近紅外光譜技術（Near Infrared, NIR）綜合了計算機技術、光譜技術和化學計量學等多個學科的最新研究成果，在多個領域得到了日益廣泛的應用。因此，人們將近紅外光譜分析技術稱為“分析的巨人”。讓我們花五分鐘時間，去深入了解一下近紅外光譜技術的“前世今生”吧。

二手紅外光譜儀的結構圖

紅外光譜的區分

通常我們所說的紅外光譜一般指中紅外光譜。但事實上紅外譜區按波長范圍被劃分為近紅外、中紅外、遠紅外三部分。

波長范圍/um 波數范圍/cm-1 振動類型 近紅外光譜 0.8-2.5 4000-12000 振動倍頻、組合頻 中紅外光譜 2.5-25 400-4000 振動基頻 遠紅外光譜 25-1000 10-400 轉動頻率

注：波長與波數的換算關系為：

近紅外光譜技術的發展歷史

時間 大事紀 17世紀初 近紅外譜區被天文學家William Herschel所發現。 19世紀初 在經典定量、定性分析方面已經得到一定的發展，但是當時無論是理論水平還是技術水平都較低，很難將近紅外譜區的有效信息提取出來。 20世紀50年代 美國的Norris等人從農業分析領域中開始了用近紅外譜區分析農產品的工作，但是因為這些方法與傳統的光譜分析方法有很大不同，因此，當時這一領域的工作沒有受到分析界的足夠重視。 20世紀80年代 儀器分析界的有關專家，尤其是光譜分析領域方面的專家開始重視近紅外光譜技術的發展和應用范圍。從此，在多方合作和探討的前提下，近紅外光譜分析技術開始應用化學計量學中的多元校正等方法，再加上現代光學、計算機數據處理技術的引入，使近紅外光譜分析技術開始快速發展，逐漸形成了現在被大家廣泛應用的現代近紅外光譜分析技術。 1987年 挪威召開了第1屆近紅外光譜分析國際會議；經大會探討推廣后，近紅外光譜的應用領域變得更加廣泛。 20世紀90年代 國際分析界應用近紅外光譜進行分析的高峰期，我國開始了近二手紅外光譜儀器的研制，但是由于建立定量分析數學模型很困難，因此極大的影響了近紅外光譜技術在我國各行各業中的廣泛應用。

近二手紅外光譜儀器的一般結構

近二手紅外光譜儀器種類繁多，主要由光源、分光元件、樣品室、檢測器和計算機組成。目前市場上多為傅里葉近二手紅外光譜儀。傅里葉變換近二手紅外光譜儀可一次獲得全波段光譜信息，具有高光通量，低噪聲，測量速度快等一系列優點。

近二手紅外光譜儀器的一般結構 光源 鎢燈或鹵鎢燈，LED，高亮度LED 波長選擇器 濾光片（固定波長、可變波長）、平面透射光柵，閃爍光柵，凹面全息光柵，聲光調制型（AOTF），邁克爾遜干涉等 檢測器 常用的檢測器有PbS、InSb、InAs、Si、Ge、InGaAs，擴展DTGS等

近二手紅外光譜儀器的主要性能指標

面對種類繁多的近二手紅外光譜儀器，用戶在選購、使用近紅外光譜分析儀器時，充分了解和掌握儀器的主要技術指標是非常有必要的。分析結果的準確性，與近二手紅外光譜儀器的單色光帶寬、波長準確度、波長精確度、吸光度準確性、信噪比、雜散光強度等有關。此外，近二手紅外光譜儀器都有一定的工作波長范圍。

性能指標 定義 簡述 波長范圍 短波區域的光透射性強，多使用長光程，與長波區域相比，短波區域的信息量相對少一些，較適用于工業常規分析、現場分析和一些專用儀器分析。長波近紅外光譜區域光譜信息豐富，較適用于科研院所以及一些復雜體系中低含量組分的常規分析。 分辨率 光譜的分辨率取決于光譜儀器的分光系統。 一般要求儀器的分辨率為測量峰寬的1/10。由于近紅外吸收峰多重疊嚴重且為寬峰，因此在近紅外定量分析時一般不要求較高的儀器分辨率。對于一些需要得到準確分析結果的分析內容，所要求的儀器分辨率一般也不會超過4cm-1 。 波長準確性 光譜儀器的波長準確性是指儀器測定某一標準物質特定譜峰的波長與該譜峰的標準波長之差。 一般通過三種標準物質來測量近二手紅外光譜儀的波長準確性，即高壓汞燈、1,2,4-三氯苯和稀土氧化物玻璃，如SRM1920a、SRM2035和SRM2065。還可采用聚苯乙烯薄膜來評價近二手紅外光譜儀的波長準確性。對校正模型的建立以及模型的傳遞均有較大影響 波長重復性 波長重復性是指對標準物質進行多次掃描所得譜峰位置間的差異。通常波長重復性用多次測量某一譜峰位置所得波長或波數的標準偏差來表示。 同樣對校正模型的建立以及模型的傳遞均有較大影響，也是體現儀器穩定性的一個重要指標。測量光譜儀的波長重復性可選用測量波長準確性的標準物質，如SRM2065。一般要求FT-NIR的波長重復性應優于0.02cm-1 。 吸光度準確性 吸光度準確性是指儀器所測某一標準物質的吸光度與該物質標準定值之差。 若需將一臺儀器上建立的校正模型直接應用于另一臺儀器，吸光度的準確性則成為至關重要的指標。測量光譜儀的吸光度準確性可選擇合適的標準物質，在規定的波長點，連續取若干個吸光度的平均值，與標準吸光度之差即為吸光度準確度。 吸光度重復性 吸光度重復性是指在同一條件下對同一樣品連續進行多次光譜測量之間的差異。通常用某一特征譜峰或整個光譜區間的吸光度標準偏差來表示。 可選用標準物質如SRM2065來測量吸光度重復性，亦可選用某些純化合物如正庚烷等。該項指標是近紅外應用中的一項極其重要的指標，它直接影響模型建立的質量和測量的準確性。一般要求吸光度重復性優于0.0004A。 信噪比 吸光度噪聲是影響吸光度準確性和重復性的主要因此之一。信噪比就是樣品吸光度與儀器吸光度噪聲的比值。 信噪比是近二手紅外光譜儀器非常重要的一項指標，直接影響分析結果的準確度與精確度。一般要求高端儀器的信噪比應達到105 。 掃描速度 儀器的掃描速度是指在儀器的波長范圍內，完成一次掃描得到一個光譜所需要的時間。 近紅外儀器常被用于實時監測，所以掃描速度也是值得注意的重要指標。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。在保證儀器穩定可靠的前提下，掃描速度快的優勢在于多次光譜累加測量可顯著提高信噪比。 雜散光 雜散光是指未透過樣品而到達檢測器的光，或雖通過樣品但不是用于對樣品進行光譜掃描的單色入射光。 對于近二手紅外光譜儀器來說，雜散光是影響吸光度和濃度之間線性關系的主要因素之一。對于光柵型近二手紅外光譜儀，雜散光的控制尤為重要。雜散光對儀器噪音、基線以及光譜的穩定性均有不同程度的影響。

近紅外光譜分析方法

近紅外光譜分析的主要思路是應用兩個數據群體（分別用于光譜校正的樣品數據集和光譜數據集），采集得到兩類有效的光譜信息。而在實際應用中，為了建立樣品光譜特征和樣品待測成分化學值之間的數學關系，還需利用標準的化學方法測定校正樣品集中每個樣品待測成分的化學值。近紅外光譜分析技術是一種間接分析技術，要實現對未知樣品的定量分析，需要建立校正模型。

分析步驟 分析方法 定性分析 ①代表性樣品的選擇，樣品近紅外光譜的采集；②采集到的光譜用適當的化學計量學分類方法建立定性分析模型；③對未知樣品進行定性鑒別。 定量分析 ①代表性樣品的選擇，樣品近紅外光譜的采集；②采用標準的化學方法測定待測成分的含量，得到參考數據；③利用化學計量學方法將獲得的光譜和參考數據建立校正模型；④利用已建立的校正模型實現對未知樣品待測成分含量的預測。 線性校正方法：逐步多元線性回歸（LR）、主成分回歸法（PCR）、偏最小二乘法（PLS） 非線性校正方法：局部權重回歸法（LWR）、拓撲學方法（TP）、人工神經網絡法（ANN）和支持向量回歸方法（SVR）等

近二手紅外光譜儀器的發展現狀

當今的近二手紅外光譜儀通常采用以下六種架構：

固定濾波器：這類儀器基于固定數量的波長進行測量，每種波長對應濾光輪上特定的濾光片。濾光輪在不同濾光片之間轉動時進行讀數。

旋轉光柵/棱鏡：這類儀器利用電機在單點探測器上移動光柵分散的輸出（波長）。

FT-NIR：這類儀器利用邁克耳孫干涉儀技術的傅里葉交換性質，通過移動的鏡面創造能夠與某個光譜形成數學相關的干涉圖樣。

線陣探測器：這類儀器利用光柵在元素數量為256或512以上的一維線性像素陣列上分散波長。

線性漸變濾光器：這類儀器利用線陣探測器前的漸變濾光元素，使特定波長能夠影響每個像素元素。

DLP?技術：數字微鏡器件（DMD）將光柵分散的光反射到單個像素探測器上。DMD可編程，且靈活度高，因此可按照任何順序或不同分辨率對波長進行采樣。整個過程只需一次掃描即可完成。

近二手紅外光譜儀的發展趨勢

近二手紅外光譜儀未來的發展前景十分樂觀。一直以來，測量儀器通常體積龐大且成本昂貴，而且被局限在有限的實驗室環境中，對于一般大眾而言遙不可及。但由于新探測器和DLP技術的發展，半導體工業帶來的微型化變革以及云計算時代的到來，便攜式近二手紅外光譜儀的未來仿佛近在遲尺。隨著體積的縮小、價格的降低、效率的提高以及用戶體驗的改善，光譜儀將會逐步在公眾中普及開來。

可以預見，新的技術將給光譜儀產業帶來翻天覆地的變化。智能手機的廣泛流行使強大的計算能力蘊含于股掌之中。理論上來看，近二手紅外光譜儀的發展也會遵循類似的體積和成本變化曲線，最終光譜測量將以家庭或“個人使用”模型的方式普及開來。將來的個人測量設備可能不再沿用“近二手紅外光譜儀”的名稱，但是它們可能會用來幫助家庭評估食物的生熟度，檢測食物中是否含有花生等致敏物質，確定高價橄欖油的純度，協助醫療監測或檢查汽車液體。未來，近二手紅外光譜儀將會不可逆轉地朝著體積更小、功能更強大的趨勢發展，也預示著巨大的應用潛力。

來源：迅杰光遠、實驗與分析