近紅外光譜儀技術(shù)（Near Infrared, NIR）綜合了計算機技術(shù)、光譜技術(shù)和化學(xué)計量學(xué)等多個學(xué)科的最新研究成果，在多個領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。因此，人們將近紅外光譜儀分析技術(shù)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儀技術(shù)的“前世今生”吧。
紅外光譜儀儀的結(jié)構(gòu)圖
紅外光譜儀的區(qū)分
通常我們所說的紅外光譜儀一般指中紅外光譜儀。但事實上紅外譜區(qū)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(shù)范圍/cm-1 振動類型 近紅外光譜儀 0.8-2.5 4000-12000 振動倍頻、組合頻 中紅外光譜儀 2.5-25 400-4000 振動基頻 遠紅外光譜儀 25-1000 10-400 轉(zhuǎn)動頻率注：波長與波數(shù)的換算關(guān)系為：
近紅外光譜儀技術(shù)的發(fā)展歷史
時間 大事紀 17世紀初 近紅外譜區(qū)被天文學(xué)家William Herschel所發(fā)現(xiàn)。 19世紀初 在經(jīng)典定量、定性分析方面已經(jīng)得到一定的發(fā)展，但是當時無論是理論水平還是技術(shù)水平都較低，很難將近紅外譜區(qū)的有效信息提取出來。 20世紀50年代 美國的Norris等人從農(nóng)業(yè)分析領(lǐng)域中開始了用近紅外譜區(qū)分析農(nóng)產(chǎn)品的工作，但是因為這些方法與傳統(tǒng)的光譜分析方法有很大不同，因此，當時這一領(lǐng)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(guān)專家，尤其是光譜分析領(lǐng)域方面的專家開始重視近紅外光譜儀技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用范圍。從此，在多方合作和探討的前提下，近紅外光譜儀分析技術(shù)開始應(yīng)用化學(xué)計量學(xué)中的多元校正等方法，再加上現(xiàn)代光學(xué)、計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)的引入，使近紅外光譜儀分析技術(shù)開始快速發(fā)展，逐漸形成了現(xiàn)在被大家廣泛應(yīng)用的現(xiàn)代近紅外光譜儀分析技術(shù)。 1987年 挪威召開了第1屆近紅外光譜儀分析國際會議；經(jīng)大會探討推廣后，近紅外光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛。 20世紀90年代 國際分析界應(yīng)用近紅外光譜儀進行分析的高峰期，我國開始了近紅外光譜儀儀器的研制，但是由于建立定量分析數(shù)學(xué)模型很困難，因此極大的影響了近紅外光譜儀技術(shù)在我國各行各業(yè)中的廣泛應(yīng)用。近紅外光譜儀儀器的一般結(jié)構(gòu)
近紅外光譜儀儀器種類繁多，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紅外光譜儀儀。傅里葉變換近紅外光譜儀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(yōu)點。
近紅外光譜儀儀器的一般結(jié)構(gòu) 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(diào)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等近紅外光譜儀儀器的主要性能指標
面對種類繁多的近紅外光譜儀儀器，用戶在選購、使用近紅外光譜儀分析儀器時，充分了解和掌握儀器的主要技術(shù)指標是非常有必要的。分析測試結(jié)果的準確性，與近紅外光譜儀儀器的單色光帶寬、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(guān)。此外，近紅外光譜儀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(qū)域的光透射性強，多使用長光程，與長波區(qū)域相比，短波區(qū)域的信息量相對少一些，較適用于工業(yè)常規(guī)分析、現(xiàn)場分析和一些專用儀器分析。長波近紅外光譜儀區(qū)域光譜信息豐富，較適用于科研院所以及一些復(fù)雜體系中低含量組分的常規(guī)分析。 分辨率 光譜的分辨率取決于光譜儀器的分光系統(tǒng)。 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(jié)果的分析內(nèi)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(zhì)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(zhì)來測量近紅外光譜儀儀的波長準確性，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紅外光譜儀儀的波長準確性。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(fù)性 波長重復(fù)性是指對標準物質(zhì)進行多次掃描所得譜峰位置間的差異。通常波長重復(fù)性用多次測量某一譜峰位置所得波長或波數(shù)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(xiàn)儀器穩(wěn)定性的一個重要指標。測量光譜儀的波長重復(fù)性可選用測量波長準確性的標準物質(zhì)，如SRM2065。一般要求FT-NIR的波長重復(fù)性應(yīng)優(yōu)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(zhì)的吸光度與該物質(zhì)標準定值之差。 若需將一臺儀器上建立的校正模型直接應(yīng)用于另一臺儀器，吸光度的準確性則成為至關(guān)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(zhì)，在規(guī)定的波長點，連續(xù)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(fù)性 吸光度重復(fù)性是指在同一條件下對同一樣品連續(xù)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(qū)間的吸光度標準偏差來表示。 可選用標準物質(zhì)如SRM2065來測量吸光度重復(fù)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(yīng)用中的一項極其重要的指標，它直接影響模型建立的質(zhì)量和測量的準確性。一般要求吸光度重復(fù)性優(yōu)于0.0004A。 信噪比 吸光度噪聲是影響吸光度準確性和重復(fù)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。 信噪比是近紅外光譜儀儀器非常重要的一項指標，直接影響分析結(jié)果的準確度與精確度。一般要求高端儀器的信噪比應(yīng)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(nèi)，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(jiān)測，所以掃描速度也是值得注意的重要指標。不同設(shè)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(wěn)定可靠的前提下，掃描速度快的優(yōu)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。 對于近紅外光譜儀儀器來說，雜散光是影響吸光度和濃度之間線性關(guān)系的主要因素之一。對于光柵型近紅外光譜儀儀，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(wěn)定性均有不同程度的影響。近紅外光譜儀分析方法
近紅外光譜儀分析的主要思路是應(yīng)用兩個數(shù)據(jù)群體（分別用于光譜校正的樣品數(shù)據(jù)集和光譜數(shù)據(jù)集），采集得到兩類有效的光譜信息。而在實際應(yīng)用中，為了建立樣品光譜特征和樣品待測成分化學(xué)值之間的數(shù)學(xué)關(guān)系，還需利用標準的化學(xué)方法測定校正樣品集中每個樣品待測成分的化學(xué)值。近紅外光譜儀分析技術(shù)是一種間接分析技術(shù)，要實現(xiàn)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，樣品近紅外光譜儀的采集；②采集到的光譜用適當?shù)幕瘜W(xué)計量學(xué)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，樣品近紅外光譜儀的采集；②采用標準的化學(xué)方法測定待測成分的含量，得到參考數(shù)據(jù)；③利用化學(xué)計量學(xué)方法將獲得的光譜和參考數(shù)據(jù)建立校正模型；④利用已建立的校正模型實現(xiàn)對未知樣品待測成分含量的預(yù)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(quán)重回歸法（LWR）、拓撲學(xué)方法（TP）、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（ANN）和支持向量回歸方法（SVR）等近紅外光譜儀儀器的發(fā)展現(xiàn)狀
當今的近紅外光譜儀儀通常采用以下六種架構(gòu)：
固定濾波器：這類儀器基于固定數(shù)量的波長進行測量，每種波長對應(yīng)濾光輪上特定的濾光片。濾光輪在不同濾光片之間轉(zhuǎn)動時進行讀數(shù)。
旋轉(zhuǎn)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(shù)的傅里葉交換性質(zhì)，通過移動的鏡面創(chuàng)造能夠與某個光譜形成數(shù)學(xué)相關(guān)的干涉圖樣。
線陣探測器：這類儀器利用光柵在元素數(shù)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?yōu)V光器：這類儀器利用線陣探測器前的漸變?yōu)V光元素，使特定波長能夠影響每個像素元素。
DLP?技術(shù)：數(shù)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。
近紅外光譜儀儀的發(fā)展趨勢
近紅外光譜儀儀未來的發(fā)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(huán)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(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)帶來的微型化變革以及云計算時代的到來，便攜式近紅外光譜儀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(yù)見，新的技術(shù)將給光譜儀產(chǎn)業(yè)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，近紅外光譜儀儀的發(fā)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(shè)備可能不再沿用“近紅外光譜儀儀”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(zhì)，確定高價橄欖油的純度，協(xié)助醫(yī)療監(jiān)測或檢查汽車液體。未來，近紅外光譜儀儀將會不可逆轉(zhuǎn)地朝著體積更小、功能更強大的趨勢發(fā)展，也預(yù)示著巨大的應(yīng)用潛力。
來源：迅杰光遠、實驗與分析