近红外光谱技术基础理 论与应用综述

近 近红 红外 外光 光谱 谱技 技术

基 基础 础理 理论 论与 与应 应用 用综 综述

（王燕岭）

生 生物 物秀 秀— —专 专心 心做 做生 生物 物！ w w w w w w . .b b b b i i o o o o . .c c o o m

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北京英贤仪器有限公司

2004 年 4 月

目 录

第一章 近红外光谱分析技术概述及发展历程

第二章 近红外光谱分析技术的有关原理

一、理论依据

二、化学计量学

三、近红外光谱分析技术的工作过程

四、模型

第三章 近红外光谱分析仪器

一、仪器的构造

二、仪器的主要类型

三、一种新型的近红外光谱分析仪器

四、近红外光谱分析仪器的主要性能指标

第四章 近红外光谱分析实验技术

一、液体样品的吸收率与固体样品的反射率

二、近红外光谱获得方式与载样器件

三、近红外光谱的测试方式

第五章 近红外光谱分析技术特点和适用范围

一、近红外光谱分析的技术特点

二、外光谱分析的适用范围

三、近红外光谱分析技术与红外光谱分析技术之间的比较 第六章 国内近红外光谱分析技术的优势

第七章 近红外光谱分析技术的应用领域

第八章 关于近红外光谱分析技术应用中的建议

参考文献

第一章 近红外光谱分析技术概述及发展历程

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，从此近红外光谱技术进入一 个快速发展的新时期。 [1]

第二章 近红外光谱分析技术的有关原理

一、理论依据

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。

二、化学计量学

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从化学 测量数据中提取信息的一门新兴的交叉学科。 [1] 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

。这些商品软件的出现使得应用化学计量 1.0”和“化学计量学光谱分析软件版本 2.0”

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。

三、近红外光谱分析技术的工作过程

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。

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。 训练集样品 组成或性质

数据 化学计量学

软件 模型 近红外光谱 近红外光谱

组成或性质 数据

未知样品

模 型

化学计量学软件

光 谱 仪

图 2 三位一体的近红外光谱分析技术

四、模型

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：

1、初级模型的建立

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，一个用于小麦定量的成熟模型就需要拥有数 以千计的样品。 [3] 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置了恒温装置，从而保证了建模温度和测量温度的一致性。所以对

于具有恒温装置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。

2、模型有效性的确认

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“坏的”样品）数之比保证大于 3：2， [3] 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。

3、模型的扩充

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离或其

它方法进行模型的适用性判断。 [1] 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。

图 3 多个校正模型的建立提高分析效率

4、模型的数量

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。

光谱 参考数据 优化定性模型 定性模型

定性训练集光谱

样品集 定量训练集 定量模型 优化定量模型

产品模型

第三章 近红外光谱分析仪器

一、仪器的构造 [1]

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。

1、光源

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置 和安装角度。

2、分光系统

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。

3、检样器件

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。

4、检测器

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。

5、控制及数据处理分析系统

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。

6、打印机

记录或打印样品的光谱或定性、定量分析结果。

二、仪器的主要类型

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。

1、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。

2、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。

3、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。

4、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。

5、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，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。

三、一种新型的近红外光谱分析仪器

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

四、近红外光谱分析仪器的主要性能指标 [1]

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。

1、仪器的波长范围

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。

2、光谱的分辨率

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。

3、波长准确性

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。

4、波长重现性

波长的重现性指对样品进行多次扫描，谱峰位置间的差异，通常用多次测量某一谱 峰位置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惯用波数 cm -1 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。

5、吸光度准确性

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。

6、吸光度重现性

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置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。

7、吸光度噪音

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。

8、吸光度范围

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。

9、基线稳定性

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。

10、杂散光

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％。

11、扫描速度

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。

12、数据采样间隔

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。

13、测样方式

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。

14、软件功能

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。

第四章 近红外光谱分析实验技术

一、液体样品的吸收率与固体样品的反射率

1、液体样品的吸收率

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。

2、固体样品的反射率 [3]

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。

二、近红外光谱获得方式与载样器件

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。

1、透射分析的载样器件

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置或带有恒温器件。这类恒温装置由 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 置的相对固定，避免了普通样品池放入光路时在位置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。

2、漫反射分析载样器件

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。

3、光纤技术在近红外光谱分析中的应用

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，便于分析装置的小 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。

（6）光纤技术的采用也使实验室分析的方式更加方便、灵活。

三、近红外光谱的测试方式

1、固态样品

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，把已经穿透样品的近红外光谱反射回来 进行检测。 [3]

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，近红外入射光要与样品 表面呈 90 o 角。

2、液态样品

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。

第五章 近红外光谱分析技术特点和适用范围

一、近红外光谱分析的技术特点

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、近红外光谱分析技术的优越性

（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。

2、近红外光谱分析技术的不足

（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频吸收的十万 分之一。 [2] 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。

二、近红外光谱分析的适用范围

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。

1、可检测样品的物态

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。

2、近红外光谱分析技术的应用场合

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。

3、测量的内容

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。

三、近红外光谱分析技术与红外光谱分析技术之间的比较

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。