近红外光谱技术

近红外光谱技术 20044 1 2 近红外光谱技术（NIR）是一种高效快速的现代分析技术，它综合运用了计 算机技术、光谱技术和化学计量学等多个学科的最新研究成果，以其独特的优势 在多个领域得到了日益广泛的应用。并已逐渐得到大众的普遍接受和官方的认 可。 近红外区域按ASTM定义是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，是人们最早发现的非可见光区域。由于物质在该谱区的倍频和合频吸收信号弱，谱带重 叠，解析复杂，受当时的技术水平限制，近红外光谱“沉睡” 了近一个半世纪。直到20世纪50年代，随着商品化仪器的出现及Norris等人所做的大量工作，使得近红外光谱技术曾经在农副产品分析中得到广泛应用。到60年代中后期，随着各种新的分析技术的出现，和经典近红外光谱分析技术暴露出的灵敏度低、 抗干扰性差的弱点，使人们淡漠了该技术在分析测试中的应用，从此，近红外光 谱进入了一个沉默的时期。80年代后期，随着计算机技术的迅速发展，带动了 分析仪器的数字化和化学计量学的发展，通过化学计量学方法在解决光谱信息提 取和背景干扰方面取得的良好效果，加之近红外光谱在测样技术上所独有的特 点，使人们重新认识了近红外光谱的价值，近红外光谱在各领域中的应用研究陆 续展开。进入90年代，近红外光谱在工业领域中的应用全面展开，有关近红外 光谱的研究及应用文献几乎呈指数增长，成为发展最快、最引人注目的一门独立 的分析技术。由于近红外光在常规光纤中具有良好的传输特性，使近红外光谱在 在线分析领域也得到了很好的应用，并取得良好的社会效益和经济效益，从此近 [1] 红外光谱技术进入一个快速发展的新时期。 3 习惯上将近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。近红外光谱主要是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，记录的主要是含氢基团C－H、O－H、N－H、S－H、P－H等振动的倍频和合频吸收。不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基 团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。所以近红外光谱具 有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成性质测量。 虽然近红外光谱理论上非常适合用于碳氢有机物质的组成性质测量，但是在 该区域内，含氢基团化学键振动的倍频与合频吸收强度很弱，灵敏度相对较低， 吸收带较宽且重叠严重，因此，依靠传统的建立工作曲线方法进行定量分析是十 分困难的。这也是早期影响近红外光谱分析技术发展的致命原因所在。化学计量 学的发展为这一问题的解决奠定了数学基础。 化学计量学（Chemometrics）是综合使用数学、统计学和计算机科学等方法 [1]从化学测量数据中提取信息的一门新兴的交叉学科。大量化学计量学方法被写 成软件，并成为分析仪器（尤其是近红外光谱仪）的重要组成部分。国内已有 WINDOWS环境下的中文版本应用软件，如中国石化石油化工科学研究院开发的 “化学计量学光谱分析软件版本1.0”和“化学计量学光谱分析软件版本2.0”。这些商品软件的出现使得应用化学计量学方法解决实际复杂体系的分析问题成 为现实。其中的数学处理方法主要有：多元线性回归（MLR）、逐步回归（SMR）、主成分分析（PCA）、主成分回归（PCR）、偏最小二乘法（PLS）、人工神经网络（ANN）和拓扑（Toplogical）等。MLR和SMR法在分析样品时只用了一些特征波长点的 光谱信息，其它点的信息被丢失，易产生模型的过适应性（overfitting）。PCR和PLS的显著特点就是利用了全部光谱信息，可以压缩所需样品数量，将高度相 关的波长点归于一个独立变量中，根据为数不多的独立变量建立回归方程，通过 内部检验来防止过模型现象，比MLR和SMR分析精度提高。石油化工科学研究院 4 采用的就是该方法，先对近红外光谱数据通过主成分分析进行压缩，选取合适的 几个主成分的得分作为输入参数。 样品的近红外光谱包含了组成与结构的信息，而性质参数（如油品的相对密 度、馏程和闪点等）也与其组成、结构相关。因此，在样品的近红外光谱和其性 质参数间也必然存在着内在的联系。使用化学计量学这种数学方法对其两者进行 关联，可确立这两者间的定量或定性关系，即校正模型。建立模型后，只要测量 未知样品的近红外光谱，再通过软件自动对模型库进行检索，选择正确模型，根 据校正模型和样品的近红外光谱就可以预测样品的性质参数。所以，整个近红外 光谱分析方法包括了校正和预测两个过程。 近红外光谱 化学计量学 训练集样品 软件 组成或性质 数据 图1 分析过程示意图 因此，近红外光谱分析又称“黑匣子”分析技术，即间接测量技术。通过 5 对样品光谱和其性质参数进行关联，建立校正模型，然后通过校正模型预测样品 的组成和性质。过程如图1所示。蓝色箭头所表示的就是预测过程，用于常规分 析。使用化学计量学软件，通过待测样品的光谱和模型计算出其性质和组成数据。 图2 三位一体的近红外光谱分析技术 由近红外光谱分析技术的工作过程可见，现代近红外光谱分析技术包括了近 红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三部分。三者的有机结合才能满足快速 分析的技术要求，缺一不可。如图2所示。 因此，模型的建立对于近红外光谱分析技术来说是非常关键的。它将直接影 响近红外光谱分析的工作效率和质量。实际应用中，建立模型都是通过化学计量 学软件实现的，并且有严格的规范（如ASTM-1655标准）。一般情况下，建立模型要按照如下步骤： 建立一个模型通常是从一个小的光谱数据库开始的，虽然开始建立模型所使 用的样本数目很有限，但通过化学计量学处理得到的模型能具有较强的普适性。 如果做定性分析模型，收集的样品一般需要20个左右。如果做定量分析模型，收集的样品一般需要50～80个。如果样品为天然产物（比如农作物或烟草），则 所需要的样品数量就会更多，大约是非天然产物的3～5倍左右。譬如，一个用 [3]于小麦定量的成熟模型就需要拥有数以千计的样品。在收集样品的时候一定注意要保证样品具有代表性。也就是说样品的性质参数范围要能够涵盖所期望的变 6 化范围。并且还要做到在这个所期望的变化范围内样品的性质参数是均匀分布 的，不能只包括部分性质参数范围中的一簇样本。 另外，一个理想的标定光谱集应涵盖性质参数与温度变化造成的光谱变化的 所有情况，因为样品（特别是液体样品）的近红外吸收强度随温度的不同会有很 大的改变。这样就给模型的建立和以后的分析带来很大的麻烦。为了解决这一问 题，有些仪器厂商在仪器的载样器件上设臵了恒温装臵，从而保证了建模温度和 测量温度的一致性。所以对于具有恒温装臵的近红外光谱分析仪器来说，它的模 型建立过程，基本上就不需要考虑温度的干扰了。 收集来一定量有代表性的样品后，根据需要使用传统的有关标准分析方法对 样品进行测量，得到样品的各种性质参数，称之为参考数据，如图1所示的提供已知性质参数的训练样品集。然后分别采集每个样品的近红外光谱图，再通过化 学计量学对光谱进行处理，并将其与不同性质参数的参考数据相关联，这样在光 谱图和其参考数据之间便建立起了一一对应映射的关系，这种一一对应的映射关 系的建立便是模型的建立。 模型建立起来后，准确的说还不能直接用于测量分析，在真正投入使用之前 还需要对其进行有效性的确认，以便检查它能否正确预测结果。 良好的模型应当是在用验证集样本对模型进行考核时，其预测结果与标准方 法实际测量结果有良好的一致性。另外，应尽量不受仪器变化、温度变化和背景 干扰等因素的影响，而只对样品物化性质的变化反映敏感。找来一组（一般是5～ 10个，当然越多越好）性质参数已知但未参与模型建立的合格样品（这些样品 被称为校验集），用已经建立的模型来分析测试它们，只要误差在能够接受的范 围内的样品（俗称“好的”样品）数与误差在不能够接受的范围内的样品（俗称 [3]“坏的”样品）数之比保证大于3：2，则一般认为该模型是有效的，便可以投 入使用了。相反，如果“好的”样品数与“坏的”样品数之比达不到3：2或应 用者更高的预期要求，则说明该模型不能应用于实际分析。造成这样结果的原因 除了建模过程中参数设定的问题以外，主要还是来自样品的选取环节。有可能是 参与建模的样品数量不够多，也有可能是参与建模的样品含盖范围不够大。这样 就需要重新选择新的样品训练集或在原来的样品训练集基础上增加参与建模的 7 样品数量。然后用新的样品训练集进行建模，直至有效性验证通过为止。 显然，模型所适用的范围越宽越好，但是模型的范围大小与建立模型所使用 的校正方法有关，与待测的性质数据有关，还与测量所要求达到的分析精度范围 有关。前面提到，建立一个标定模型通常是从一个小的光谱数据库开始的。数据 库小，模型的适用范围就必然受到限制。这也就意味着要想使一个模型更加稳定、 适用范围更加宽广，就需要不断地对模型的数据库进行扩充。 检测过程中，在未知样本的物化性质预测尚无把握时，一般通过计算马氏距 [1]离或其它方法进行模型的适用性判断。如果定性判别的结果指出该样本不在原 来模型的范围内，则这个样品称为界外点。如果该界外点不是远离原来的模型， 则可以将该样品重新包括到原来的训练集中，重新建立模型，以便适用更大范围 的样品。这样便完成了一次模型的扩充，久而久之，模型在使用过程中不断地得 到扩充，那么在分析过程中出现界外点的情况就会越来越少了。 定性训练集光谱 优化定性模型 定性模型 参考数据 光谱 样品集 产品模型 定量训练集 定量模型 优化定量模型 图3 多个校正模型的建立提高分析效率 近红外光谱分析技术分析速度快，是因为光谱测量速度很快，计算机计算结 8 果速度也很快的原因。但近红外光谱分析的效率却取决于仪器所配备的模型的数 量。比如，测量一张光谱图，如果仅有一个模型，就只能得到一个数据，但是， 如果建立了10种性质参数模型，那么，仅凭测量的一张光谱，就可以同时得到 10种分析数据。如下图3所示，多个性质参数模型的建立，可以大大提高近红 外光谱分析的工作效率，充分发挥它的特长。 9 近红外光谱仪器不管按何种方式设计，一般由光源、分光系统、载样器件、 检测器和数据处理以及记录仪（或打印机）等几部分构成。 近红外光谱仪器的光源，其基本要求是在所测量光谱区域内发射足够强度 的光辐射，并具有良好的稳定性。一般来说，光源的亮度不成问题，要获得稳定 的光谱主要是解决光源的稳定性，光源的稳定性主要通过高性能的光源能量监控 和可靠电路系统来实现。目前，在近红外光谱仪器中最常见的光源为溴钨灯，在 其近红外区域内，各波长下光源所辐射出的能量并非一致。为避免低波长的辐射 光对样品吸收近红外光的影响，在光源和分光系统间常加有滤光片，以便将大部 分可见光滤掉而不致影响近红外范围的光谱，并可减少杂散光的影响。由于溴钨 灯有一定的使用寿命，更换灯时要注意灯的位臵和安装角度。 分光系统的作用是将多色光转化为单色光，是近红外光谱仪器的核心部件。 根据分光原理的不同，近红外光谱仪器的分光器件主要有滤光片、光栅、干涉仪、 声光可调滤光器等几种类型。 检样器件是指承载样品或与样品作用的器件。由于近红外光及样品近红外 光谱的特点，近红外光谱仪器的检样器件随测样方式的不同有较大的差异。就实 验室常规分析而言，液体样品根据选定使用的光谱区域可采用不同尺寸的玻璃或 石英样品池；固体样品可采用积分球或特定的漫反射载样器件；有时根据样品的 具体情况也可以采用一些特殊的载样器件。在定位或在线分析中经常采用光纤载 样器件。 检测器由光敏元件构成，其作用是检测近红外光与样品作用后携带样品信 息的光信号，将光信号转变为电信号，并通过模数转换器以数字信号形式输出。 检测器有单通道和多通道两种检测方式。前者是经过光谱扫描，逐一接受每个波 长下的光信号；后者则是同时接受指定光谱范围内的光信号。例如北京英贤仪器 10 有限公司生产的NIR3000、NIR6000型近红外光谱分析仪都是采用CCD多通道的检测方式。它可以避免检测过程中光栅等部件的移动。从而保证仪器的稳定性。 现代近红外光谱仪器的控制及数据处理分析系统是仪器的重要组成部分。 一般由仪器控制、采谱和光谱处理分析两个软件系统和相应的硬件设备构成。前 者主要功能是控制仪器各部分的工作状态，设定光谱采集的有关参数，如光谱测 量方式、扫描次数、设定光谱的扫描范围等，设定检测器的工作状态并接受检测 器的光谱信号。光谱处理分析软件主要对检测器所采集的光谱进行处理，实现定 性或定量分析。对特定的样品体系，近红外光谱特征峰的差别并不明显，需要通 过光谱的处理减少以至消除各方面因素对光谱信息的干扰，再从差别甚微的光谱 信息中提取样品的定性或定量信息，这一切都要通过功能强大的光谱数据处理分 析软件来实现。 记录或打印样品的光谱或定性、定量分析结果。 从技术的角度出发，近红外光谱仪器有多种分类形式，具体如下。 从使用的光源看，既有发出宽谱带卤钨光源的仪器，也有采用多个产生 窄谱带发光二极管组合作光源构成的仪器。 从样品光谱信息的获得看，有简单的在一个或几个波长下测定的专用型 滤光片型仪器，也有在近红外波长范围内测定全谱信息的研究型仪器。 从光谱测定的波长范围看，由于采用不同检测器和分光器件，有的专用 于短波近红外区域，有的则适合用于长波近红外区域。 从检测器对分析光的响应看，有单通道和多通道两种类型，多通道型又 有采用CCD（电荷耦合器件）和PDA（二极管阵列器件）的近红外光谱仪。 从仪器的分光器件看，可分为4种主要类型：滤光片、光栅分光、傅立 叶变换（麦克尔逊干涉仪）和声光调制滤光器。下面就根据这种分类方式具体解 释一下不同类型仪器的特点。 滤光片型主要作专用分析仪器，如粮食水分测定仪。由于滤光片数量有限， 11 很难分析复杂体系的样品。光栅扫描式具有较高的信噪比和分辨率，但由于仪器 中的可动部件（如光栅转轴）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通过采用 麦克尔逊干涉仪对光进行干涉来达到分光的目的，从而具有较高的分辨率和扫描 速度，但这类仪器存在明显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。声光可调滤光器是采用双折射晶体，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。但目前这类仪器的分辨率相 对较低，价格也较高。 滤光片型和声光可调滤光器型在性能和特点上有着显著的局限性，光栅扫 描型和傅立叶变换型这两种类型虽然具有个别优点，但主要还是都存在移动部件 可能造成磨损从而影响仪器稳定性的问题。如何才能得到人们较为满意的近红外 光谱分析仪器呢？ 表1 各种类型近红外光谱分析仪器特点与性能比较 类型 特点 分辨率 扫描速信噪比 度 光栅扫描 有移动部件，光通量低 低 慢 低 傅立叶变换 有移动部件，光通量高 高 中 高 声光调制滤光器 无移动部件，光通量中 低 快 中 固定光路阵列检测 无移动部件，光通量中 中 快 中 随着阵列检测器件生产技术的日趋成熟，为解决上述问题找到了较为妥当 的方法。采用固定光路、光栅分光、阵列检测器构成的近红外光谱分析仪器，以 其性能稳定、扫描速度快、分辨率高、信噪比高以及性能价格比好等特点正越来 越引起人们的重视。它通过如同蜻蜓复眼一样的多通道阵列检测器接收不同波长 下的光谱，从而避免了光栅或单检测器等部件的移动，实现了光路的固定。在与 固定光路相匹配的阵列检测器中，常用的有电荷耦合器件（CCD）和二极管阵列（PDA）两种类型，其中硅基（Si：400～1100nm）CCD多用于近红外短波区域的 12 光谱仪，硫化铅基（PbS：1100～2500nm）或铟-镓-砷基（InGaAs：800～1700nm）PDA检测器则用于长波近红外区域。表1很直观地对几种类型近红外光谱分析仪 器的特点和性能做了比较。 北京英贤仪器有限公司是中国近红外光谱分析技术的积极倡导者。他们与中 国石化石油化工科学研究院和美国微光系统公司合作，基于阵列检测器，成功地 开发出了固定光路、光栅分光阵列检测的系列近红外光谱仪，包括实验室型和在 线型仪器，光谱范围覆盖了整个近红外波段（700～1100nm，1100～2500nm）。其光路如图4所示。做到了无移动光学部件，从而保证了仪器的长期稳定性。 图4 采用固定光路阵列检测的NIR-3000 近红外光谱分析仪光路图 在近红外光谱仪器的选型或使用过程中，考虑仪器的哪些指标来满足分析 的使用要求，这是分析工作者需要考虑的问题。对一台近红外光谱进行评价时， 必须要了解仪器的主要性能指标，下面就简单做一下介绍。 对任何一台特定的近红外光谱仪器，都有其有效的光谱范围，光谱范围主要 取决于仪器的光路设计、检测器的类型以及光源。前文提到近红外光谱仪器的波 长范围通常分两段，700～1100nm的短波近红外光谱区域和1100～2500nm的长波近红外光谱区域。 13 光谱的分辨率主要取决于光谱仪器的分光系统，对用多通道检测器的仪器， 还与仪器的像素有关。分光系统的带宽越窄，其分辨率越高，对光栅分光仪器而 言，分辨率的大小还与狭缝的设计有关。仪器的分辨率能否满足要求，要看仪器 的分析对象，即分辨率的大小能否满足样品信息的提取要求。有些化合物的结构 特征比较接近，要得到准确的分析结果，就对仪器的分辨率提出较高的要求，例 如二甲苯异构体的分析，一般要求仪器的分辨率好于1nm。 光谱仪器波长准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标 定波长之差。波长的准确性对保证近红外光谱仪器间的模型传递非常重要。为了 保证仪器间校正模型的有效传递，波长的准确性在短波近红外范围要求好于 0.5nm，长波近红外范围好于1.5nm。 波长的重现性指对样品进行多次扫描，谱峰位臵间的差异，通常用多次测量 某一谱峰位臵所得波长或波数的标准偏差表示（傅立叶变换的近红外光谱仪器习 -1惯用波数cm表示）。波长重现性是体现仪器稳定性的一个重要指标，对校正模 型的建立和模型的传递均有较大的影响，同样也会影响最终分析结果的准确性。 一般仪器波长的重现性应好于0.1nm。 吸光度准确性是指仪器对某标准物质进行透射或漫反射测量，测量的吸光度 值与该物质标定值之差。对那些直接用吸光度值进行定量的近红外方法，吸光度 的准确性直接影响测定结果的准确性。 吸光度重现性指在同一背景下对同一样品进行多次扫描，各扫描点下不同次 测量吸光度之间的差异。通常用多次测量某一谱峰位臵所得吸光度的标准偏差表 示。吸光度重现性对近红外检测来说是一个很重要的指标，它直接影响模型建立 的效果和测量的准确性。一般吸光度重现性应在0.001～0.0004A之间。 吸光度噪音也称光谱的稳定性，是指在确定的波长范围内对样品进行多次 14 扫描，得到光谱的均方差。吸光度噪音是体现仪器稳定性的重要指标。将样品信 号强度与吸光度噪音相比可计算出信噪比。 吸光度范围也称光谱仪的动态范围，是指仪器测定可用的最高吸光度与最低 能检测到的吸光度之比。吸光度范围越大，可用于检测样品的线性范围也越大。 基线稳定性是指仪器相对于参比扫描所得基线的平整性，平整性可用基线 漂移的大小来衡量。基线的稳定性对我们获得稳定的光谱有直接的影响。 杂散光定义为除要求的分析光外其它到达样品和检测器的光量总和，是导 致仪器测量出现非线性的主要原因，特别对光栅型仪器的设计，杂散光的控制非 常重要。杂散光对仪器的噪音、基线及光谱的稳定性均有影响。一般要求杂散光 小于透过率的0.1％。 扫描速度是指在一定的波长范围内完成1次扫描所需要的时间。不同设计 方式的仪器完成1次扫描所需的时间有很大的差别。例如，电感器件多通道近红 外光谱仪器完成1次扫描只需20ms，速度很快；一般傅立叶变换仪器的扫描速 度在1次/s左右；传统的光栅扫描型仪器的扫描速度相对较慢，但近期NIR Systems 公司推出的光栅扫描型仪器采用新的设计形式，扫描速度达1.8次/s。 采样间隔是指连续记录的两个光谱信号间的波长差。很显然，间隔越小， 样品信息越丰富，但光谱存储空间也越大；间隔过大则可能丢失样品信息，比较 合适的数据采样间隔设计应当小于仪器的分辨率。 测样方式在此指仪器可提供的样品光谱采集形式。有些仪器能提供透射、 漫反射、光纤测量等多种光谱采集形式。 软件是现代近红外光谱仪器的重要组成部分。软件一般由光谱采集软件和 光谱化学计量学处理软件两部分构成。前者不同厂家的仪器没有很大的区别，而 15 后者在软件功能设计和内容上则差别很大。光谱化学计量学处理软件一般由谱图 的预处理、定性或定量校正模型的建立和未知样品的预测三大部分组成，软件功 能的评价要看软件的内容能否满足实际工作的需要。 16 分光光谱测量吸收是-logT，即透射率对数的负值。比尔（Beer）法表达式把吸收率与分析物浓度以下式相关联：A=abc；A是吸收率；a是分子吸光系数；b是样品的光程长；c是分析物浓度。在限定范围内，这一关系是线性的。 反射在近红外中通常是指漫反射，即检测器观察到的不是按镜象方式的反射 角返回。它不像吸收率与波长一样的关联，而是记录log（1/R）与波长的关系。R值是对照一个不吸收光波标准物（参比物）的反射率。通常是一白色反射器， 例如陶瓷板或复合材料的聚合物。 近红外光谱自身及近红外光谱的产生过程使其有许多独有的特点，表现在样 品光谱的获得方式及谱图传输技术上有不少与其它光谱技术不同的地方，如近红 外透射和近红外反射测样技术可以很方便地测定各种物态的样品，以得到其相应 的光谱。通过各种特定的载样器件配合光纤传输，可以很方便地实现远距离过程 分析或非接触性分析，这对提高分析效率、保护分析人员免受测试样品及取样环 境的污染无疑是非常有益的。但是，在近红外分析过程中，由于所使用的仪器类 型、波长范围、测试样品形态等方面存在差异，要获得准确的分析结果必须注意 待测样品的取样方法、样品的处理与准备并准备合适的载样器件。与近红外光谱 分析仪器不匹配的载样器件是导致信噪比较差的主要原因之一。由于样品的物理 性质和外观状态不同，在测样时就需要有不同的载样器件。好在样品的近红外光 谱获得方式有很多，所以分析人员总可以为样品选择一种最合适载样器件。 在实验室中使用常规近红外光谱分析仪器对均匀透明液体样品进行分析，一 般采用透射方法。所用的样品池与常规分光仪器所用的样品池没有差别，但根据 使用的波长范围的不同，要注意选择合适的光程。由于近红外光谱对温度比较敏 17 感，前面讲到为提高分析结果的准确度，有些仪器的样品池配有恒温装臵或带有 恒温器件。这类恒温装臵由于温度可调，对一些较高粘度样品的测定非常有效， 因为这类样品在温度升高时粘度降低，减小了折光对光谱的影响。 除常规样品池外，不少近红外光谱仪器带有流通池附件，由于流通池在光路 中的位臵的相对固定，避免了普通样品池放入光路时在位臵上可能产生的随机误 差。但在使用流通池时要注意池体清洗不彻底、气泡残留以及样品的交叉污染等 对分析结果的影响。 漫反射分析技术主要用于不透明、固体及半固体类样品的分析。由于样品形 态差别较大，不同样品在载样器件的选用上也不相同，有些甚至是专用载样器件。 在早期的漫反射分析中，为了获得较高信噪比的光谱，更多地收集各个方向 的漫反射光，最常使用的载样器件是积分球。随着检测器性能的极大改善，几何 载样器件得到越来越多的使用。设计重点主要是考虑样品池架如何适应所测样品 的形态并获得稳定可靠的光谱，许多仪器公司在这方面做了大量工作，特别是光 纤技术的采用使样品漫反射光谱的测定更加方便。 光纤在通讯领域的应用引起了通讯技术的革命。光纤在光谱技术领域的应用 使光谱仪器从实验室走向现场，通过在线分析实现了对工艺过程的优化控制，这 是光谱技术应用的一个重大革命性转变。光谱技术与光纤技术结合的优越性主要 表现在以下几个方面： （1）通过光纤的长距离传输可实现生产过程的快速在线检测。据有关资料 介绍，通过光纤，近红外光谱仪器可以远离采样现场100m进行在线检测。 （2）可减少分析仪器的光学零件，减少光学系统的调整难度，便于分析装 臵的小型化。 （3）通过特定的光纤探头，可以方便地进行无损定位分析，甚至可以实现 体内分析。 （4）可在困难条件下或危险环境中采样分析，如有毒、充满易燃易爆样品 的环境。 （5）光纤对电磁干扰不敏感，可在条件复杂的工业现场稳定工作。 18 （6）光纤技术的采用也使实验室分析的方式更加方便、灵活。 固态样品近红外吸收大都在1100～2500nm之间。研磨后的细粉末以至原始的粗颗粒都可以产生近红外吸收，光谱不仅可以穿透粉末样品，还可以穿透固体样 品。所以可以让近红外光直接从平滑的玻璃瓶底部穿过去测量里面的样品，因为 玻璃对近红外光没有明显的吸收。要注意是所需样品应该较多以便能保证把足 够的光源反射回检测器。如样品量不够，则需选用较小的样品皿作反射，把已 [3] 经穿透样品的近红外光谱反射回来进行检测。 对于非均匀的粗粉末和颗粒，可采用连续旋转样品皿或连续反复移动 式样品容器做大面积近红外反射扫描，这种方法使样品的非均匀性得到平均 化。 测量固态样品时一定要注意样品的装载，有时因样品装载引起的光谱差异甚 至比样品的研磨、粉碎不同带来的差异更为明显。所以装载时在装载的深浅、均 匀程度、密实程度上一定要一致。另外，为减小样品表面的等角度反射噪音，近 o红外入射光要与样品表面呈90角。 液态样品（清晰或以至混浊）比研细的粉末都更加均匀，近红外光可直接透 射经过匹配光程的样品池对其盛装的样品进行检测。样品池的尺寸根据样品的具 体情况和选择使用的光谱区域来确定。一般情况下，液体样品测量光程大约在 1～100mm范围内。如果为提高分析速度采用多个样品池交替使用，一定要注意 样品池间的差别，特别是使用长光程样品池时更是如此，因为长光程在尺寸上的 微小差别对分析光在样品池中的折射效应将产生明显的影响，最终将影响测量的 光谱。对一些非均相样品，要注意出现层析的情况，样品的层析将严重影响其光 谱。 对于类似牛奶这样透明程度很差的乳状液体系，样品中的乳液颗粒对光产生 散射效应，光的走向和光程都不确定，可采用“透-漫射检测”的方式。 另一种方法在近红外光谱分析中称为“透-反射检测”。它是在液体中插入一 19 个反射器，进行双光程（来回行程）透射测量。这种测样方式适合对大容器中的 液体进行检测。 20 近红外光谱分析技术之所以能在短短的10年内，在众多领域得到应用，进而在数据处理及仪器制造方面有如此迅速的发展，主要是因为它在有机化合物的 分析测定中有诸多独特的优越性，因此堪称是一种“多快好省”的较为理想的现 代分析技术。然而，事务都具有两面性，近红外光谱分析技术也不例外，同样存 在固有的缺点。下面就近红外光谱分析技术的优越性和不足做一下简要的介绍。 （1）分析速度快 光谱的测量过程一般可在1～2min内完成，通过建立的定标模型可迅速测定出样品的化学成分或性质。 （2）分析效率高 通过一次光谱的测量和已建立的多个定标模型，可同时对样品的多种成分和 性质进行测定。 （3）非破坏性分析技术 近红外光谱测量过程中不损伤样品，从外观到内部都不会对样品产生影响， 鉴于这一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。 （4）分析成本低、无污染 在样品分析过程中不消耗样品本身，不使用任何化学试剂，分析成本大副度 降低，且对环境不造成任何污染，属于“绿色分析”技术。 （5）样品一般不需预处理，操作方便 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 可选用透射和漫反射测谱方式。通过相应的载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）测试重现性好 由于光谱测量的稳定性，测试结果较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。 （7）便于实现在线分析 由于近红外光谱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 21 场，很适合于生产过程和恶劣、危险环境下的样品分析，实现在线分析和远程监 控。 （1）近红外光谱分析测试的灵敏度相对较低，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谱带强度是其基 [2]频吸收的十万分之一。所以对组分的分析而言，其含量一般应大于0.1%才适合 采用近红外光谱分析技术。当然这个数值并不是理论限值，随着近红外分析技术 的不断发展，相信它的最小检出限还将会有所突破。 （2）近红外光谱分析技术属于一种间接分析技术，且前期投入较多。因为 需要选取大量代表性样品进行化学分析，提供其组分或性质的已知数据来建立和 维护模型，所以需要较多的化学分析知识、分析费用和时间。另外，近红外光谱 分析结果的准确性与定标模型建立的质量和模型的合理使用有很大关系。 （3）由于分析必须要依赖模型，所以近红外光谱分析技术不适合作为样品 和所测项目经常变化的分散性样品检测的手段。 前面讲到近红外光谱分析技术具有很多特点，基于这些性质和特点决定了近 红外光谱分析技术的适用范围。 近红外光谱由于其较强的穿透能力，所以具有各种采谱方式，因此近红外光 谱分析可适应不同物态检测样品，具体的说它可以检测液体（透明、不透明）、 浆状、固体、粉末、纤维等。 近红外光谱分析技术非常适合生产控制分析、过程在线分析和筛选分析，对 分析数据资源的储存与利用可以提供很有力的处理手段。 近红外光谱分析技术擅长对样品常量组成进行测定，从而完成对由样品主要 组成决定的多种性质的测定。例如，对不同族组成的油品辛烷值、组成等各种性 质参数的测定。 22 近红外光谱分析技术和红外光谱分析技术两者只是一字之差，但各自有各自 的特点和主要用途，不能相互替代。一些不了解分析工作的人往往将两者混为一 谈。因此在这里特别当成一个问题做一下简单解释。 近红外区主要研究C-H、O-H、N-H等化学键伸缩振动的倍频或合频吸收所反映的光谱信息，特别适用于各种官能团的定量分析。而中红外区则是绝大多数有 机化合物和许多无机化合物的化学键振动基频出现的区域。因此在结构和组成的 分析中非常重要。由于倍频吸收或合频吸收发生的几率是基频吸收的几万分之 一，所以宏观上中红外区域所表现出来的谱带吸收强度就要比近红外高很多，这 是红外光谱灵敏度高的直接原因。在这一点上红外的优势是肯定的。因此，红外 谱图作为有机化合物的结构组成分析特别适合，尤其是各种官能团的特征频率吸 收，能够利用它来鉴定各种官能团的存在。红外光谱仪除多数情况下用来对样品 进行定性分析以外，也可根据比尔定律在样品特征吸收峰所处波长下对样品做定 量分析。下面就对近红外和红外在做定量分析方面做一个比较。 1、由于波长比较短，近红外光谱能量比（中）红外光谱能量高得多，因此， 近红外光谱仪器的检测器可以有更高的检测效率，这就意味着近红外光谱仪器的 信噪比值远高于红外仪器。较高的信噪比意味着样品的观测时间可以比红外仪器 短很多。 2、由于红外光谱吸收过于灵敏，所以必须要求通过样品的光程较短，这样 便给分析前的制样工作带来一定的困难。因为样品厚度（光程）微小的变化都会 给测量带来较大的偶然误差。而近红外光谱分析方法做定量分析便不存在这样的 问题。因为近红外光谱吸收不像中红外那样灵敏，光程较长，很小的变化不会给 分析带来多大的偶然误差。 3、近红外光谱对样品的穿透能力比红外光谱高，因此近红外光谱分析中样 品基本不需要做前处理，可以直接进行采谱检测，且采谱测量的方式灵活多样。 这样不仅可以给分析工作带来方便，而且可以实现样品的无损检测。这对有些样 品来说是特别重要的，比如水果的单个检测、农作物种子的检测等等都要求检测 过程中不能破坏样品。这是红外等很多其它分析方法所不能做到的。 4、近红外光谱在光导纤维中的衰减很弱，可以采用光纤对光谱信号进行传 23 输。而中红外光谱在光导纤维中衰减则非常严重，因此不能采用光纤进行传输。 前文已经讲了光谱技术与光纤技术结合的优越性，在此不一一列举。 24 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，但1995年以来已受到了多 方面的关注，并在仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面取得了可喜的 成果，正在逐步跟上或达到了世界先进水平。尤其在石油化工领域中的应用已经 取得了较多的实际经验。现代近红外光谱分析技术的重要特点之一是技术成套 性，即要求光谱仪器、化学计量学分析软件和应用模型结合一体。如果缺少任何 一项都会影响该技术的正常使用。正是因为这个特点，所以与国外同行业相比， 国内的近红外光谱分析技术具有较多显著的优势。 从硬件上讲，国内生产的近红外光谱仪器已达到了国际同类商品先进水 平，而且与国外进口产品相比价格合理。 购买国外的进口仪器，就要配套购买进口的模型，高额的费用是一方面， 更主要的是进口模型是用国外的样品建立的，一般不能直接适用我国的样品分析 （比如油品、粮食、牛奶等），需要补充修改或重新建立，要耗费较大的人力物 力。而且售后技术服务费用也超出许多用户的承受能力。而国产近红外光谱仪的 分析模型是根据用户的具体情况建立的，应用和扩充都比较方便。 国产化学计量学分析软件采用中文界面，可流畅运行于WINDOW98、2000 或XP系统，操作简单。国外的分析软件多数为英文界面，对具体操作人员的外 语水平要求较高。 4、同国外相比，国内近红外光谱分析技术的最大优越性体现在技术支持和 售后服务方面。近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型三者的有机结合才能 满足快速分析的要求。所以无论是硬件的维修换件还是软件的维护更新，都需要 有强有力的技术支持和全面优质的售后服务作保障。在这方面国内近红外光谱仪 器生产商具有得天独厚的优势，可以快速、经济、便利地为用户提供及时、全方 位的技术支持和售后服务。一旦需要维修更换配件或更新模型，国内厂家都能以 最短的时间赶到应用现场，从而保证应用企业恢复正常检测，而不至于影响生产。 另外，国内仪器生产商可以根据企业的具体应用情况，发挥近红外技术服务本地 化的优势，详尽和周到的为使用者量身定做适用于具体检测需要的近红外光谱仪 器和相关附件。或者是根据用户的特殊要求开展针对性的项目合作或项目开发。 25 特别是在线检测方面，仪器及其它检测附件都需要满足用户的多种生产工艺要 求，必须要结合用户实际情况进行设计制造。除此之外，国内仪器生产商还可以 定期组织技术讲座，对用户进行技术，使他们能够充分掌握分析技能和操作 技巧。 26 近红外光谱分析技术诸多优点决定了它应用领域的广阔，使其在国民经济发 展的许多行业中都能发挥积极作用，并逐渐扮演着不可或缺的角色。下面提供的 是有关文献归纳的近红外光谱分析技术的应用领域、分析对象以及各自的分析指 标。以供参考。 [4] 表2 近红外光谱分析技术应用领域 应用领域 分析对象 分析指标 食品 酒制品 产地、真伪鉴别 葡萄酒 乙醇，含糖量，有机酸，含氮值，pH值等 白酒 原料中的水分，淀粉，支链淀粉；酒醅中的水分，pH值，淀 粉和残糖等 啤酒 大麦原料中的水分，麦芽糖；啤酒中的乙醇和麦芽糖等 饮料（可乐、果咖啡因，糖分，酸度，果汁真伪鉴别 汁等） 调味品（酱油、蛋白质，氨基酸总量，总糖，还原糖，氯化钠，总酸，总氮， 醋等） 品质分级，真伪鉴别 乳制品（牛奶等） 乳糖，脂肪，蛋白质，乳酸，灰分，固体含量 玉米浆，蜂蜜 果糖，水分，葡萄糖，多醣类，偏振参数 食用油（花生、原料中油分含量；食用油中的脂肪酸，水分，蛋白质，过氧 豆和菜籽油等） 化值，碘值，真伪鉴别 烘焙食品（饼干、脂肪，蛋白质，水分，淀粉，面筋等；方便面油分 面包等） 肉类（猪、牛、蛋白质，脂肪，水分，各种氨基酸，脂肪酸，纤维素等，以 鸡肉，鱼类，香及新鲜及冷冻程度，产品种类，真伪鉴别 肠等） 农牧 大麦，小麦，豆脂肪，蛋白质，水分，纤维量，淀粉，产地、产季鉴别，品 类，水稻，甘薯，质等级，谷物成熟度，病虫害 面粉，及其它谷 类 饲料 干物质，粗蛋白，粗纤维，消化能，代谢能，氨基酸，植酸 磷，添加剂中哇乙醇含量，预混料中维生素A 烟草 尼古丁，水分，总糖，还原糖，多酚类，总氯，添加物，产 地鉴别，等级分类 咖啡 咖啡因，水分，绿原酸，种类、产地鉴别，品质分级 水果，蔬菜 糖分，酸度，维生素，水分，纤维素，品质分级，成熟度， 硬度 茶叶 老嫩度，氨基酸、茶多酚、咖啡碱，水分，总氮，品质分级， 真假识别，品种鉴定。 土壤 水分、有机质和总氮含量，土壤分类 27 其它 堆肥的品质和腐熟度 石油炼制 原油 密度，实沸点蒸馏，浊点，油气比；油砂中沥青含量 天然气 烷类组成，水分，总热含量 汽油 成品汽油 辛烷值（RON、MON），密度，芳烃，烯烃，苯含量，MTBE， 乙醇含量 催化裂化汽油 辛烷值（RON、MON），PIONA（直链烷烃、异构烷烃，芳烃， 环烷烃和烯烃），馏程 重整汽油 辛烷值（RON、MON），芳烃碳数分布，馏程 裂解汽油 辛烷值（RON、MON），二烯、二甲苯异构体含量 石脑油 POINA，密度，分子量，馏程，乙烯的潜收率，结焦指数 柴油 十六烷值，密度，折光指数，凝点，闪点，馏程，芳烃组成 （单环、双环和多环） 航煤 冰点，芳烃，馏程 润滑油 族组成，基础油粘度指数，粘度，添加剂 重油 API度，渣油中SARA族组成；沥青中蜡含量 高分子 原料 纯度，水分，羟基含量等 加工过程 聚合度，动力学、热力学性质测定，添加剂含量 产品 共混、共聚物的组成，分子量，密度，熔融指数，等规度， 残余单体、溶剂，添加剂含量，粒度分布，力学性能，回收 废塑料类别鉴定等 制药 原料 原料药的主要活性成分，结晶状态、粒径、旋光性和密度， 鉴别中药材的真伪、产地和品质分级 加工过程 混合均匀性，干燥过程水分，注射用产品灭菌，膜衣厚度， 粒径，主要成分和中间产物浓度，溶出度，药物中微生物定 性定量监测 产品 主要成分，硬度，包装材料的鉴定，稳定性，真伪鉴定 其它 临床医学 全血或血清中血红蛋白载氧量、pH值、脂肪酸、胆固醇、蛋 白质、葡萄糖、尿素等含量；无创血糖监测；尿液中尿素、 肌氨酸酐和蛋白质；皮肤中水分的测定；烧伤伤口分类；组 织氧含量；脑氧饱和度和血流动力学；细胞病理如癌细胞鉴 别 纺织 混纺织品中各成分含量，棉纤维中还原糖，纤维外油，纤维 的染色性，棉织物丝光度，羊毛髓化度，棉织物整理剂，二 醋酸纤维素醋化值，地毯纤维类别鉴定 造纸 纸浆中木素含量，卡伯值，纸页水分、涂层含量 煤炭 水分，挥发份、灰份、含热量，品质分级 生物化工 生物发酵过程中乙醇、葡萄糖、乳糖、氨基酸、谷酰胺、乳 酸盐和谷氨酸盐等含量，细胞密度，反应动力学跟踪，菌种 鉴定 制糖 蔗汁、碎蔗、蔗渣、原糖、成品糖的旋光度、锤度、糖度、 色度、浊度、粒度、固形物和水分含量等 日用品 原料纯度，香料，油脂混合物分析，蜡成分鉴别，均匀度， 牙膏中氟含量，表面活性剂含量，真伪鉴定 28 油漆和墨水 原料分析，溶剂纯度，色素品质 环保 海洋石油、土壤污染源鉴定；湖泊沉淀物有机物含量；废水 pH、BOD、COD 刑事鉴定 毒品、伪钞鉴定 29 前面几章比较详细地介绍了近红外光谱分析技术的原理、特点以及一些应用。但是对于一个刚刚接触这项技术的人来说，想引入该项技术的时候似乎还会 感到很盲从，不知道该从哪些方面来考虑、评价和比较。为此本章特别为使用者 提供一些参考性的建议，希望能够给读者一定的帮助。 提纲挈领的讲，考察近红外光谱分析技术要从该技术的三要素来分析。即近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型。另外，还要考虑近红外光谱仪器生产 商提供的售前、售中、售后的各项技术服务是否周到。特别是仪器的维护、模型 的维护。因为近红外光谱分析技术是一整套的技术，每个环节出问题都会影响分 析工作的正常进行。 初从事近红外光谱分析的人常常会提出这样的问题：什么样的近红外光谱仪器最好？如何选择一台合适的近红外光谱仪器？实际上，“最好”仪器的定义是 很难确定的，“最好”的仪器也是不存在的。因为对某一特定的仪器所提出的各 项要求是随着所需要解决的具体问题的不同而有所差异的。前文已经分别就不同 类型的近红外光谱仪器做了性能方面的比较。之所以从简单结构到复杂结构、从 低价格到高价格的近红外光谱仪在市场上都能见到，就是因为针对不同的用途， 它们分别有各自的用武之地。因此，在选择光谱仪器时一定要结合自己分析任务 的需要来考虑选型，要有针对性地考察仪器的适用情况，另外还要想到仪器的可 维护性，不要一味地追求高的测量精度，也不要认为价格高的就是适合自己的。 再一个，就是要考虑和近红外光谱仪器工作配套的软件，它包括采谱软件和化学 计量学软件。采购者应考虑这些软件的功能和操作的难易程度，比如运行环境、 界面语言等等。 再一个，就是要看近红外光谱仪器生产厂家能否为用户提供及时、周到的技术支撑服务体系。这个服务体系包括仪器硬件的质量维护、耗损器件更换和应用 模型的建立与维护，另外，还包括对操作者的培训。特别是模型的建立与维护， 有些仪器厂商给用户提供基础模型，再用用户的样品加以扩充。有些仪器厂商不 给用户提供基础模型，但是他们可以负责为用户建立新的模型。不管是那种方式， 总之一定要考虑模型建立的质量以及建立或扩充模型所需的费用，以及厂商是否 30 把建立和维护模型的技术教授给用户的实际操作者。这是用户能否把近红外光谱 分析技术很好地使用起来的关键。 1 陆婉珍，袁洪福，等主编.现代近红外光谱分析技术.北京：中国石化出版社 2000，4 2 刘爱秋，邓晓建，王平荣，李秀兰.西南农业学报，2003，2：98-102 3 D r．G L Zhao(Ph．D．).Near Infrared of Foss.2004 4 褚小立.近红外光谱分析技术及应用.石油化工科学研究院 31