现代近红外光谱分析原理及应用

现代近红外光谱分析技术的原理及大体应用摘要；（NIR）是90年代以来进展最快、最引人注目的分析技术之一关键字；原理 应用 分析方式 缺点近红外光（near in&ared,NIR）是介于可见光（VIS）和中红 外光（MIR或IR）之间的电磁波美国材料检测协会（ASTM）快要红 外光谱区概念为波长780-2526nm的光谱区（波数为12820-3959cm-1） 适应上又快要红外区划分为近红外短波（780-1100nm）和近红外长波 （1100-2526nm）两个区域从20世纪50年代起，近红外光谱技术 就在农副产品分析中取得普遍应用，可是由于技术上的原因，在随后 的 20 连年中进展不大进入20 世纪 80 年代后，随着运算机技术的 迅速进展，和化学计量学方式在解决光谱信息提取和消除背景干扰方 面取得的良好效果，加上近红外光谱在测试技术上所特有的特点，人 们对近红外光谱技术的价值有了进一步的了解从而进行了普遍的研 究数字化光谱仪器与化学计量学方式的结合标志着现代近红外光谱 技术的形成数字化近红外光谱技术在20 世纪 90年代初开始商品 化最近几年来，近红外光谱的应用技术取得了庞大进展，在许多领 域取得应用，对推动生产和科研领域的技术进步发挥了庞大作用。

近 红外光谱技术是90年代以来进展最快、最引人注目的光谱分析技术， 测量信号的数字化和分析进程的绿色化使该技术具有典型的时期特 征由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性，使近红外光谱技 术在实时在线分析领域中取得专门好的应用在工业发达国家，这种 先进的分析技术已被普遍同意，例如1978 年美国和加拿大采用近红 外法代替凯氏法，作为分析小麦蛋白质的标准方式20世纪90年代初,外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析 仪器产品,但在很长时间内，进展不大，其原因主要是：首先，近红 外光谱分析要求光谱仪器、光谱数据处理软件（主要是化学计量学软 件）和应用样品模型结合为一体，缺一不可但被分析样品会由于样 品产地的不同而不同，国内外的样品通常有差异，因此，进口仪器的 应用模型一般不适合分析国内样品如果自己建立模型，就需要操作 人员了解和熟悉化学计量学知识和软件，而外商在中国的代理机构缺 乏这方面的专业人才，不能有效地根据用户的需要组织培训，因此， 用户对这项技术缺乏全面了解，影响到了它的推广使用其次，进口 仪器价格昂贵，售后技术服务费用也往往超出大多数用户的承受能 力1995 年以来，国内许多科研院所和大专院校开始积极研究和 开发适合国内需要的近红外光谱分析技术，并且做了大量技术知识的 普及工作，为我国在这一技术领域的发展奠定了良好的基础，开创了 崭新的局面。

工作原理近红外光谱主如果由于分子振动的非谐振性使分子振动从 基态向高能级跃迁时产生的近红外光谱记录的是分子中单个化学键 的基频振动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团X-H （X-C、N、O）的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主如果含氢基团 X-H 振动的倍频和合频吸收获得近红外光谱主要应用两种技术透射光谱技术和反射光谱技术透射光谱（波长一般在780〜1100nm范围内）是指将待测样 品置于光源与检测器之间，检测器所检测的光是透射光或与样品分子 相互作用后的光（承载了样品结构与组成信息）， 若样品是混浊的， 样品中有能对光产生散射的颗粒物质，光在样品中经过的路程是不确 定的，透射光强度与样品浓度之间的关系不符合 Beer 定律对这种 样品应使用漫透射分析法 反射光谱（波长一般在 1100〜2526nm 范 围内）是指将检测器和光源置于样品的同一侧，检测器所检测的是样 品以各种方式反射回来的光物体对光的反射又分为规则反射（镜面 反射）与漫反射 规则反射指光在物体表面按入射角等于反射角的 反射定律发生的反射，漫反射是光投射到物体后（常是粉末或其它颗 粒物体），在物体表面或内部发生方向不确定的反射。

应用漫反射光 进行的分析称为漫反射光谱法此外，还有把透射分析和漫反射分析 结合在一起的综合漫反射分析法和衰减全反射分析法等由于倍频和合频跃迁几率低，而有机物质在 NIR 光谱区为 倍频与合频吸收，所以消光系数弱，谱带重叠严重因此从近红外光 谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息，需要充分利用现有的光机 技术、电子技术和计算机技术进行处理计算机技术主要包括光谱数 据处理和数据关联技术光谱数据处理是消除仪器因素（灯及测量方 式等）环境因素（如温度等）和样品物态（如颜色、形态等）等对光 谱的影响常采用的方法有平滑、微分、基线漂移扣减、多元散射校正（MSC）和有限脉冲响应滤波（FIR）等也可以用小波变换来进行部分处理 数据关联技术主要是化学计量学方法 化学计 量学的发展使多组分分析中多元信息处理理论和技术日益成熟，解决 了近红外光谱区重叠的问题 通过关联技术可以实现近红外光谱的 快速分析 在近红外光谱的应用中我们所关心的是被测样品的组成 或各种物化性质，因此，如何提取这些有用信息是近红外光谱分析的 技术核心现在的许多研究与应用表明，利用化学计量学方法进行近 红外光谱分析是非常有效的化学计量学理论在近红外光谱仪器中的 应用对仪器的实用化是非常关键的。

在近红外光谱分析中被测物质的近红外光谱取决于样品的 组成和结构样品的组成和结构和近红外光谱之间有着一定的函数关 系使用化学计量学方法确定出这些重要函数关系，即经过校正，就 可以根据被测样品的近红外光谱，快速计算出各种数据 现在常用 的校正方法主要有：多元线性回归（MLR）主成分分析（PCA），偏 最小二乘法（PLS）人工神经网络（ANN）和拓扑（Topological）方技术特点 近红外光谱技术之所以成为一种快速、高效、适合进程在线 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，测量过程大多可在1 min内完成2）分析效率高，通过一次光谱测量和已建立的相应校正模型，可同时对样品的多个组分或性质进行测定提供定性、定量结果3）适用的样品范围广，通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状体等不同物态的样品光谱测量方便4）样品一般不需要预处理，不需要使用化学试剂或高温、高压、大电流等测试条件，分析后不会产生化学、生物或电磁污染5）分析成本较低（无需繁杂预处理，可多组分同时检测）6）测试重现性好7）对样品无损伤，可以在活体分析和医药临床领域广泛应用（8）近红外光在普通光纤中具有良好的传输特性，便于实现在 线分析。

9）对操作人员的要求不苛刻，经过简单的培训就可胜任工作近红外光谱技术存在的问题是：（1） 测试灵敏度相对较低，被测组分含量一般应大于%2）需要用标样进行校正对比，很多情况下仅是一种间接分析 技术4 仪器分类按照分光系统，近红外光谱仪器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 栅色散型按照利用检测器的不同又分为扫描式和固定光路式两种根据测试方法，近红外光谱法主要分为透射测定法，漫透射 测定法和反射测定法 3 种透射测定法用于透明样品的分析，样品浓 度与对光的吸收关系符合比尔定律漫透射测定法，由于样品中含有 光散射物质，光在穿透分析样品时，除了吸收外还有多次散射，比尔 定律不适用反射测定法，近红外光照射到样品表面后，由于样品表 面状态和结构的不同，光线会发生多次反射5 对硬件和软件的要求在硬件上，光栅型近红外光谱仪的设计与紫外，可见光谱仪 的设计极为相似，但利用的光栅，滤光片和检测器不同（有些需要改 换光源）目前FT-IR光谱仪主要用于中红外区，但只要改换一些 光学元件（光源、分束器及检测器）并配适合用的软件，就可扩展到 近红外区，AOTF是一种新的分光方式，已经有厂家将其用于中红外 和近红外光谱仪器。

利用滤光片的仪器，主要用于对仪器要求不太 高的专项测量在软件上，应该设计光谱测量通用软件，化学计量学光谱分 析软件和仪器自检系统光谱测量通用软件完成近红外光谱图的获 取、存储等常规功能，化学计量学光谱分析软件完成对样品的定性或 定量分析，是近红外光谱快速分析技术的核心常常利用的化学计量 学方式有：多元线性回归（MLR），主成份分析（PCA）、偏最小二 乘法（PLS）、人工神经网络（ANN）和拓扑（Tonological）等所 采用的算法的好坏（收敛速度）直接影响仪器的分析速度，所以在这 一方面需要增强研究仪器自检系统完成仪器性能状态的自我检测，判定仪器是不是符合样品的测试条件，仪器在硬件上要有相应的功另外，还需要建立相应的模型库（训练集）这项工作需要 具有相应领域专业知识的人才???大量有代表性的样品，准确的标准分 析数据（主要是化学分析）数据建模并建成相应的光谱数据库，才有 可能完成定性分析在近红外光谱图谱上，依据不同种类物质所含化学成份的不同， 含氢基团倍频与合频振动频率不同，则近红外图谱的峰位、峰数及峰 强是不同的，样品的化学成份不同越大，图谱的特征性不同越强采 用简易的峰位辨别可对不同品种的中药进行辨别采用峰位辨别法主 如果分析组分相差较大的不同种物质，这种方式直观、简便，但对于 性质相近的样品辨别却无能为力。

因此必需需要其它的方式，如化学 计量学方式等来辨别 在六十年代末被引入到化学领域，它基 于一个十分直观的大体假设，即“物以类聚”，以为性质相近的样本 在模式空间中所处的位置相近，它们在空间形成“簇”模式识别方 式具有明显的长处，它不需要需要的先验知识很少擅优势理复杂事物 和多元数据等在实际工作中，常常碰到只需要明白样品的类别或品 级，并非需要明白样品中含有的组分数与其含量的问题，这时需要应 用模式识别法模式识别法主要用于光谱的定性分析在近红外光谱 定性分析中常常利用的模式识别方式很多，有聚类分析、判别分析、 主成份分析和人工神经网络方式 在中草药及其产品的应用中，模式识别方式主要用于产品的分类与鉴定系统聚类分析是依据一种 事前选定的相似性或非相似性如距离来气宇类在分类空间中的距离， 再按照谱系图决定分类结果慢慢聚类分析动态聚类法是依据距离 进行分类的一种迭代方式与系统聚类法相较，它的计算速度快，并 节省贮存单元，但需事前指定分类数和适当初定值，每步迭代都对各 类的中心凝聚点进行调整并按分类对象与中心的距离之远近进行归 类，直到不变成止 主成份分析是一种简化数据结构、突出主要矛盾的多变量统计分类方式。

利用主成份分析能够降低数据的维 数，按照主因子得分对样品进行分类慢慢判别分析能在挑选变量的 基础上成立线性判别模型挑选是通过查验慢慢进行的每一步选取 知足指定水平最显著的变量，并剔除因新变量的引入而变得不显著的 原引入变量，直到不能引入也不能剔除变量为止 人工神经网络作为一种智能型算法，具有很强的非线性映照能力，在非线性多元 校正中已显露出必然的优势，目前关于误差反向传播神经网络的研究 和应用较多由于具有良好的自组织、自学习和处置复杂非线性问题 的能力，因此对于复杂的、非线性的体系，可取得更好的效果，已被 用于许多领域定量分析近红外光谱分析技术在近几十年内取得了快速的进展而且 在多个应用领域取得了普遍的认可，它的魅力在于其能够在很短的时 刻内无需复杂的样品制备进程即可完成物质成份多组分的同步快速 定量分析，而且能够给出很高的分析精度，不产生任何化学污染且分析本钱很低，易于在实验室尤其是工业现场或在线分析领域取得推行利用 NIR定量分析的进程 该技术应用实施进程中需要前期进行一些必要的预备工作，其中包括： （1）具有普遍代表性的定标和预测样品集的搜集和成份理化定量分析； （2） 定 标和预测样品集的近红外光谱收集和光谱解析； （3） 物质各 待测成份在近红外分析仪器上的定标和模型优化； （4） 已有 定标模型的实际预测分析。

在以上的前期工作中需要进行较多 的实验验证，而且需要对近红外光谱定量分析技术中的每一个环节上 全方面考虑多种干扰因素（如温度、湿度等）的影响一旦定标模型 通过预测查验分析后，近红外光谱分析仪器将在较长的时刻内维持很 高的稳固性和分析精度，操作人员很容易在较短的时刻内掌握该仪器 的操作程序，这就是该技术在一个新的应用领域很容易患到推行的主 要优势所在可是近红外分析仪器定标模型精准度会由于环境因素影 响、自身器件的老化和参考标准样品的转变而发生微小的转变，为了 确保分析结果的准确性需要对模型进行周期性的查验和修正，这就需 要用户长期拥有检测样品的理化分析能力，虽然并非需要太多的工作 量，所以近红外光谱定量分析技术需要其他成份定量分析技术为依 托，常常通过少量通过理化分析的新样品来验证近红外定标模型的精 准度，这也是该技术的弱点所在近红外光谱技术在许多领域（和等）检测中已作为官方认证的检 测技术，同时在、、、、和等领域也取得了普遍的应用名除初期的应 用外，近几年人们又利用该技术检测物质的纯度，解释物质的结构， 预测、评价生物的某些生理现象及转变，监测一些天体的转变等尤 其近几年，近红外光谱技术在医学领域的许多方面取得了普遍的应 用。

1.近红外光谱分析在中药分析中的应用 近红外光谱技术应用于药物的辨别和定性、定量的分析不仅具有快速、方便、 准确、非侵入式分析、易于实现生产进程的在线控制等长处，而且能 够鉴定某些药物如光学异构体、具有光学活性物质的纯度，因此在药 物的定性鉴定、定量分析、及在线检测等方面显示了庞大的作用利 用近红外光谱和多变量统计分类技术系统聚类分析、慢慢聚类分析、 主成份分析和慢慢判别等可专门好地对药材和成药进行定性判别和 分类 2.近红外光谱分析在临床分析中的应用 最近几年来，随着及的进展，近红外光谱检测技术和运算机网络技术相结合 的进一步深切，近红外光谱技术的非侵入式定性和定量分析成为可 能同时，由于生物体中不同的透明组织对近红外光具有不同的吸收 和散射特性，因此近红外光对不同的和转变的组织具有较强的区分能 力按照这种特性，能够利用近红外光谱法测量组织的某些光学从而 取得组织的某些生理参数，或成立某些生理参数和光谱数据的关系， 从而能够检测出组织中的异物或生成二维的图像；也可监测皮肤组织 受外界环境影响的转变；还可用于临床分析和血液某种成份的测定 近红外光谱法能够直接对活体组织进行无创伤检测，使过去无法开展 的研究工作成为可能，极大地提高了分析检测效率存在问题近红外光谱分析技术现阶段已相对成熟，各类不同类型和型 号的近红外分析仪在市场上都有销售，可是分析仪器的价钱相对较 高，尤其是傅立叶变换型（如 Nicolet 公司）、光栅扫描型（美国 Foss 公司）等高精度分析仪，普通商业用户难以经受，无法大面积推行。

所以如何降低仪器研制本钱并维持足够的分析精度是目前研究人员 关心的主要问题之一 滤光片型近红外光谱分析仪本钱相对较 低，而且定标模型的长期稳固性较好和仪器的操作和保护很方便，是 近红外光谱仪器市场中的主流产品，该型仪器研制中定标模型的优选 和同型号仪器间定标模型的转移问题一直以来是近红外工作者讨论 的热点 近红外光谱分析仪器的定量分析精度除与自身的信噪 比及稳固性有关外，参考理化分析方式的精度也直接影响了定标模型 所给出的测量结果精度，所以如何进一步提高理化参考分析方式的精 度以提高仪器测得的近红外光谱吸光度数据与理化分析值的相关性 需要等待理化学科的进展 虽然化学计量学的进展成功地解释 了定标模型波长通道信息与物质化学信息之间相关性，同时对定标数 据的前处置提高了模型的稳固性和精度，可是与直接采用光谱数据 Log（1/R）所计算取得的结果相较较精度提高较小而且极大地增加了 数据处置的复杂性，所以只有通过对物质与光作用机制的进一步研究 和理解来从根本上解决物质成份光谱之间和外界因素对定标模型的干扰问题。