪器的弱点同样是干涉仪中存在移动性部件,且需要较严格的工作环境。AOTF是90年代初出现的一类新型分光器件,采用双折射晶体,通过改变射频频率来调节扫描的波长,整个仪器系统无移动部件,扫描速度快,具有较好的仪器稳定性,特别适合用于在线分析。但目前这类仪器的分辨率相对较低,AOTF的价格也较高。随着多通道检测器件生产技术的日趋成熟,采用固定光路、光栅分光、多通道检测器构成的NIR仪器,以其性能稳定、扫描速度快、分辨率高、性能价格比好等特点正越来越引起人们的重视。在与固定光路相匹配的多通道检测器中,常用的有二极管阵列(Photodiode-array简称PDA)和电荷耦合器件(ChargeCoupledDevices简称CCD)两种类型。在研制新型近红外光谱仪器,提高仪器性能的同时,为适合各类样品的分析,近红外光谱测样器件的研制也越来越引起人们的重视。在各类测样器件中,最引人注目的是各种光纤测样器件的开发。通过光纤测样器件,一方面可以方便测样过程,另一方面可以利用光纤的远距离传输特性,将近红外光谱技术用于在线分析。光谱化学计量学软件是现代近红外光谱分析技术的一个重要组成部分,将稳定、可靠的近红外光谱分析仪器与功能全面的化学计量学软件相结合也是现代近红外光谱技术的一个明显标志。因此,光谱化学计量学方法研究在现代近红外光谱技术的发展中占有非常重要的地位。从另外一个方面讲,现代近红外光谱技术的发展也带动和促进了化学计量学学科的发展。近红外光谱中化学计量学方法的研究主要涉及3个方面的内容：一是光谱预处理方法的研究,目的是针对特定的样品体系,通过对光谱的适当处理,减弱以至于消除各种非目标因素对光谱的影响,净化谱图信息,为校正模型的建立和未知样品组成或性质的预测奠定基础；二是近红外光谱定性和定量校正方法的研究,目的在于建立稳定、可靠的定性或定量分析模型；三是校正模型传递技术的研究,也称近红外光谱仪器的标准化,目的是将在一台仪器上建立的定性或定量校正模型可靠地移植到其他相同或类似的仪器上使用,从而减少建模所需的时间和费用。现代近红外光谱技术的应用除传统的农副产品的分析外已扩展到众多的其他领域,主要有石油化工和基本有机化工、高分子化工、制药与临床医学、生物化工、环境科学、纺织工业和食品工业等领域。在农业领域,近红外光谱可通过漫反射方法,将测定探头直接安装在粮食的谷物传送带上,检验种子或作物的质量,如水分、蛋白含量及小麦硬度的测定。还用于作物及饲料中的油脂、氨基酸、糖分、灰粉等含量的测定以及谷物中污染物的测定；近红外光谱还被用于烟草的分类、棉花纤维、饲料中蛋白及纤维素的测定,并用于监测可耕土壤中的物理和化学变化。在食品分析中,近红外光谱用于分析肉、鱼、蛋、奶及奶制品等食品中脂肪酸、蛋白、氨基酸等的含量,以评定其品质；近红外光谱还用于水果及蔬菜如苹果、梨中糖的分析；在啤酒生产中,近红外光谱被用于在线监测发酵过程中的酒精及糖分含量。近红外光谱在药物分析中的应用始于60年代后期,在当时药物成分一般通过萃取以溶液形式测定。随着漫反射测试技术的出现,无损药物分析在近红外光谱分析中占有非常重要的位置。现在近红外光谱已广泛用于药物的生产过程控制。在生命科学领域,近红外光谱用于生物组织的表征,研究皮肤组织的水分、蛋白和脂肪;Tong等将近红外光谱用于乳腺癌的检查；除此之外,近红外光谱还用于血液中血红蛋白、血糖及其他成分的测定及临床研究,均取得较好的结果。近红外光谱在石油炼制中的应用已涉及石油加工的各个环节,并为石化工业带来巨大的经济效益。测定汽油的辛烷值是近红外光谱在油品分析中最早也是最成功的应用。在其后续工作中,又尝试了近红外光谱在测定汽油族组成中的应用。随着现代仪器研制技术的不断进步，以及与化学计量学方法的日趋融合，整个近红外光谱分析系统，无论是硬件系统（近红外光谱仪、配套专用测量附件等）的稳定性、光