近紅外光譜

近紅外光

（Near Infrared，NIR）是介於可見光（Vis）和中紅外（MIR）之間的電磁輻射波，美國材料檢測協會（ASTM）將近紅外光譜區定義為780-2526nm的區域，是人們在吸收光譜中發現的第一個非可見光區。近紅外光譜區與有機分子中含氫基團（OH、NH、CH）振動的合頻和各級倍頻的吸收區一致，通過掃描樣品的近紅外光譜，可以得到樣品中有機分子含氫基團的特徵信息，而且利用近紅外光譜技術分析樣品具有方便、快速、高效、準確和成本較低，不破壞樣品，不消耗化學試劑，不污染環境等優點，因此該技術受到越來越多人的青睞。近紅外光譜技術量測信號的數字化和分析過程的綠色化又使其具有典型的時代特徵，近年來，近紅外光譜技術已成為發展最快，最引人注目的光譜分析技術。

近紅外光譜區是 Herschel 在 1800 年進行太陽光譜可見區紅外部分能量測量中發現的，為了紀念 Herschel 的歷史性發現人們將近紅外譜區中介於 的波段稱為Herschel 譜區。

紅外光譜分析技術作為一種有效的分析手段在二十世紀三十年代就得到了認可，當時紅外儀器主要用於分子結構理論的研究。近紅外區的光譜吸收帶是有機物質中能量較高的化學鍵（主要是 ）在中紅外光譜區基頻吸收的倍頻、合頻和差頻吸收帶疊加而成的。由於近紅外譜區光譜的嚴重重疊性和不連續性，物質近紅外光譜中的與成份含量相關的信息很難直接提取出來並給予合理的光譜解析。而有機物在中紅外譜區的吸收帶較多、譜帶窄、吸收強度大及有顯著的特徵吸收性，傳統的光譜學家和化學分析家習慣於在中紅外基頻吸收波段進行光譜解析，所以近紅外譜區在很長一段時間內是被人忽視和遺忘的譜區。

隨著紅外儀器技術的發展，更加穩定的電源、信號放大器、更靈敏的光子探測器、微型計算機等的發展使得近紅外光譜區作為一段獨立的且有獨特信息特徵的譜區得到了重視和發展。Karl Norris 作為近紅外光譜分析技術發展的奠基人，於二十世紀五十年代在美國農業部的支持下開始進行近紅外光譜分析技術用於農產品（包括穀物、飼料、水果、蔬菜等）成份快速定量檢測的探討研究。Norris 的早期工作主要是探求合理的近紅外光譜分析方法用於研究物質在近紅外光照射下所體現出的光譜吸收特性和散射特性，他首先提出了多元線性回歸（MLR）演演算法在物質成份近紅外光譜定標模型建立和光譜信息提取解析方面所體現出的優勢，這為後來系統的近紅外光譜技術理論體系的形成起到了很重要的作用。二十世紀六十年代，Norris 領導的課題組進行了大量的光譜學方法論證，其中包括可見和近紅外波段透射、反射及透反射等測量方法比較，在這一階段的工作中最大的成果莫過於得到了植物葉子和穀物的反射吸收光譜，這為近紅外光譜技術的發展提供了更大的優勢和方便。與此同時，Norris 研製出世界上第一台近紅外掃描光譜儀，這台光譜儀是在 Cary 14 單色儀的基礎上改進得到的，擁有與微型計算機進行數據傳輸的功能，也就是在這台掃描光譜儀上，多元線性回歸分析方法在提取與成份相關的光譜信息方面的優勢得到了演示，這台儀器就成為了後來近紅外光譜分析儀器發展的雛形。

穀物水份近紅外分析儀的研製成功及大範圍的推廣使用是近紅外分析技術發展的一個里程碑。水份在任何生物中都存在且有較大的比重，而且水份的近紅外吸收光譜有很強的特徵性、吸收強度很高，其倍頻、合頻吸收帶相互分離、光譜解析度高，所以近紅外水份分析儀的分析性能較為穩定且精度很高，在近紅外光譜分析儀器家族中最早得到了農業和工業界的認可。但是事物總有兩面性，水份中 OH 的強吸收特徵對於物質中其它成份的光譜分析及含量測定則形成了很強的干擾，如何排除水份吸收對各成份及其它各成份之間的相互干擾就成為近紅外光譜分析技術中的一個關鍵問題被提了出來，相關光譜定標分析方法的提出有效地解決了這一問題。Shenk 、Hoove、McClure、Hamid在 Norris的領導下在七十年代設計完成了可以用於草料和煙草成份定量分析的近紅外光譜分析儀器。

基於前人所總結的近紅外光譜分析技術經驗積累以及儀器研製技術的成熟，多家公司（如 Dickie-John、Bran Leubbe、Technicon）加入了近紅外分析儀器商業化的隊伍，其中Dickie-John 公司生產了世界上第一台商用濾光片型近紅外光譜儀，Bran Leubbe 生產了世界上第一台商用光柵掃描型近紅外光譜儀，在整個農業領域的各個應用方面進行近紅外分析技術的推廣使用，使得該技術在農業應用領域進入了成熟期。近紅外儀器技術和定標技術的發展過程中，諸多的疑難問題被一一解決，其中包括儀器自身的工作穩定性、待測樣品的物理及化學特徵對定標模型的影響、樣品製備影響、環境因素（如溫度、濕度、環境光照、振動等）等，這些問題通過大量的實驗和應用討論已經得到了比較滿意的解釋。

在二十世紀八十年代前，雖然近紅外分析儀器採用多元線性回歸技術建立定標模型在農業應用領域得到了較為滿意的結果，但是多回歸變數如何能夠在特定的組合下完成待測成分近紅外光譜吸光度數據與參考化學數據之間的相關計算、各個光譜變數與待測成分之間有如何的特徵關係、樣品顆粒度及散射影響所導致的不穩定性等問題仍是急需得到合理解釋的。長期以來，雖然近紅外分析儀器的分析性能已經在農業領域得到了認可，對於研究者和用戶雙方都把近紅外分析技術作為一個較為成型的“黑匣子”技術。直到多元統計變數方法（化學計量學）在八十年代得到了發展並將該方法引入到近紅外光譜解析及定標技術中來，近紅外分析技術才真正達到了定標理論與實踐的統一，促進了該技術與化學計量學的並肩發展，所以八十年代被稱為是“化學計量學的時代”。

在這一時期掀起了一個採用化學計量學用於數據預處理以實現近紅外光譜解析和定標模型優化的高潮，其主要針對問題是樣品顆粒度、裝填密度等因素所導致的散射問題。Ian Cowe和 Jim McNicol首先將主成份回歸分析方法用於近紅外光譜的數據降維壓縮處理以實現定標模型穩定，通過對回歸主因子的優選達到了排除非測量因素（如顆粒度尺寸及分佈）和非線性因素影響的目的，達到了很好的效果。同時令他們驚奇的是，穩定的定標模型所採用的主因子與待測成份的主要近紅外光譜吸收帶有很強的對應關係，對定標模型合理性可以給出滿意的解釋。

Kawalski 和他的研究生們則首先將偏最小二乘回歸技術應用於光譜學技術中來，但直到最近幾年該技術才在近紅外分析技術中得到應用和推廣。經過理論與實踐的并行發展，化學計量學現在已經形成較為完整的體系，其中主要分為定性和定量分析兩個模塊，H.Mark 等對其進行了較為詳細地論述。化學計量學這一時期在近紅外領域的應用和探討可以主要集中在以下幾個方面：

1）非線性回歸定標方法如人工神經網路、局部權重回歸等用於多變數非線性定標模型的探討。

2）最優定標樣品集的選定方法。

3）基於小波變換數據壓縮技術的大定標樣品集探討。

4）偏最小二乘回歸和其它因子回歸方法在最佳因子數選取原則比較的探討。

5）定標波長通道的優選問題。

6）同類型儀器的定標模型轉移問題。

伴隨著化學計量學技術在近紅外光譜分析領域的不斷發展，研究人員可以更加準確地掌握了近紅外光譜吸光度信息與物質化學成分信息之間的線性相關性，雖然化學計量學方法本身的改進並沒有在定量分析結果準確性方面有多大的改善。

近紅外光譜分析儀器的性能隨著光學技術、電子技術、硬體技術以及計算機和軟體技術的不斷進步也有了極大地改善，高信噪比的傅立葉變換型、光柵掃描型光譜分析儀研製成功並開始進入儀器市場，濾光片型近紅外分析儀的研製則進入了成熟期並成為了近紅外儀器中的主流產品。與此同時，近紅外光譜分析技術在除農業以外的其他領域（如紡織業、化工業、製藥業、造紙業等）也進入了實際應用階段，尤其是在工業現場分析、在線質量監控等方面該技術顯示了其獨有的優勢。進入九十年代，許多基於不同分光原理的新型近紅外分析儀器如二極體列陣型、聲光調製型、成像光譜型等出現了，這些儀器在快速現場實時測量方面有很好的發展潛力，是當代近紅外光譜分析儀器發展的典型代表。

近紅外光譜分析技術經過了近半個世紀的發展歷程現已經成為新世紀里的最有應用前途的分析技術之一，許多國家現已建立了專門的科研力量進行相關應用領域儀器設備的研發，降低儀器成本且保持足夠的分析性能成為當今近紅外儀器研製的主導方向。歐洲的許多發達國家已經在多個領域內將該技術作為行業產品質量評定的標準技術，幾乎完全替代了先前廣泛使用的化學分析方法，在生產效率和產品質量方面得到了很好的效果。

中國在近紅外光譜分析技術方面的研究起步較晚，八十年代後期長春光機與物理研究所承擔了國家糧食局下達“八五”科技攻關項目，研製成功濾光片型飼料近紅外分析儀，之後的十年裡又相繼開發出可以分析玉米、小麥、大豆等糧食作物的濾光片型近紅外分析儀器，現階段正在從事人蔘、人體血糖、煤炭、蜂蜜、茶葉等方面的研究和儀器開發工作。

與此同時，中國在石油化工領域開發出了光柵掃描型近紅外分析儀用於石油成份的快速定量檢測，取得了喜的成果。目前中國近紅外光譜分析技術的研究也已經相對成熟，估計在未來幾年內即可完成近紅外分析儀器在各個領域的應用推廣。

1 簡諧振動模型

為了合理地解釋光與物質相互作用產生光譜的物理機制，物理學家建立了多種理論模型如剛性轉子、簡諧振子（線性諧振子）、非剛性轉子、非諧振子、轉動模型及多原子分子振動及轉動模型等，其中雙原子分子線性簡諧振動模型所給出的分子振動頻率位於中紅外波段區，剛性轉子模型和轉動模型一般是用來研究氣態分子與光相互作用機理。下面就給出雙原子分子線性諧振子振動模型分別在經典力學和量子力學表述下如何解釋光與分子相互作用產生光譜的理論推導過程。

在經典力學中，對於這種兩體問題一般在質心坐標系中將其簡化為具有摺合質量 μ 和相對位移 x 的單體問題，其運動方程可以寫為：

這是一個經典的電磁波表達式，其振動頻率為：

採用這個較為簡單的振動頻率公式可以解釋許多紅外區出現的光譜吸收特徵。由牛頓第二定律得到此雙原子彈性系統的能量轉換表達式為：

依據能量守恆定律，系統內的原子的動能與勢能在發生相互轉化，當雙原子運動到最大振幅 x 處時系統的動能為零，勢能表達式可以通過對上式兩邊積分得到：

圖1 給出了彈性系統的勢能圖。從圖中可以看出，隨著雙原子分子振幅的連續變化勢能的變化也是連續的。

圖1 雙原子分子彈性系統的勢能圖

但是在十九世紀末通過實驗觀察得到的數據顯示能量並不是連續吸收的，這與以上經典的結論是難以吻合的，1900 年普朗克提出了光的量子理論合理地解釋了這一實驗現象。他指出能量與原子體系的相互作用是非連續的，能量的變化只能通過粒子在兩個分立的能量狀態之間的躍遷吸收或輻射來完成，這些能量狀態是量子化的，每個能級的能量是確定的，能級之間的躍遷，只有在粒子與外界光能量作用或自發輻射的情況下才能發生電磁波的吸收與發射。普朗克進一步給出了系統輻射和吸收的電磁波的能量變化與頻率之間的相互關係：

式中 h 是普朗克常數。從式中可以看出，如果入射光的頻率範圍很寬，由於各能級之間的能量是確定的，只有特定頻率的光輻射可以改變現有的能量狀態而發生躍遷，但是這只是一種較為理想的實驗模型，真正的分子能級是無限多的，如果沒有躍遷選擇定則的約束即使這樣的簡單模型所形成的吸收光譜也是極其複雜的。空間中的分子由於本身質心的自旋轉動以及周期性偏離平衡位置的振動而產生許多能級，在紅外波段的吸收主要是由於分子中不同的振動和轉動能級之間的相互躍遷產生的。然而轉動能級之間發生躍遷需要的能量相對於振動能級要小很多，由於光譜儀器探測的靈敏度限制，轉動吸收帶只有在氣體的吸收光譜中才可以觀察到，所以對於研究液體和固體的紅外吸收帶而言，只考慮分子的振動吸收模式。

圖2 理想單振動模式模型的吸收光譜

振動吸收模式能級以及其它形式分子能級都是量子化的，任何特定系統所允許的振動模式能級都可以通過求解量子力學態表象中的薛定諤方程得到能量本徵值求得，依據各能量本徵值所對應的本徵函數所特有的正交性求得能級躍遷的選擇定則。分子化學鍵各能級之間的躍遷是對入射光頻率有選擇性的，所以可以通過對經過與分子相互作用的光能量進行探測實現確定分子特性和結構的目的，這就是紅外吸收光譜用於物質成份定性分析的機理。

下面給出分子各能級之間允許發生躍遷的選擇定則：

1）量子力學中，只有量子數相差為 1時，各能量本徵值所對應的本徵函數在能量表象中的偶極躍遷矩陣元不為零，才可以發生能級躍遷。由此定則決定的簡諧振子系統的能級是等間隔分佈的，而且理論上只存在一個振動吸收帶。

2）光譜吸收帶只有在分子與入射光能量發生相互作用，即光能量可以耦合到分子的振動模式中才可以發生躍遷，能量的耦合是通過不等核電荷之間的電偶極矩的變化完成的。所以對於等電荷即同核的雙原子分子即使存在振動能級也無法完成能量轉移而形成躍遷。

2 非簡諧振動模型

儘管線性諧振子的量子模型可以解釋在紅外區域中所觀察到的由於分子的基本振動模式所產生的特徵吸收帶，但是實驗發現在特徵吸收帶所對應的基頻的二倍、三倍等頻率位置出仍有較強的吸收帶，這就表明把分子作為簡諧振動模型只是一種較為粗略的近似，難以解釋在近紅外區所出現的倍頻現象。這與基頻吸收帶所允許的躍遷定則是截然違背的。空間中分子由於其它分子以及自身的自旋影響，模型並不完全滿足線性諧振子條件，原子之間的彈性振動並不遵循胡克定律，這就導致原子可以獲得更大的躍遷幾率而到達倍頻位置，這也正是近紅外光譜分析技術所依託的光譜機理。當分子中的雙原子相互接近或遠離而偏離平衡位置時，由於原子核間庫侖力的作用分子系統的勢能將以很快的速度增加，在較低頻率處，非線性諧振子所給出的勢能曲線與線性諧振子較為相近，而在較高頻率處，勢能增加到一定程度時非線性諧振子的勢能曲線開始變得很平緩，依據能量守恆定律，勢能增加的減少是由於分子體系中原子的振動能級發生了變化所導致的內能增加所致。

3 光與物質作用的物理特性

自然界中光每時每刻都在與物質發生相互作用並遵循特定的規律將特定頻率的光子能量傳遞給物質，當光輻射入射到物質表面上時通常會存在三種能量轉移形式：反射、吸收、透射。其中反射又可以分為漫反射和鏡面反射，漫反射以體漫反射（Body reflectance）和表面漫反射兩種形式出現。表面漫反射和鏡面反射遵循相同的規律－反射定律，但表面漫反射又被稱為是無規則反射平面的鏡面反射。鏡面反射和表面漫反射是光經過物質的表面時直接被反射的物理現象，光並沒有與物質發生任何作用，所以沒有攜帶任何與物質成份相關的信息，在近紅外光譜分析儀器技術中當作雜散光，對儀器的信噪比和精確度有較大的影響，在儀器設計以及樣品製備過程中都要求重點考慮如何最大程度地消除鏡面反射的能量干擾。體漫反射是光能量透過物質表層與其微觀結構發生相互作用后出射又進入其他微粒發生相互作用的現象，微觀結構依據其化學鍵的不同運動模式與不同頻率的光振動有選擇性地發生耦合吸收，沒有發生耦合吸收的光能量則被原子核通過多次反射后折出該物質表層，體反射出來的光信號與入射原始光信號之間的比值即反映了物質對不同頻率光的選擇吸收特性，即形成了測量物質的吸收光譜，反映了豐富的物質微觀結構信息。吸收光譜數據是在光譜測量頻率範圍內得到的與每個頻率對應的相對值，通過這些相對值的強度和位置可以通過光譜理論推導分子的結構。

吸光度數據是物質對近紅外波段光輻射能量入射前後的比值（無量綱單位），它是通過近紅外光譜分析儀器的能量採集系統（主要是探測器）來得到的，它的大小與待測物質成份的濃度成直接的線性關係，進而可以以近紅外光輻射為信息載體測量其經過物質后在近紅外測量波段的能量變化來測量物質成份的濃度。

對於以上所提出的嚴格滿足朗伯－比爾定律的條件，在近紅外技術中很難完全滿足，這就導致了在近紅外光譜測量中會引入很多干擾因素，使得近紅外光譜吸光度數據與化學成分濃度數據之間的直接線性相關性降低。通過對物質大量的近紅外光譜進行解析發現，嚴重影響線性關係的主要因素是待測物質物理特性（如顆粒度、裝填密度、均勻性等）所導致的基線平移和非線性偏移現象。

近紅外光輻射與物質相互作用后的吸收特性一般通過透射、漫反射兩種形式體現。當近紅外光能量經過樣品后被探測器探測到時，能量的衰減量與物質中成份的濃度含量是滿足式線性關係，這其中就充分考慮了光輻射在物質顆粒間散射影響所導致的平均光程增大效應。

1 分子振動模式

為了計算多原子分子多種可能的振動模式，有必要引入自由度的概念來確定分子系統的振動模式數量。定義空間中的一個點需要三個自由度，n 個點則需要 3n 個自由度，其中確定整個分子的平面運動和旋轉運動分別需要 3 個自由度，這樣描述分子內部的原子振動則需要 3n-6 個自由度。在分子內沿著兩原子之間化學鍵的移動為伸縮振動，可以分為對稱振動和非對稱振動，而原子間以相對於化學鍵有一定的角度的運動則稱為彎曲振動，可以分為剪切運動、擺動、對稱扭曲以及非對稱扭曲運動，每一個振動模式在近紅外光譜區都會產生倍頻或合頻吸收，吸收強度則取決于振動的非簡諧性程度。含有最小原子核質量的氫原子的化學鍵在振動時的振幅最大，所以化學鍵所有的振動模式與線性諧振子振動模型的振動模式偏離較大，在近紅外區所觀察到的很多吸收帶都是氫原子伸縮振動所產生的倍頻以及伸縮振動和彎曲振動相互作用所產生的合頻吸收。

2 光譜吸收帶解析

自從 1954 年第一台商用近紅外光譜分析儀問世以來，科研工作者積極地在各個領域中將該光譜技術進行推廣使用，在這期間做了大量的實驗來解析各種物質的成份在近紅外區的吸收帶，同時結合中紅外物質成份特徵吸收光譜分析工作的成果將實驗觀察得到的結果與理論計算得到的結果進行對比，可以較為準確地解析許多物質的近紅外倍頻和合頻吸收光譜。

近紅外光譜分析方法的優點為：

1）分析速度快。近紅外光譜分析儀一旦經過定標后在不到一分鐘的時間內即可完成待測樣品多個組分的同步測量，如果採用二極體列陣型或聲光調製型分析儀則在幾秒鐘的時間內給出測量結果，完全可以實現過程在線定量分析。

2）對樣品無化學污染。待測樣品視顆粒度的不同可能需要簡單的物理製備過程（如磨碎、混合、乾燥等），無需任何化學干預即可完成測量過程，被稱為是一種綠色的分析技術。

3）儀器操作和維護簡單，對操作員的素質水平要求較低。通過軟體設計可以實現極為簡單的操作要求，在整個測量過程中引入的人為誤差較小。

4）測量精度高。儘管該技術與傳統理化分析方法相比精度略遜一籌，但是給出的測量精度足夠滿足生產過程中質量監控的實際要求，故而非常實用。

5）分析成本極低。由於在整個測量過程中無需任何化學試劑，儀器定標完成後測量是一項非常簡單工作，所以幾乎沒有任何損耗。

近紅外光譜儀器從分光系統可分為固定波長濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換、聲光可調濾光器和陣列檢測五種類型。

濾光片型主要作專用分析儀器，如糧食水分測定儀。由於濾光片數量有限，很難分析複雜體系的樣品。

光柵掃描式具有較高的信噪比和解析度。由於儀器中的可動部件（如光柵軸）在連續高強度的運行中可能存在磨損問題，從而影響光譜採集的可靠性，不太適合於在線分析。

傅立葉變換近紅外光譜儀是具有較高的解析度和掃描速度，這類儀器的弱點同樣是干涉儀中存在移動性部件，且需要較嚴格的工作環境。

聲光可調濾光器是採用雙折射晶體，通過改變射頻頻率來調節掃描的波長，整個儀器系統無移動部件，掃描速度快。但目前這類儀器的解析度相對較低，價格也較高。

隨著陣列檢測器件生產技術的日趨成熟，採用固定光路、光柵分光、陣列檢測器構成的NIR儀器，以其性能穩定、掃描速度快、解析度高、信噪比高以及性能價格比好等特點正越來越引起人們的重視。在與固定光路相匹配的陣列檢測器中，常用的有電荷耦合器件（CCD）和二極體陣列（PDA）兩種類型，其中CCD多用於近紅外短波區域的光譜儀，PDA檢測器則用於長波近紅外區域。

對一台近紅外光譜儀器進行評價時，必須要了解儀器的主要性能指標，下面簡單做下介紹。

1. 儀器的波長範圍

對任何一台特定的近紅外光譜儀器，都有其有效的光譜範圍，光譜範圍主要取決於儀器的光路設計、檢測器的類型以及光源。近紅外光譜儀器的波長範圍通常分兩段，的短波近紅外光譜區域和的長波近紅外光譜區域。

2. 光譜的解析度

光譜的解析度主要取決於光譜儀器的分光系統，對用多通道檢測器的儀器，還與儀器的像素有關。分光系統的光譜帶寬越窄，其解析度越高，對光柵分光儀器而言，解析度的大小還與狹縫的設計有關。儀器的解析度能否滿足要求，要看儀器的分析對象，即解析度的大小能否滿足樣品信息的提取要求。有些化合物的結構特徵比較接近，要得到準確的分析結果，就要對儀器的解析度提出較高的要求，例如二甲苯異構體的分析，一般要求儀器的解析度好於1nm。

3. 波長準確性

光譜儀器波長準確性是指儀器測定標準物質某一譜峰的波長與該譜峰的標定波長之差。波長的準確性對保證近紅外光譜儀器間的模型傳遞非常重要。為了保證儀器間校正模型的有效傳遞，波長的準確性在短波近紅外範圍要求好於0.5nm，長波近紅外範圍好於1.5nm。

4. 波長重現性

波長的重現性指對樣品進行多次掃描，譜峰位置間的差異，通常用多次測量某一譜峰位置所得波長或波數的標準偏差表示（傅立葉變換的近紅外光譜儀器習慣用波數cm-1表示）。波長重現性是體現儀器穩定性的一個重要指標，對校正模型的建立和模型的傳遞均有較大的影響，同樣也會影響最終分析結果的準確性。一般儀器波長的重現性應好於0.1nm。

5. 吸光度準確性

吸光度準確性是指儀器對某標準物質進行透射或漫反射測量，測量的吸光度值與該物質標定值之差。對那些直接用吸光度值進行定量的近紅外方法，吸光度的準確性直接影響測定結果的準確性。

6. 吸光度重現性

吸光度重現性指在同一背景下對同一樣品進行多次掃描，各掃描點下不同次測量吸光度之間的差異。通常用多次測量某一譜峰位置所得吸光度的標準偏差表示。吸光度重現性對近紅外檢測來說是一個很重要的指標，它直接影響模型建立的效果和測量的準確性。一般吸光度重現性應在之間。

7. 吸光度噪音

吸光度噪音也稱光譜的穩定性，是指在確定的波長範圍內對樣品進行多次掃描，得到光譜的均方差。吸光度噪音是體現儀器穩定性的重要指標。將樣品信號強度與吸光度噪音相比可計算出信噪比。

8. 吸光度範圍

吸光度範圍也稱光譜儀的動態範圍，是指儀器測定可用的最高吸光度與最低能檢測到的吸光度之比。吸光度範圍越大，可用於檢測樣品的線性範圍也越大。

9. 基線穩定性

基線穩定性是指儀器相對於參比掃描所得基線的平整性，平整性可用基線漂移的大小來衡量。基線的穩定性對我們獲得穩定的光譜有直接的影響。

10.雜散光

雜散光定義為除要求的分析光外其它到達樣品和檢測器的光量總和，是導致儀器測量出現非線性的主要原因，特別對光柵型儀器的設計，雜散光的控制非常重要。雜散光對儀器的噪音、基線及光譜的穩定性均有影響。一般要求雜散光小於透過率的0.1％。

11. 掃描速度

掃描速度是指在一定的波長範圍內完成1次掃描所需要的時間。不同設計方式的儀器完成1次掃描所需的時間有很大的差別。例如，電荷耦合器件多通道近紅外光譜儀器完成1次掃描只需20ms，速度很快；一般傅立葉變換儀器的掃描速度在1次/s左右；傳統的光柵掃描型儀器的掃描速度相對較慢，目前較快的掃描速度也不過2次/s左右。

12. 數據採樣間隔

採樣間隔是指連續記錄的兩個光譜信號間的波長差。很顯然，間隔越小，樣品信息越豐富，但光譜存儲空間也越大；間隔過大則可能丟失樣品信息，比較合適的數據採樣間隔設計應當小於儀器的解析度。

13. 測樣方式

測樣方式在此指儀器可提供的樣品光譜採集形式。有些儀器能提供透射、漫反射、光纖測量等多種光譜採集形式。

14. 軟體功能

軟體是現代近紅外光譜儀器的重要組成部分。軟體一般由光譜採集軟體和光譜化學計量學處理軟體兩部分構成。前者不同廠家的儀器沒有很大的區別，而後者在軟體功能設計和內容上則差別很大。光譜化學計量學處理軟體一般由譜圖的預處理、定性或定量校正模型的建立和未知樣品的預測三大部分組成，軟體功能的評價要看軟體的內容能否滿足實際工作的需要。

近紅外光照射時，頻率相同的光線和基團發生共振現象，光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子。近紅外光的頻率和樣品的振動頻率不相同，該頻率的光就不會被吸收。

因此，選用連續改變頻率的近紅外光照射某樣品時，由於試樣對不同頻率近紅外光的選擇性吸收，通過試樣后的近紅外光線在某些波長範圍內減弱，而且另外一些波長範圍內較強，透射的紅外光線就攜帶有機物組分和結構的信息。

通過檢測器分析透射或反射光線的光密度，從而決定該組分的含量。通過測定透射光線攜帶的信息而進行的檢測，稱為近紅外透射技術通過測定反射光線攜帶的信息進行的測定，稱為近紅外反射技術。

在近紅外光譜圖譜上，依據不同種類物質所含化學成分的不同，含氫基團倍頻與合頻振動頻率不同，則近紅外圖譜的峰位、峰數及峰強是不同的，樣品的化學成分差異越大，圖譜的特徵性差異越強。採用簡易的峰位鑒別可對不同品種的中藥進行鑒別採用峰位鑒別法主要是分析組分相差較大的不同種物質，這種方法直觀、簡便，但對於性質相近的樣品鑒別卻無能為力。因此必須需要其它的方法，如化學計量學方法等來鑒別。

模式識別在六十年代末被引入到化學領域，它基於一個十分直觀的基本假設，即“物以類聚”，認為性質相近的樣本在模式空間中所處的位置相近，它們在空間形成“簇”。模式識別方法具有明顯的優點，它不需要數學模型需要的先驗知識很少擅長處理複雜事物和多元數據等。在實際工作中，經常遇到只需要知道樣品的類別或等級，並不需要知道樣品中含有的組分數與其含量的問題，這時需要應用模式識別法。模式識別法主要用於光譜的定性分析。在近紅外光譜定性分析中常用的模式識別方法很多，有聚類分析、判別分析、主成分分析和人工神經網路方法。

在中草藥及其產品的應用中，模式識別方法主要用於產品的分類與鑒定。系統聚類分析是依據一種事先選定的相似性或非相似性如距離來度量類在分類空間中的距離，再根據譜系圖決定分類結果。逐步聚類分析動態聚類法是依據距離進行分類的一種迭代方法。與系統聚類法相比，它的計算速度快，並節省儲存單元，但需事先指定分類數和適當初定值，每步迭代都對各類的中心凝聚點進行調整並按分類對象與中心的距離之遠近進行歸類，直到不變為止。

主成分分析是一種簡化數據結構、突出主要矛盾的多變數統計分類方法。利用主成分分析可以降低數據的維數，根據主因子得分對樣品進行分類。逐步判別分析能在篩選變數的基礎上建立線性判別模型。篩選是通過檢驗逐步進行的。每一步選取滿足指定水平最顯著的變數，並剔除因新變數的引入而變得不顯著的原引入變數，直到不能引入也不能剔除變數為止。

人工神經網路作為一種智能型演演算法，具有很強的非線性映照能力，在非線性多元校正中已顯露出一定的優勢，目前關於誤差反向傳播神經網路的研究和應用較多。由於具有良好的自組織、自學習和處理複雜非線性問題的能力，因而對於複雜的、非線性的體系，可取得更好的效果，已被用於許多領域。

近紅外光譜分析技術在近幾十年內得到了快速的發展而且在多個應用領域得到了廣泛的認可，它的魅力在於其可以在很短的時間內無需複雜的樣品製備過程即可完成物質成份多組分的同步快速定量分析，並且可以給出很高的分析精度，不產生任何化學污染且分析成本很低，易於在實驗室尤其是工業現場或在線分析領域得到推廣使用。

NIR 定量分析的過程

該技術應用實施過程中需要前期進行一些必要的準備工作，其中包括：

（1）具有廣泛代表性的定標和預測樣品集的收集和成份理化定量分析；

（2）定標和預測樣品集的近紅外光譜採集和光譜解析；

（3）物質各待測成份在近紅外分析儀器上的定標建模和模型優化；

（4）已有定標模型的實際預測分析。

在以上的前期工作中需要進行較多的實驗驗證，而且需要對近紅外光譜定量分析技術中的每一個環節上全方面考慮多種干擾因素（如溫度、濕度等）的影響。一旦定標模型通過預測檢驗分析后，近紅外光譜分析儀器將在較長的時間內保持很高的穩定性和分析精度，操作人員很容易在較短的時間內掌握該儀器的操作程序，這就是該技術在一個新的應用領域很容易得到推廣的主要優勢所在。但是近紅外分析儀器定標模型精確度會由於環境因素影響、自身器件的老化以及參考標準樣品的變化而發生微小的變化，為了確保分析結果的準確性需要對模型進行周期性的檢驗和修正，這就需要用戶長期擁有檢測樣品的理化分析能力，儘管並不需要太多的工作量，所以近紅外光譜定量分析技術需要其他成份定量分析技術為依託，經常通過少量經過理化分析的新樣品來驗證近紅外定標模型的精確度，這也是該技術的弱點所在。

近紅外分析技術的一個重要特點就是技術本身的成套性，即必須同時具備三個條件：

（1）各項性能長期穩定的近紅外光譜儀，是保證數據具有良好再現性的基本要求；

（2）功能齊全的化學計量學軟體，是建立模型和分析的必要工具；

（3）準確並適用範圍足夠寬的模型。

這三個條件的有機結合起來，才能為用戶真正發揮作用。因此，在購買儀器時必須對儀器提供的模型使用性有足夠的認識，特別避免個別商家為推銷儀器所做的過度宣傳的不良誘導，為此付出代價的廠家有之，因此，一定要對廠家提供模型與技術支持情況有詳細了解。

近紅外分析技術分析速度快，是因為光譜測量速度很快，計算機計算結果速度也很快的原因。但近紅外分析的效率是取決於儀器所配備的模型的數目，比如測量一張光譜圖，如果僅有一個模型，只能得到一個數據，如果建立了10種數據模型，那麼，僅憑測量的一張光譜，可以同時得到10種分析數據。

在定標過程中，標準樣本數量的多少，直接影響分析結果的準確性，數量太少不足以反映被測樣本群體常態分佈規律，數據太多，工作量太大。另外在選擇化學分析的樣本時，不僅要考慮樣品成分含量和梯度，同時要考慮樣本的物理、化學、生長地域、品種、生長條件及植物學特性，以提高定標效果，使定標曲線具有廣泛的應用範圍，對變異範圍比較大的樣本可以根據特定的篩選原則，進行多個定標，以提高定標效果及檢驗的準確性。一般來講，單類純樣本由於樣本性質穩定，含化學信息量相對少，因此定標相對容易，如玉米、小麥、大豆等純樣；混合樣本樣品信息複雜，在本譜區會引起多種基團譜峰的重疊，信息解析困難，定標困難，如畜牧生產中的各種全價飼料、配合飼料、濃縮飼料等。

近紅外光譜技術在許多領域（農業和食品等）檢測中已作為官方認證的檢測技術，同時在紡織、聚合物、藥物、石油化工、生化和環保等領域也得到了廣泛的應用名。除了早期的應用外，近幾年人們又利用該技術檢測物質的純度，解釋物質的結構，預測、評價生物的某些生理現象及變化，監測一些天體的變化等。尤其近幾年，近紅外光譜技術在醫學領域的許多方面得到了廣泛的應用。

1. 近紅外光譜分析在中藥分析中的應用

近紅外光譜技術應用於藥物的鑒別和定性、定量的分析不僅具有快速、方便、準確、非侵入式分析、易於實現生產過程的在線控制等優點，而且可以鑒定某些藥物如光學異構體、具有光學活性物質的純度，因此在藥物的定性鑒定、定量分析、質量控制及在線檢測等方面顯示了巨大的作用。利用近紅外光譜和多變數統計分類技術系統聚類分析、逐步聚類分析、主成分分析和逐步判別等可很好地對藥材和成藥進行定性判別和分類。

2. 近紅外光譜分析在臨床分析中的應用

近年來，隨著光導纖維及感測技術的發展，近紅外光譜檢測技術和計算機網路技術相結合的進一步深入，近紅外光譜技術的非侵入式定性和定量分析成為可能。同時，由於生物體中不同的透明組織對近紅外光具有不同的吸收和散射特性，因此近紅外光對不同的軟組織和變化的組織具有較強的區分能力。根據這種特性，可以利用近紅外光譜法測量組織的某些光學參數從而得到組織的某些生理參數，或者建立某些生理參數和光譜數據的關係，從而可以檢測出組織中的異物或生成二維的圖像；也可監測皮膚組織受外界環境影響的變化；還可用於臨床分析和血液某種成分的測定。近紅外光譜法可以直接對活體組織進行無創傷檢測，使過去無法開展的研究工作成為可能，極大地提高了分析檢測效率。

近紅外光譜分析技術現階段已相對成熟，各種不同類型和型號的近紅外分析儀在市場上都有銷售，但是分析儀器的價格相對較高，尤其是傅立葉變換型（如美國 Nicolet 公司）、光柵掃描型（美國 Foss 公司）等高精度分析儀，普通商業用戶難以承受，無法大面積推廣。所以如何降低儀器研製成本並保持足夠的分析精度是目前研究人員關心的主要問題之一。

濾光片型近紅外光譜分析儀成本相對較低，而且定標模型的長期穩定性較好以及儀器的操作和維護很方便，是近紅外光譜儀器市場中的主流產品，該型儀器研製中定標模型的優選以及同型號儀器間定標模型的轉移問題一直以來是近紅外工作者討論的熱點。

近紅外光譜分析儀器的定量分析精度除了與自身的信噪比及穩定性有關外，參考理化分析方法的精度也直接影響了定標模型所給出的測量結果精度，所以如何進一步提高理化參考分析方法的精度以提高儀器測得的近紅外光譜吸光度數據與理化分析值的相關性需要等待理化學科的發展。

儘管化學計量學的發展成功地解釋了定標模型波長通道信息與物質化學信息之間相關性，同時對定標數據的前處理提高了模型的穩定性和精度，但是與直接採用光譜數據 Log(1/R)所計算得到的結果相比較精度提高較小而且極大地增加了數據處理的複雜性，所以只有通過對物質與光作用機制的進一步研究和理解來從根本上解決物質成份光譜之間以及外界因素對定標模型的干擾問題

[1] 王麗傑.快速檢測牛奶成分的近紅外光譜測量方法及系統研究[D]. 哈爾濱理工大學,2006

[2] 徐廣通，袁洪福，陸婉珍. 近紅外光譜定量校正模型適用性研究[J]光譜學與光譜分析, 2001,(04).

[3] 任玉林，張濱，郭曄，逯家輝，邴貴德. 近紅外光譜法對液態樣品的非破壞分析[J]光譜學與光譜分析, 1997,(01).

[4] 張玲. PLS定標法在近紅外光譜分析儀中的應用研究[J]光學精密工程, 2000,(03).

[5] 高榮強，范世福. 現代近紅外光譜分析技術的原理及應用[J]分析儀器, 2002,(03).

[6] 嚴衍祿，趙龍蓮，李軍會,張錄達,閔順耕. 現代近紅外光譜分析的信息處理技術[J]光譜學與光譜分析, 2000,(06).

[7] 段焰青. 煙樣水分含量對其常規化學成分近紅外測定的影響[A]中國煙草學會2004年學術年會論文集[C], 2004.

[8] 吳靜珠,王一鳴,張小超,徐雲. 分段小波消噪在近紅外光譜預處理中的應用研究[A]農業工程科技創新與建設現代農業——2005年中國農業工程學會學術年會論文集第三分冊[C], 2005.

[9] 袁洪福，陸婉珍，現代科學儀器，1998，5：6.

[10] Wallace,A. NIR Spectroscopy:Near-infrared spectroscopy is changing the face of on-line analysis .Control and Instrumentation J, 1999, (1)

[11] Mcshane Michael J, Cote Gerard L,Spiegelman Clifford H. Assessment of partial least-squares calibration andwavelength selection for complex near-infrared spectra .Applied Spectroscopy, 1998, 52(6) :878-884 .

[12] http://www.antpedia.com/html/46/t-546.html

[13] http://baike.baidu.com/view/961861.htm