近紅外光譜分析技術(shù)

近紅外光譜分析技術(shù)一、本文概述近紅外光譜分析技術(shù)是一種基于物質(zhì)在近紅外光譜區(qū)域（780-2500納米）的吸收和散射特性的分析技術(shù)。本文將對近紅外光譜分析技術(shù)的原理、應(yīng)用、優(yōu)勢以及挑戰(zhàn)進(jìn)行全面的概述。我們將介紹近紅外光譜分析技術(shù)的基本原理。近紅外光譜分析主要利用物質(zhì)在近紅外光譜區(qū)域的吸收和散射特性，通過測量和分析這些特性，可以對物質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)和性質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。我們將詳細(xì)探討近紅外光譜分析技術(shù)在各個領(lǐng)域的應(yīng)用。這些領(lǐng)域包括但不限于農(nóng)業(yè)、食品工業(yè)、醫(yī)藥、石油化工、環(huán)境監(jiān)測等。在這些領(lǐng)域中，近紅外光譜分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于物質(zhì)成分的檢測、品質(zhì)的評估、過程的監(jiān)控等方面。然后，我們將討論近紅外光譜分析技術(shù)的優(yōu)勢。這種技術(shù)具有非破壞性、快速、簡便、無需樣品預(yù)處理等優(yōu)點，因此在實際應(yīng)用中受到了廣泛的歡迎。我們也將對近紅外光譜分析技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)進(jìn)行討論。這些挑戰(zhàn)包括光譜解析的復(fù)雜性、儀器設(shè)備的精度和穩(wěn)定性要求、以及數(shù)據(jù)處理和分析方法的改進(jìn)等。近紅外光譜分析技術(shù)是一種強大的分析工具，具有廣泛的應(yīng)用前景。然而，為了更好地發(fā)揮這種技術(shù)的優(yōu)勢，我們還需要在理解其基本原理、優(yōu)化其應(yīng)用方法、以及解決其面臨的挑戰(zhàn)等方面做出更多的努力。二、近紅外光譜分析技術(shù)原理近紅外光譜分析技術(shù)（Near-InfraredSpectroscopy，NIRS）是一種基于物質(zhì)對近紅外光（波長范圍通常在780-2500nm）吸收特性的分析方法。近紅外光譜包含了有機物質(zhì)分子振動和轉(zhuǎn)動能級躍遷的信息，這些信息能夠反映物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)。因此，通過測量和分析近紅外光譜，可以實現(xiàn)對物質(zhì)成分和性質(zhì)的快速、無損檢測。近紅外光譜分析的基本原理是，當(dāng)近紅外光通過物質(zhì)時，物質(zhì)中的分子會吸收與其振動和轉(zhuǎn)動能級相匹配的光能，導(dǎo)致光的強度減弱。這種吸收作用與物質(zhì)的組成和分子結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此不同的物質(zhì)在近紅外光譜上表現(xiàn)出不同的吸收特征。通過收集和分析這些吸收特征，可以獲取物質(zhì)的成分和性質(zhì)信息。近紅外光譜分析技術(shù)通常包括光譜采集和數(shù)據(jù)處理兩個步驟。在光譜采集階段，需要使用近紅外光譜儀對樣品進(jìn)行測量，獲取樣品的近紅外光譜數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)處理階段，則需要對采集到的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理、特征提取和定量分析或定性識別等步驟，以獲取有用的信息。近紅外光譜分析技術(shù)具有許多優(yōu)點，如快速、無損、無需化學(xué)試劑、可同時檢測多種成分等。因此，它在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、石油化工等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。例如，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，近紅外光譜分析技術(shù)可用于檢測糧食作物的水分、蛋白質(zhì)、脂肪等成分，以評估糧食的質(zhì)量和營養(yǎng)價值；在食品領(lǐng)域，該技術(shù)可用于檢測食品的營養(yǎng)成分、添加劑、水分等，以確保食品的安全和質(zhì)量；在醫(yī)藥領(lǐng)域，該技術(shù)可用于藥物成分的分析和質(zhì)量控制等。近紅外光譜分析技術(shù)是一種基于物質(zhì)對近紅外光吸收特性的分析方法，具有快速、無損、無需化學(xué)試劑等優(yōu)點，在多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，近紅外光譜分析技術(shù)在未來將有更廣闊的應(yīng)用前景。三、近紅外光譜儀器與設(shè)備近紅外光譜分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用，離不開先進(jìn)的近紅外光譜儀器與設(shè)備的支持。這些設(shè)備的設(shè)計與發(fā)展，極大地推動了近紅外光譜技術(shù)在各個領(lǐng)域的深入應(yīng)用。近紅外光譜儀器主要包括光源、單色器、樣品室、檢測器和信號處理器等幾個部分。光源是近紅外光譜儀器的核心部件之一，通常采用近紅外發(fā)光二極管（NIRLED）或鹵鎢燈等作為光源，其光譜范圍覆蓋了近紅外區(qū)域的大部分。單色器則負(fù)責(zé)從光源發(fā)出的復(fù)合光中分離出單一波長的光，常見的單色器有濾光片、光柵和干涉儀等。樣品室是放置待測樣品的地方，設(shè)計時應(yīng)考慮到樣品的特性，如固體、液體或氣體，以及是否需要特殊的溫度或壓力控制。檢測器則負(fù)責(zé)接收經(jīng)過樣品吸收后的光信號，將其轉(zhuǎn)換為電信號以供后續(xù)處理。常見的檢測器有光電倍增管、硅光二極管和InGaAs線性陣列檢測器等。隨著科技的進(jìn)步，現(xiàn)代的近紅外光譜儀器還配備了先進(jìn)的信號處理器和計算機軟件，用于對檢測到的光譜信號進(jìn)行預(yù)處理、定性和定量分析，以及結(jié)果的展示和輸出。這些軟件不僅提高了光譜分析的準(zhǔn)確性和效率，也使得非專業(yè)人士也能輕松操作近紅外光譜儀器。為了滿足不同領(lǐng)域和場景的需求，近紅外光譜儀器還衍生出了多種類型，如便攜式近紅外光譜儀、在線近紅外光譜儀和多通道近紅外光譜儀等。這些儀器各有其特點，為近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用提供了更廣闊的空間。近紅外光譜儀器與設(shè)備的發(fā)展，為近紅外光譜技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供了有力的支持。隨著科技的不斷發(fā)展，我們有理由相信，未來的近紅外光譜儀器將更加先進(jìn)、便捷和高效，為更多的科研和工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域帶來更多的可能性。四、近紅外光譜數(shù)據(jù)處理與分析方法近紅外光譜分析技術(shù)的核心在于對光譜數(shù)據(jù)的處理與分析。這一環(huán)節(jié)直接決定了光譜信息能否有效轉(zhuǎn)化為對樣品性質(zhì)的準(zhǔn)確描述。以下將詳細(xì)介紹幾種常用的近紅外光譜數(shù)據(jù)處理與分析方法。光譜預(yù)處理：光譜預(yù)處理是數(shù)據(jù)分析的第一步，其目的是減少或消除光譜中的非目標(biāo)信息，如噪聲、基線漂移等。常見的預(yù)處理方法包括平滑處理、導(dǎo)數(shù)處理、歸一化等。平滑處理可以減少光譜中的隨機噪聲；導(dǎo)數(shù)處理可以強化光譜中的吸收峰，消除基線漂移；歸一化處理則可以使光譜在相同尺度上比較。特征提?。禾卣魈崛∈菑念A(yù)處理后的光譜中提取出能夠代表樣品性質(zhì)的關(guān)鍵信息。常用的特征提取方法包括主成分分析（PCA）、小波變換等。PCA通過正交變換將原始光譜數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為一系列線性無關(guān)的主成分，這些主成分能夠反映光譜數(shù)據(jù)中的主要變化趨勢；小波變換則能夠在不同尺度上分析光譜數(shù)據(jù)，提取出與特定性質(zhì)相關(guān)的特征。定量與定性分析：基于提取的特征，可以進(jìn)一步進(jìn)行定量或定性分析。定量分析是通過建立光譜特征與樣品性質(zhì)之間的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)對樣品性質(zhì)的準(zhǔn)確預(yù)測。常見的定量分析方法包括多元線性回歸（MLR）、主成分回歸（PCR）、偏最小二乘回歸（PLSR）等。定性分析則是通過比較未知樣品的光譜特征與已知樣品的光譜特征，實現(xiàn)對未知樣品的識別與分類。常見的定性分析方法包括模式識別、聚類分析等。模型優(yōu)化與驗證：為了提高模型的預(yù)測精度和穩(wěn)定性，需要對建立的模型進(jìn)行優(yōu)化和驗證。模型優(yōu)化可以通過調(diào)整模型參數(shù)、引入新的特征變量等方式實現(xiàn)。模型驗證則通常使用交叉驗證、獨立樣本驗證等方法，以評估模型的泛化能力和預(yù)測精度。近紅外光譜數(shù)據(jù)處理與分析方法涵蓋了光譜預(yù)處理、特征提取、定量與定性分析以及模型優(yōu)化與驗證等多個環(huán)節(jié)。這些方法的合理運用能夠充分挖掘近紅外光譜中的信息，為快速、準(zhǔn)確地分析樣品性質(zhì)提供有力支持。五、近紅外光譜分析技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用案例近紅外光譜分析技術(shù)以其快速、準(zhǔn)確、無損的特點，在眾多行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。下面，我們將通過幾個具體的應(yīng)用案例，來展示近紅外光譜分析技術(shù)在不同領(lǐng)域的實際應(yīng)用效果。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，近紅外光譜分析技術(shù)被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測和分類。例如，在谷物檢測中，該技術(shù)可以快速準(zhǔn)確地測定谷物中的水分、蛋白質(zhì)、脂肪等關(guān)鍵指標(biāo)，從而實現(xiàn)對谷物品質(zhì)的快速評估。這不僅提高了檢測效率，還為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)支持。在制藥行業(yè)，近紅外光譜分析技術(shù)也被用于藥品的質(zhì)量控制。通過對藥品的近紅外光譜進(jìn)行分析，可以準(zhǔn)確地測定藥品中的活性成分含量、雜質(zhì)等關(guān)鍵指標(biāo)，從而確保藥品的質(zhì)量和安全性。這種無損檢測技術(shù)不僅提高了藥品生產(chǎn)的效率，還有助于減少藥品生產(chǎn)過程中的質(zhì)量風(fēng)險。在石油化工領(lǐng)域，近紅外光譜分析技術(shù)同樣發(fā)揮著重要作用。該技術(shù)可以用于石油產(chǎn)品的成分分析、質(zhì)量控制以及生產(chǎn)過程監(jiān)控等方面。例如，在煉油過程中，通過實時監(jiān)測原料和產(chǎn)品的近紅外光譜，可以及時發(fā)現(xiàn)生產(chǎn)過程中的異常情況，從而采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。近紅外光譜分析技術(shù)還在食品工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在食品工業(yè)中，該技術(shù)可以用于食品營養(yǎng)成分的快速測定和食品安全檢測等方面；在環(huán)境監(jiān)測中，該技術(shù)則可以用于水質(zhì)分析、大氣污染物檢測等方面。這些應(yīng)用不僅提高了相關(guān)行業(yè)的工作效率和質(zhì)量，還有助于推動可持續(xù)發(fā)展和生態(tài)保護(hù)。近紅外光譜分析技術(shù)在各行業(yè)的應(yīng)用案例充分展示了其在快速檢測、質(zhì)量控制、生產(chǎn)過程監(jiān)控等方面的獨特優(yōu)勢。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，相信近紅外光譜分析技術(shù)將在更多領(lǐng)域得到應(yīng)用和推廣。六、近紅外光譜分析技術(shù)的優(yōu)勢與挑戰(zhàn)近紅外光譜分析技術(shù)作為一種現(xiàn)代分析手段，在多個領(lǐng)域都展現(xiàn)出了其獨特的優(yōu)勢?？焖贌o損檢測：近紅外光譜分析能夠在不破壞樣品的前提下，快速獲取其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組成信息，這對于食品、醫(yī)藥、化工等領(lǐng)域中的質(zhì)量控制和過程監(jiān)控具有重要意義。多組分同時分析：近紅外光譜分析技術(shù)可以實現(xiàn)對多個組分的同時測定，大大提高了分析效率，特別適用于復(fù)雜體系的快速分析。綠色環(huán)保：與傳統(tǒng)的濕化學(xué)分析方法相比，近紅外光譜分析無需使用化學(xué)試劑，減少了環(huán)境污染，符合綠色化學(xué)的發(fā)展理念。易于實現(xiàn)在線分析：近紅外光譜儀器的小型化和自動化程度不斷提高，使得其能夠方便地集成到生產(chǎn)線上，實現(xiàn)實時在線分析，有助于生產(chǎn)過程的優(yōu)化和控制。盡管近紅外光譜分析技術(shù)具有諸多優(yōu)勢，但在實際應(yīng)用中也面臨著一些挑戰(zhàn)。光譜解析困難：近紅外光譜信息復(fù)雜，容易受到樣品物理狀態(tài)、溫度、濕度等因素的影響，導(dǎo)致光譜解析的準(zhǔn)確性受到挑戰(zhàn)。模型泛化能力有限：目前，近紅外光譜分析大多依賴于建立校正模型，然而模型的泛化能力往往有限，對于不同來源或不同批次的樣品，可能需要重新建立模型。儀器性能差異：不同品牌和型號的近紅外光譜儀器在性能上存在差異，這可能導(dǎo)致相同樣品在不同儀器上獲得的光譜結(jié)果存在差異，影響分析準(zhǔn)確性。標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化需求：近紅外光譜分析技術(shù)的廣泛應(yīng)用需要更多的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化工作，以提高分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。近紅外光譜分析技術(shù)在多個領(lǐng)域都展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景，但同時也面臨著一些技術(shù)和實踐上的挑戰(zhàn)。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步和研究的深入，相信這些挑戰(zhàn)將逐漸被克服，近紅外光譜分析技術(shù)將在更多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。七、結(jié)論隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，近紅外光譜分析技術(shù)已經(jīng)在諸多領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。近紅外光譜作為一種快速、無損、環(huán)保的分析方法，其應(yīng)用已經(jīng)從最初的農(nóng)業(yè)和食品科學(xué)領(lǐng)域擴展到了石油化工、醫(yī)藥制造、環(huán)境保護(hù)等多個領(lǐng)域。本文詳細(xì)介紹了近紅外光譜分析技術(shù)的基本原理、儀器設(shè)備、數(shù)據(jù)處理方法以及在實際應(yīng)用中的案例分析。通過對比分析，我們發(fā)現(xiàn)近紅外光譜分析技術(shù)具有操作簡便、分析速度快、對樣品無損傷等特點，為現(xiàn)代分析化學(xué)提供了新的手段。同時，我們也看到了近紅外光譜分析技術(shù)在實際應(yīng)用中面臨的挑戰(zhàn)和限制，如光譜信息的復(fù)雜性、干擾因素的影響以及模型的通用性和穩(wěn)定性等問題。這些問題需要我們進(jìn)一步深入研究，通過改進(jìn)分析方法、優(yōu)化數(shù)據(jù)處理流程和提高儀器性能等方式，提升近紅外光譜分析技術(shù)的準(zhǔn)確性和可靠性。展望未來，隨著、機器學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，近紅外光譜分析技術(shù)有望在數(shù)據(jù)處理和模型優(yōu)化方面實現(xiàn)更大的突破。隨著環(huán)境保護(hù)意識的日益增強和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實施，近紅外光譜分析技術(shù)作為一種綠色、環(huán)保的分析方法，將在更多領(lǐng)域發(fā)揮其獨特優(yōu)勢，為推動科技進(jìn)步和社會發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。近紅外光譜分析技術(shù)作為一種重要的現(xiàn)代分析手段，已經(jīng)在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。我們期待通過不斷的研究和探索，進(jìn)一步提升這一技術(shù)的性能和準(zhǔn)確性，為科技進(jìn)步和社會發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。參考資料：近紅外光是指波長在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波,是人們認(rèn)識最早的非可見光區(qū)域。習(xí)慣上又將近紅外光劃分為近紅外短波(780～1100nm)和長波(1100～2526nm)兩個區(qū)域。現(xiàn)代近紅外光譜是90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù),是光譜測量技術(shù)與化學(xué)計量學(xué)學(xué)科的有機結(jié)合,被譽為分析的巨人。量測信號的數(shù)字化和分析過程的綠色化又使該技術(shù)具有典型的時代特征。近紅外光譜(NIR)是介于可見光(VIS)和中紅外光(MIR)之間的電磁波譜，波數(shù)約為：10000~4000cm-1。近紅外光譜法是利用含有氫基團(tuán)（-H，為：C，O，N，S等）化學(xué)鍵(-H)伸縮振動倍頻和合頻，在近紅外區(qū)的吸收光譜，通過選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計量學(xué)多元校正方法，把校正樣品的近紅外吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立校正樣品吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)之間的關(guān)系-校正模型。在進(jìn)行未知樣品預(yù)測時，應(yīng)用已建好的校正模型和未知樣品的吸收光譜，就可定量預(yù)測其成分濃度或性質(zhì)。另外，通過選擇合適的化學(xué)計量學(xué)模式識別方法，也可分離提取樣本的近紅外吸收光譜特征信息，并建立相應(yīng)的類模型。在進(jìn)行未知樣品的分類時，應(yīng)用已建立的類模型和未知樣品的吸收光譜，便可定性判別未知樣品的歸屬。具體而言，近紅外光譜的分析技術(shù)與其他常規(guī)分析技術(shù)不同?，F(xiàn)代近紅外光譜是一種間接分析技術(shù),是通過校正模型的建立實現(xiàn)對未知樣本的定性或定量分析。圖1給出了近紅外光譜分析模型建立及應(yīng)用的框圖,其分析方法的建立主要通過以下幾個步驟完成。近紅外光譜技術(shù)之所以成為一種快速、高效適合過程在線分析的有利工具,是由其技術(shù)特點決定的,近紅外光譜分析的主要技術(shù)特點如下：(1)分析速度快。由于光譜的測量過程一般可在1min內(nèi)完成(多通道儀器可在1Sec之內(nèi)完成),通過建立的校正模型可迅速測定出樣品的組成或性質(zhì)。(2)分析效率高。通過一次光譜的測量和已建立的相應(yīng)的校正模型,可同時對樣品的多個組成或性質(zhì)進(jìn)行測定。在工業(yè)分析中,可實現(xiàn)由單項目操作向車間化多指標(biāo)同時分析的飛躍,這一點對多指標(biāo)監(jiān)控的生產(chǎn)過程分析非常重要,在不增加分析人員的情況下可以保證分析頻次和分析質(zhì)量,從而保證生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運行。(3)分析成本低。近紅外光譜在分析過程中不消耗樣品,自身除消耗一點電外幾乎無其他消耗,與常用的標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比,測試費用可大幅度降低。(4)測試重現(xiàn)性好。由于光譜測量的穩(wěn)定性,測試結(jié)果很少受人為因素的影響,與標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比,近紅外光譜一般顯示出更好的重現(xiàn)性。(5)樣品測量一般勿需預(yù)處理,光譜測量方便。由于近紅外光較強的穿透能力和散射效應(yīng),根據(jù)樣品物態(tài)和透光能力的強弱可選用透射或漫反射測譜方式。通過相應(yīng)的測樣器件可以直接測量液體、固體、半固體和膠狀類等不同物態(tài)的樣品。(6)便于實現(xiàn)在線分析。由于近紅外光在光纖中良好的傳輸特性,通過光纖可以使儀器遠(yuǎn)離采樣現(xiàn)場,將測量的光譜信號實時地傳輸給儀器,調(diào)用建立的校正模型計算后可直接顯示出生產(chǎn)裝置中樣品的組成或性質(zhì)結(jié)果。另外通過光纖也可測量惡劣環(huán)境中的樣品。(7)典型的無損分析技術(shù)。光譜測量過程中不消耗樣品,從外觀到內(nèi)在都不會對樣品產(chǎn)生影響。鑒于這一特點,該技術(shù)在活體分析和醫(yī)藥臨床領(lǐng)域正得到越來越多的應(yīng)用。(8)現(xiàn)代近紅外光譜分析也有其固有的弱點。一是測試靈敏度相對較低,這主要是因為近紅外光譜作為分子振動的非諧振吸收躍遷幾率較低,一般近紅外倍頻和合頻的譜帶強度是其基頻吸收的10到10000分之一,就對組分的分析而言,其含量一般應(yīng)大于1%；二是一種間接分析技術(shù),方法所依賴的模型必須事先用標(biāo)準(zhǔn)方法或參考方法對一定范圍內(nèi)的樣品測定出組成或性質(zhì)數(shù)據(jù),因此模型的建立需要一定的化學(xué)計量學(xué)知識、費用和時間,另外分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與模型建立的質(zhì)量和模型的合理使用有很大的關(guān)系?，F(xiàn)代近紅外光譜儀器從分光系統(tǒng)可分為固定波長濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換和聲光可調(diào)濾光器(AOTF)四種類型。光柵色散型儀器根據(jù)使用檢測器的差異又分為掃描式和固定光路兩種。在各種類型儀器中,濾光片型主要作專用分析儀器,為提高測定結(jié)果的準(zhǔn)確性,現(xiàn)在的濾光片型儀器往往裝有多個濾光片供用戶選擇。光柵掃描式是最常用的儀器類型,采用全息光柵分光、PbS或其他光敏元件作檢測器,具有較高的信噪比。由于儀器中的可動部件(如光柵軸)在連續(xù)高強度的運行中可能存在磨損問題,從而影響光譜采集的可靠性,不太適合于在線分析。傅立葉變換近紅外光譜儀是目前近紅外光譜儀器的主導(dǎo)產(chǎn)品,具有較高的分辨率和掃描速度,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(yán)格的工作環(huán)境。AOTF是90年代初出現(xiàn)的一類新型分光器件,采用雙折射晶體,通過改變射頻頻率來調(diào)節(jié)掃描的波長,整個儀器系統(tǒng)無移動部件,掃描速度快,具有較好的儀器穩(wěn)定性,特別適合用于在線分析。但目前這類儀器的分辨率相對較低,AOTF的價格也較高。隨著多通道檢測器件生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟,采用固定光路、光柵分光、多通道檢測器構(gòu)成的NIR儀器,以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、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多通道檢測器中,常用的有二極管陣列(Photodiode-array簡稱PDA)和電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices簡稱CCD)兩種類型。在研制新型近紅外光譜儀器,提高儀器性能的同時,為適合各類樣品的分析,近紅外光譜測樣器件的研制也越來越引起人們的重視。在各類測樣器件中,最引人注目的是各種光纖測樣器件的開發(fā)。通過光纖測樣器件,一方面可以方便測樣過程,另一方面可以利用光纖的遠(yuǎn)距離傳輸特性,將近紅外光譜技術(shù)用于在線分析。光譜化學(xué)計量學(xué)軟件是現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)的一個重要組成部分,將穩(wěn)定、可靠的近紅外光譜分析儀器與功能全面的化學(xué)計量學(xué)軟件相結(jié)合也是現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的一個明顯標(biāo)志。因此,光譜化學(xué)計量學(xué)方法研究在現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展中占有非常重要的地位。從另外一個方面講,現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展也帶動和促進(jìn)了化學(xué)計量學(xué)學(xué)科的發(fā)展。近紅外光譜中化學(xué)計量學(xué)方法的研究主要涉及3個方面的內(nèi)容：一是光譜預(yù)處理方法的研究,目的是針對特定的樣品體系,通過對光譜的適當(dāng)處理,減弱以至于消除各種非目標(biāo)因素對光譜的影響,凈化譜圖信息,為校正模型的建立和未知樣品組成或性質(zhì)的預(yù)測奠定基礎(chǔ)；二是近紅外光譜定性和定量校正方法的研究,目的在于建立穩(wěn)定、可靠的定性或定量分析模型；三是校正模型傳遞技術(shù)的研究,也稱近紅外光譜儀器的標(biāo)準(zhǔn)化,目的是將在一臺儀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類似的儀器上使用,從而減少建模所需的時間和費用?，F(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用除傳統(tǒng)的農(nóng)副產(chǎn)品的分析外已擴展到眾多的其他領(lǐng)域,主要有石油化工和基本有機化工、高分子化工、制藥與臨床醫(yī)學(xué)、生物化工、環(huán)境科學(xué)、紡織工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,近紅外光譜可通過漫反射方法,將測定探頭直接安裝在糧食的谷物傳送帶上,檢驗種子或作物的質(zhì)量,如水分、蛋白含量及小麥硬度的測定。還用于作物及飼料中的油脂、氨基酸、糖分、灰粉等含量的測定以及谷物中污染物的測定；近紅外光譜還被用于煙草的分類、棉花纖維、飼料中蛋白及纖維素的測定,并用于監(jiān)測可耕土壤中的物理和化學(xué)變化。在食品分析中,近紅外光譜用于分析肉、魚、蛋、奶及奶制品等食品中脂肪酸、蛋白、氨基酸等的含量,以評定其品質(zhì)；近紅外光譜還用于水果及蔬菜如蘋果、梨中糖的分析；在啤酒生產(chǎn)中,近紅外光譜被用于在線監(jiān)測發(fā)酵過程中的酒精及糖分含量。近紅外光譜在藥物分析中的應(yīng)用始于60年代后期,在當(dāng)時藥物成分一般通過萃取以溶液形式測定。隨著漫反射測試技術(shù)的出現(xiàn),無損藥物分析在近紅外光譜分析中占有非常重要的位置。現(xiàn)在近紅外光譜已廣泛用于藥物的生產(chǎn)過程控制。在生命科學(xué)領(lǐng)域,近紅外光譜用于生物組織的表征,研究皮膚組織的水分、蛋白和脂肪;Tong等將近紅外光譜用于乳腺癌的檢查；除此之外,近紅外光譜還用于血液中血紅蛋白、血糖及其他成分的測定及臨床研究,均取得較好的結(jié)果。近紅外光譜在石油煉制中的應(yīng)用已涉及石油加工的各個環(huán)節(jié),并為石化工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。測定汽油的辛烷值是近紅外光譜在油品分析中最早也是最成功的應(yīng)用。在其后續(xù)工作中,又嘗試了近紅外光譜在測定汽油族組成中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代儀器研制技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及與化學(xué)計量學(xué)方法的日趨融合，整個近紅外光譜分析系統(tǒng)，無論是硬件系統(tǒng)（近紅外光譜儀、配套專用測量附件等）的穩(wěn)定性、光學(xué)一致性，還是軟件系統(tǒng)（儀器操作控制軟件、數(shù)據(jù)分析軟件等）的人機對話功能，復(fù)雜數(shù)據(jù)處理和數(shù)學(xué)建模功能，均得到全面提升；加之，近年來物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、云計算技術(shù)的興起，近紅外光譜分析技術(shù)服務(wù)于產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化，無論是應(yīng)用于離線分析，還是在線過程監(jiān)測，必將發(fā)揮越來越重要的作用，以下幾方面可能是研究的熱點：（1）近紅外光譜法在在線過程質(zhì)量監(jiān)測中的應(yīng)用研究及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制訂；（2）基于云計算技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的近紅外光譜分析系統(tǒng)、建模服務(wù)系統(tǒng)研發(fā)；（3）基于近紅外光譜數(shù)據(jù)庫與相關(guān)領(lǐng)域知識的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)應(yīng)用研究。近紅外光譜分析技術(shù)是一種快速、高效、無損的分析方法，被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域，如食品安全、藥物分析、材料科學(xué)等。本文將圍繞“我國近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展”展開，詳細(xì)介紹該技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀、應(yīng)用領(lǐng)域以及未來發(fā)展方向等方面的內(nèi)容。近紅外光譜分析技術(shù)自20世紀(jì)70年代問世以來，已經(jīng)經(jīng)歷了數(shù)十年的發(fā)展。目前，全球范圍內(nèi)有許多企業(yè)和研究機構(gòu)在此領(lǐng)域取得了顯著成果。隨著科技的不斷進(jìn)步，近紅外光譜分析技術(shù)也在不斷完善，并向更高的精度、更快速的分析速度以及更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。在我國，近紅外光譜分析技術(shù)的研究和應(yīng)用起步較晚，但發(fā)展迅速。目前，我國已經(jīng)有一些高校和科研機構(gòu)在此領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展。其中，以中科院上海藥物研究所、中國農(nóng)業(yè)大學(xué)、江南大學(xué)等為代表的機構(gòu)和企業(yè)，已經(jīng)在近紅外光譜分析技術(shù)的多個方面取得了重要成果。同時，國內(nèi)也有一些新興的科技企業(yè)開始涉足此領(lǐng)域，進(jìn)一步推動了近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展。近紅外光譜分析技術(shù)在食品安全、藥物分析、材料科學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在食品安全領(lǐng)域，近紅外光譜分析技術(shù)可用于食品的品質(zhì)和安全性的快速檢測，如農(nóng)藥殘留、重金屬含量等。在藥物分析領(lǐng)域，近紅外光譜分析技術(shù)可以對藥物進(jìn)行有效成分的快速鑒定和含量測定，有助于提高藥物質(zhì)量和臨床療效。在材料科學(xué)領(lǐng)域，近紅外光譜分析技術(shù)可用于材料的結(jié)構(gòu)分析和性能評估，如聚合物的分子量、玻璃化轉(zhuǎn)變溫度等。雖然我國近紅外光譜分析技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)取得了一定的成就，但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)。我國在此領(lǐng)域的專業(yè)人才相對較少，需要加強人才培養(yǎng)和引進(jìn)。我國在近紅外光譜分析技術(shù)的自主研發(fā)方面還有很大的提升空間，需要加強科技創(chuàng)新和投入。近紅外光譜分析技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化也是亟待解決的問題，需要制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，以保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。加強人才培養(yǎng)和引進(jìn)：我國應(yīng)該加大對近紅外光譜分析領(lǐng)域的人才培養(yǎng)和引進(jìn)力度，建立完善的人才培養(yǎng)體系，吸引更多的優(yōu)秀人才投身于該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用工作。加強科技創(chuàng)新和投入：政府和企業(yè)應(yīng)該共同加大對近紅外光譜分析技術(shù)的科技創(chuàng)新和投入力度，推動我國在此領(lǐng)域的自主研發(fā)能力提升。同時，鼓勵企業(yè)與高校、研究機構(gòu)進(jìn)行合作，共同推進(jìn)技術(shù)成果的轉(zhuǎn)化和應(yīng)用。制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范：政府和相關(guān)機構(gòu)應(yīng)該制定近紅外光譜分析技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，強化技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范化管理，保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。同時，加強國際合作和交流，推動我國近紅外光譜分析技術(shù)的國際影響力提升。近紅外光譜分析技術(shù)在我國的發(fā)展已經(jīng)取得了顯著的成就，在多個領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，仍需針對存在的問題和挑戰(zhàn)采取有效的措施，加強人才培養(yǎng)和引進(jìn)、科技創(chuàng)新和投入以及標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化管理等方面的工作。只有這樣，我國近紅外光譜分析技術(shù)才能更好地為現(xiàn)代社會的各個領(lǐng)域提供更加精準(zhǔn)、快速和高效的分析服務(wù)，為我國的科技發(fā)展和經(jīng)濟建設(shè)做出更大的貢獻(xiàn)。近紅外光是指波長在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波,是人們認(rèn)識最早的非可見光區(qū)域。習(xí)慣上又將近紅外光劃分為近紅外短波(780～1100nm)和長波(1100～2526nm)兩個區(qū)域?，F(xiàn)代近紅外光譜是90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù),是光譜測量技術(shù)與化學(xué)計量學(xué)學(xué)科的有機結(jié)合,被譽為分析的巨人。量測信號的數(shù)字化和分析過程的綠色化又使該技術(shù)具有典型的時代特征。近紅外光譜(NIR)是介于可見光(VIS)和中紅外光(MIR)之間的電磁波譜，波數(shù)約為：10000~4000cm-1。近紅外光譜法是利用含有氫基團(tuán)（-H，為：C，O，N，S等）化學(xué)鍵(-H)伸縮振動倍頻和合頻，在近紅外區(qū)的吸收光譜，通過選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)計量學(xué)多元校正方法，把校正樣品的近紅外吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行關(guān)聯(lián)，建立校正樣品吸收光譜與其成分濃度或性質(zhì)之間的關(guān)系-校正模型。在進(jìn)行未知樣品預(yù)測時，應(yīng)用已建好的校正模型和未知樣品的吸收光譜，就可定量預(yù)測其成分濃度或性質(zhì)。另外，通過選擇合適的化學(xué)計量學(xué)模式識別方法，也可分離提取樣本的近紅外吸收光譜特征信息，并建立相應(yīng)的類模型。在進(jìn)行未知樣品的分類時，應(yīng)用已建立的類模型和未知樣品的吸收光譜，便可定性判別未知樣品的歸屬。具體而言，近紅外光譜的分析技術(shù)與其他常規(guī)分析技術(shù)不同?，F(xiàn)代近紅外光譜是一種間接分析技術(shù),是通過校正模型的建立實現(xiàn)對未知樣本的定性或定量分析。圖1給出了近紅外光譜分析模型建立及應(yīng)用的框圖,其分析方法的建立主要通過以下幾個步驟完成。近紅外光譜技術(shù)之所以成為一種快速、高效適合過程在線分析的有利工具,是由其技術(shù)特點決定的,近紅外光譜分析的主要技術(shù)特點如下：(1)分析速度快。由于光譜的測量過程一般可在1min內(nèi)完成(多通道儀器可在1Sec之內(nèi)完成),通過建立的校正模型可迅速測定出樣品的組成或性質(zhì)。(2)分析效率高。通過一次光譜的測量和已建立的相應(yīng)的校正模型,可同時對樣品的多個組成或性質(zhì)進(jìn)行測定。在工業(yè)分析中,可實現(xiàn)由單項目操作向車間化多指標(biāo)同時分析的飛躍,這一點對多指標(biāo)監(jiān)控的生產(chǎn)過程分析非常重要,在不增加分析人員的情況下可以保證分析頻次和分析質(zhì)量,從而保證生產(chǎn)裝置的平穩(wěn)運行。(3)分析成本低。近紅外光譜在分析過程中不消耗樣品,自身除消耗一點電外幾乎無其他消耗,與常用的標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比,測試費用可大幅度降低。(4)測試重現(xiàn)性好。由于光譜測量的穩(wěn)定性,測試結(jié)果很少受人為因素的影響,與標(biāo)準(zhǔn)或參考方法相比,近紅外光譜一般顯示出更好的重現(xiàn)性。(5)樣品測量一般勿需預(yù)處理,光譜測量方便。由于近紅外光較強的穿透能力和散射效應(yīng),根據(jù)樣品物態(tài)和透光能力的強弱可選用透射或漫反射測譜方式。通過相應(yīng)的測樣器件可以直接測量液體、固體、半固體和膠狀類等不同物態(tài)的樣品。(6)便于實現(xiàn)在線分析。由于近紅外光在光纖中良好的傳輸特性,通過光纖可以使儀器遠(yuǎn)離采樣現(xiàn)場,將測量的光譜信號實時地傳輸給儀器,調(diào)用建立的校正模型計算后可直接顯示出生產(chǎn)裝置中樣品的組成或性質(zhì)結(jié)果。另外通過光纖也可測量惡劣環(huán)境中的樣品。(7)典型的無損分析技術(shù)。光譜測量過程中不消耗樣品,從外觀到內(nèi)在都不會對樣品產(chǎn)生影響。鑒于這一特點,該技術(shù)在活體分析和醫(yī)藥臨床領(lǐng)域正得到越來越多的應(yīng)用。(8)現(xiàn)代近紅外光譜分析也有其固有的弱點。一是測試靈敏度相對較低,這主要是因為近紅外光譜作為分子振動的非諧振吸收躍遷幾率較低,一般近紅外倍頻和合頻的譜帶強度是其基頻吸收的10到10000分之一,就對組分的分析而言,其含量一般應(yīng)大于1%；二是一種間接分析技術(shù),方法所依賴的模型必須事先用標(biāo)準(zhǔn)方法或參考方法對一定范圍內(nèi)的樣品測定出組成或性質(zhì)數(shù)據(jù),因此模型的建立需要一定的化學(xué)計量學(xué)知識、費用和時間,另外分析結(jié)果的準(zhǔn)確性與模型建立的質(zhì)量和模型的合理使用有很大的關(guān)系?，F(xiàn)代近紅外光譜儀器從分光系統(tǒng)可分為固定波長濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換和聲光可調(diào)濾光器(AOTF)四種類型。光柵色散型儀器根據(jù)使用檢測器的差異又分為掃描式和固定光路兩種。在各種類型儀器中,濾光片型主要作專用分析儀器,為提高測定結(jié)果的準(zhǔn)確性,現(xiàn)在的濾光片型儀器往往裝有多個濾光片供用戶選擇。光柵掃描式是最常用的儀器類型,采用全息光柵分光、PbS或其他光敏元件作檢測器,具有較高的信噪比。由于儀器中的可動部件(如光柵軸)在連續(xù)高強度的運行中可能存在磨損問題,從而影響光譜采集的可靠性,不太適合于在線分析。傅立葉變換近紅外光譜儀是目前近紅外光譜儀器的主導(dǎo)產(chǎn)品,具有較高的分辨率和掃描速度,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(yán)格的工作環(huán)境。AOTF是90年代初出現(xiàn)的一類新型分光器件,采用雙折射晶體,通過改變射頻頻率來調(diào)節(jié)掃描的波長,整個儀器系統(tǒng)無移動部件,掃描速度快,具有較好的儀器穩(wěn)定性,特別適合用于在線分析。但目前這類儀器的分辨率相對較低,AOTF的價格也較高。隨著多通道檢測器件生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟,采用固定光路、光柵分光、多通道檢測器構(gòu)成的NIR儀器,以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、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多通道檢測器中,常用的有二極管陣列(Photodiode-array簡稱PDA)和電荷耦合器件(ChargeCoupledDevices簡稱CCD)兩種類型。在研制新型近紅外光譜儀器,提高儀器性能的同時,為適合各類樣品的分析,近紅外光譜測樣器件的研制也越來越引起人們的重視。在各類測樣器件中,最引人注目的是各種光纖測樣器件的開發(fā)。通過光纖測樣器件,一方面可以方便測樣過程,另一方面可以利用光纖的遠(yuǎn)距離傳輸特性,將近紅外光譜技術(shù)用于在線分析。光譜化學(xué)計量學(xué)軟件是現(xiàn)代近紅外光譜分析技術(shù)的一個重要組成部分,將穩(wěn)定、可靠的近紅外光譜分析儀器與功能全面的化學(xué)計量學(xué)軟件相結(jié)合也是現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的一個明顯標(biāo)志。因此,光譜化學(xué)計量學(xué)方法研究在現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展中占有非常重要的地位。從另外一個方面講,現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的發(fā)展也帶動和促進(jìn)了化學(xué)計量學(xué)學(xué)科的發(fā)展。近紅外光譜中化學(xué)計量學(xué)方法的研究主要涉及3個方面的內(nèi)容：一是光譜預(yù)處理方法的研究,目的是針對特定的樣品體系,通過對光譜的適當(dāng)處理,減弱以至于消除各種非目標(biāo)因素對光譜的影響,凈化譜圖信息,為校正模型的建立和未知樣品組成或性質(zhì)的預(yù)測奠定基礎(chǔ)；二是近紅外光譜定性和定量校正方法的研究,目的在于建立穩(wěn)定、可靠的定性或定量分析模型；三是校正模型傳遞技術(shù)的研究,也稱近紅外光譜儀器的標(biāo)準(zhǔn)化,目的是將在一臺儀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類似的儀器上使用,從而減少建模所需的時間和費用?，F(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用除傳統(tǒng)的農(nóng)副產(chǎn)品的分析外已擴展到眾多的其他領(lǐng)域,主要有石油化工和基本有機化工、高分子化工、制藥與臨床醫(yī)學(xué)、生物化工、環(huán)境科學(xué)、紡織工業(yè)和食品工業(yè)等領(lǐng)域。在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域,近紅外光譜可通過漫反射方法,將測定探頭直接安裝在糧食的谷物傳送帶上,檢驗種子或作物的質(zhì)量,如水分、蛋白含量及小麥硬度的測定。還用于作物及飼料中的油脂、氨基酸、糖分、灰粉等含量的測定以及谷物中污染物的測定；近紅外光譜還被用于煙草的分類、棉花纖維、飼料中蛋白及纖維素的測定,并用于監(jiān)測可耕土壤中的物理和化學(xué)變化。在食品分析中,近紅外光譜用于分析肉、魚、蛋、奶及奶制品等食品中脂肪酸、蛋白、氨基酸等的含量,以評定其品質(zhì)；近紅外光譜還用于水果及蔬菜如蘋果、梨中糖的分析；在啤酒生產(chǎn)中,近紅外光譜被用于在線監(jiān)測發(fā)酵過程中的酒精及糖分含量。近紅外光譜在藥物分析中的應(yīng)用始于60年代后期,在當(dāng)時藥物成分一般通過萃取以溶液形式測定。隨著漫反射測試技術(shù)的出現(xiàn),無損藥物分析在近紅外光譜分析中占有非常重要的位置。現(xiàn)在近紅外光譜已廣泛用于藥物的生產(chǎn)過程控制。在生命科學(xué)領(lǐng)域,近紅外光譜用于生物組織的表征,研究皮膚組織的水分、蛋白和脂肪;Tong等將近紅外光譜用于乳腺癌的檢查；除此之外,近紅外光譜還用于血液中血紅蛋白、血糖及其他成分的測定及臨床研究,均取得較好的結(jié)果。近紅外光譜在石油煉制中的應(yīng)用已涉及石油加工的各個環(huán)節(jié),并為石化工業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。測定汽油的辛烷值是近紅外光譜在油品分析中最早也是最成功的應(yīng)用。在其后續(xù)工作中,又嘗試了近紅外光譜在測定汽油族組成中的應(yīng)用。隨著現(xiàn)代儀器研制技術(shù)的不斷進(jìn)步，以及與化學(xué)計量學(xué)方法的日趨融合，整個近紅外光譜分析系統(tǒng)，無論是硬件系統(tǒng)（近紅外光譜儀、配套專用測量附件等）的穩(wěn)定性、光