近红外基础知识
近红外光谱分析技术
近红外光谱定量分析的流程与步骤
近红外光谱仪器的主要类型
• 滤光片型 • 色散型 • 傅立叶变换型 • 声光可调滤光型 • 其中傅立叶变换型近红外光谱仪与其它类型仪器相比， 具有信噪比高、分辨率高、波长准确且重复性好、稳 定性好等优点，往往作为研究性仪器的首选。
近红外光谱技术的应用
• • • • • • 农业与食品行业 石油化工工业 制药工业 烟草与纺织行业 生物医学领域 ……
分析谱区的选定
• 近红外光谱定量分析数学模型所包含的谱区（光谱的 数据点）一般应根据样品的特点而选定；增加谱区的 范围就可以增加对光谱信息采集的范围，即提高信息 量；但因为每个光谱的数据点也包含了测量误差，因 此数学模型所利用的数据点越多，则包含的测量误差 也越大，为了减少近红外光谱中某些信息量小、失真 大的部分谱区，以避免这些谱区的测量误差影响数学 模型的稳定性，需要选择建立数学模型所用的谱区。 通常可以对谱图进行方差处理，光谱变化最明显的区 域即是光谱信息最丰富的区域，也就是最为有效的光 谱范围
样品中各待测成分化学值的测定
• 采用经典化学分析方法对各待测组分含量进行测定， 这些值测定的精确度是近红外光谱运用数学模型进行 定量分析精确度的关键。
剔除异常值
• 由上述 ① 、② 环节测定的校正样品集中样品的光谱 与化学值，有可能由于种随机的原因而有较严重的失 真，这些样品的测定值称为异常值。这些失真的样品， 若包含在校正校品集中，就会影响所建数学模型的可 靠性，因此在建立模型时应当剔除这些异常值。
样品近红外谱图的扫描
• 为了克服近红外光谱测定的不稳定性的困难，必须严 格控制包括制样、装样、测试条件、仪器参数等测量 参数在内的测量条件；利用该校正校品集建立的数学 模型，也只能适用于按这个的测量条件所测量光谱的 样品。
近红外光谱知识科普
近红外光谱知识科普全文共四篇示例，供读者参考第一篇示例：近红外光谱是一种应用广泛的光谱学技术，它可以用来研究物质的结构和性质，同时也在很多领域发挥着重要作用。
本文将介绍近红外光谱的基本原理、应用领域以及未来发展方向，希望能够帮助读者更好地了解这一技术。
近红外光谱是一种利用近红外光（波长范围一般在700-2500纳米）与物质相互作用来获取信息的技术。
近红外光谱仪通常由光源、样品室、光学系统和检测器等部分组成。
在近红外光谱分析中，样品受到近红外光的照射后，会发生吸收、散射或反射，这些现象会导致光的强度或波长发生变化，通过检测这些变化可以获取样品的光谱信息。
近红外光谱在很多领域都有着广泛的应用。
在食品工业中，近红外光谱可以用来检测食品的成分、营养价值和品质，帮助生产商保证产品的质量。
在药物研发领域，近红外光谱可以用来分析药物的成分和结构，指导新药的设计和研发过程。
在环境监测和地质勘探领域，近红外光谱可以用来检测空气、水、土壤中的有害物质，帮助保护环境。
此外，近红外光谱还被广泛应用于农业、化工、医学等领域。
近红外光谱技术的发展一直在不断推进。
随着光谱仪器的不断改进和智能化技术的应用，近红外光谱分析的速度和精度得到了显著提高。
未来，近红外光谱技术有望在医疗诊断、生物医药领域得到更广泛的应用，为人类健康和生活质量的提升做出更大的贡献。
总结起来，近红外光谱是一种强大的光谱学技术，具有广泛的应用前景和发展潜力。
通过继续开展研究和技术创新，近红外光谱技术将在未来发挥更加重要的作用，为人类社会的发展带来更多的益处。
希望本文可以帮助读者更好地了解近红外光谱技术，促进其在不同领域的应用和发展。
【仅供参考】。
第二篇示例：近红外光谱（Near-Infrared Spectroscopy, NIR）是一种在近红外波段（波长约700-2500纳米）范围内进行光谱分析的技术方法。
近红外光谱技术广泛应用于农业、医药、食品工业、环境监测等领域，具有快速、准确、非破坏性、无需样品预处理等优点。
红外光谱分析及FTIR基础知识
红外光谱分析及FTIR基础知识第⼀章红外光谱的基本原理l—1 光的性质光是⼀种电磁波，它在电场和磁场⼆个正交⾯内波动前进．⼆个波峰或波⾕之间的距离为波长，以“ λ”表⽰。
电磁波包括波长短⾄0.1纳⽶的x射线到长达106厘⽶的⽆线电波．其中波长为0.75微⽶到200微⽶，即从可见光区外延到微波区的⼀段电磁波称红外光．红外光通常以微⽶为单位(µm)．1微⽶等于10-4厘⽶(1µm＝10-4cm)，因此，红外光波长以厘⽶为单位时，其倒数就是1厘⽶内的波数(ν)，所以波数的单位ν是厘⽶-1（cm-1）．红外光既可以波长(λ)，也可以波数(cm-1)表⽰，⼆者关系如(1-1)式所⽰：ν（cm-1）=104/λ(µm) (1-1)由于光的能量与频率有关，因此红外光也可以频率为单位．频率(f)是每秒内振动的次数．频率、波长和波数的关系是，f=c/λ=ν*c (1—2)式中：c为光速，是常数(3×1010厘⽶秒); λ是波长(微⽶)；f是频率(秒-1)；ν是波数(厘⽶-1)．由于波数是频率被⼀个定值(光速)除的商值，因此红外光谱中常将波数称为频率．光既有波的性质，⼜有微粒的性质．可将⼀束光看作⾼速波动的粒⼦流，最⼩单位为光⼦．根据爱因斯坦—普朗克关系式，⼀定波长或频率的单⾊光束中每个光⼦具有能量E,E＝hf=hcν=hc/λ (1—3)式中：h为普朗克常量，等于6．63×10-34焦⽿·秒．按(1.3)式可以算出波长2µm(5000厘⽶-1)的红外光⼦能量为6．63×10-34 (焦⽿·秒)x3x1010/2x10-4厘⽶＝9．95x10-20焦⽿．同理波长l0微⽶(1000厘⽶-1)的红外光⼦的能量仅1．99×10-20焦⽿．可见波长短，能量⼤．波长长，能量⼩．1-2 分⼦光谱的种类有机分⼦同其他物质⼀样始终处于不停的运动之中。
红外遥控基础知识
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Custom=00H
Data=01H
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第4节
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Data=01H
第4节
例6：
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第4节
例7：
第2节
图4 示波仪上所观察到的波形 9
第2节
红外遥控器信号发射与接收：
图5 根据波形格式发出红外光线
10
第2节
图6 红外线信号接收
11
第3节
常见波形调制格式： 时间调制、相位调制、电平调制、无调制、 特殊调制等。
12
第3节
时间调制：
由高低电平的不同时间长度来表示逻辑的调制 方式。如：6121等。
图10 无调制逻辑表示
16
第3节
特殊调制：
其逻辑定义和时间调制相比除了0和1外，还有 2、3甚至更多。很少使用。
图11 特殊调制逻辑表示
17
第4节
使用用具（示波仪、编码分析仪、测码仪）。： 检测注意事项
18
第4节
根据波形图手工解码：
由于电脑及测码仪译码的局限性，难免有些时候 需要手工译码，所以认识和了解波形说明进行手工译 码是非常有必要的。使用用具（示波仪、编码分析仪、 测码仪）。下面用几个较特殊的例子加以说明：
近红外光谱基本原理
近红外光谱基本原理
近红外光谱是一种非常有用的分析技术，它利用近红外区域的光谱特征来识别和分析物质。
这种技术基于近红外区域波长范围内的光与样品相互作用的原理。
在近红外光谱中，样品通常处于固体、液体或气体的形态。
当近红外光照射到样品上时，样品中的分子会吸收或反射部分光线，产生特定的光谱图。
这个光谱图能够提供关于样品组成和结构的信息。
近红外光谱的基本原理是根据物质中的伸缩、弯曲和振动等分子振动模式来解释。
不同的化学物质具有不同的分子振动模式，因此它们会对近红外光产生不同的响应。
通过比较样品光谱与已知物质的光谱数据库，可以确定样品的成分。
近红外分析技术的优势在于它非常灵敏、快速和非破坏性。
由于近红外光具有较高的穿透能力，所以可以对样品进行非接触式的分析。
此外，近红外光谱还可以同时检测多个成分，大大提高了分析效率。
总的来说，近红外光谱是一种广泛应用于化学、生物、医药和食品等领域的分析技术。
它的基本原理是利用近红外光与样品相互作用的特性，通过分析样品的光谱图来确定样品的成分和结构。
这种技术具有灵敏、快速、非破坏性等优点，因此在实际应用中具有广泛的应用前景。
近红外光谱
36
三、近红外光谱定量及定性分析
3.1近红外光谱的定量分析
3.2近红外光谱的定性分析
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3.1近红外光谱的定量分析
近红外光谱的定量分析就利用化学分析 数据和近红外光谱数据建立模型，确定 模型参数，然后以这个模型去定量预测 某些信息（如浓度）的方法。
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定量分析过程具体步骤如下：
1．选择足够多的且有代表性的样品组成校 正集； ２．通过现行标准方法测定校正模型样品 的组成或性质； ３．测定校正模型样品的近红外光谱；
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1.3近红外光谱分析技术的特点
1）分析速度快，测量过程大多可在1min 内完成。因此在日常分析中，包括了样 品准备等工作时间，在5min以内即可得 到数据。近红外光谱分析技术的另一个 特点是通过样品的一张光谱，可以测得 各种性质或组成。 2)适用的样品范围广，通过相应的测样器 件可以直接测量液体、固体、半固体和 胶状体等不同物态的样品光谱。
近红外光谱记录的是分子中单个化学键 的基频振动的倍频和合频信息，它常常 受含氢基团X-H（X-C、N、O）的倍频 和合频的重叠主导，所以在近红外光谱 范围内，测量的主要是含氢基团X-H振动 的倍频和合频吸收。
9
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，NIR 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与性质测量。 但在NIR区域，吸收强度弱，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，化学计量学的发展 为这一问题的解决奠定了数学基础。
17
虽然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应具有 较强的普适性。对于建立模型所使用的校 正方法，视样品光谱与待分析的性质关系 不同而异，常用的有多元线性回归、主成 分回归、偏最小二乘法、人工神经网络和 拓扑方法等
红外谱图基础知识
第一节：概述1、红外吸收光谱与紫外吸收光谱一样是一种分子吸收光谱。
红外光的能量（△E=0.05-1.0ev）较紫外光（△E=1-20ev）低，当红外光照射分子时不足以引起分子中价电子能级的跃迁，而能引起分子振动能级和转动能级的跃迁，故红外吸收光谱又称为分子振动光谱或振转光谱。
2、红外光谱的特点：特征性强、适用范围广。
红外光谱对化合物的鉴定和有机物的结构分析具有鲜明的特征性，构成化合物的原子质量不同、化学键的性质不同、原子的连接次序和空间位置不同都会造成红外光谱的差别。
红外光谱对样品的适用性相当广泛，无论固态、液态或气态都可进行测定。
3、红外光谱波长覆盖区域：0.76 mm ~ 1000mm.红外光按其波长的不同又划分为三个区段。
（1）近红外：波长在0.76-2.5mm之间（波数12820-4000cm-1）（2）中红外：波长在2.5-25mm（在4000-400 cm-1）通常所用的红外光谱是在这一段的（2.5-15mm，即4000-660 cm-1）光谱范围，本章内容仅限于中红外光谱。
（3）远红外：波长在25~1000mm（在400-10 cm-1）转动光谱出现在远红外区。
4、红外光谱图：当物质分子中某个基团的振动频率和红外光的频率一样时，分子就要吸收能量，从原来的振动能级跃迁到能量较高的振动能级，将分子吸收红外光的情况用仪器记录，就得到红外光谱图。
5、红外光谱表示方法：（1）红外光谱图红外光谱图以透光率T ％为纵坐标，表示吸收强度，以波长l ( mm) 或波数s (cm-1)为横坐标，表示吸收峰的位置，现主要以波数作横坐标。
波数是频率的一种表示方法（表示每厘米长的光波中波的数目）。
通过吸收峰的位置、相对强度及峰的形状提供化合物结构信息，其中以吸收峰的位置最为重要。
（2）将吸收峰以文字形式表示：如下图可表示为，3525cm-1（m)，3097cm-1(m)，1637cm-1(s)。
这种方法指出了吸收峰的归属，带有图谱解析的作用。
近红外基础知识
近红外的合频振动的吸收系数比中红外基频振动吸收弱 15个数量级.
Absorbance
Water Spectrum
5
4
3
2
MIR
NIR
1
0 9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
Wavenumber cm-1
第十五页，共71页。
第五页，共71页。
红外光谱振动的基本原理
hn
低能量
高能量
第六页，共71页。
红外光振动模式的能级图
谐波振动Harmonic Oscillation
非谐波振动Anharmonic Oscillation
3rd Overtone 三級倍頻 2nd Overtone 二級倍頻 1st Overtone 一級倍頻 Fundamental 振動基頻
103
102
101
1
10-1
10-2
10-3
近红 外
可见
中红外 红外
远红外
电子自旋振动
核磁振 动
微波
Radio, TV 无线电波
Region
Interaction
原子核转变
内层电子的 跃迁
外层电子的跃迁
分子振动
分子转动
电磁转动
Wavelength (m)
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
2、近红外的谱峰重叠严重，
难以肉眼识别分析。
中红外谱峰分别好。很容 易肉眼识别分析。 3、近红外吸收弱。 中红外吸收强。
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2. 计算平均光谱和阈值
3. 建立和检验模型
测定未知样品
Sample Identified as Material X
1. 测定未知样品光谱
2. 调用模型
3. 鉴定未知样品
阈值的计算公式：
光谱距离的 标准偏差
阈值＝最大匹配值＋X*SDev
阈 值
最大匹配值
选择性是用来考虑模型好坏的一个重要指标:
D S T1 T2
麻烦或不可能
• 应用
• 测试每一批或生产周期样品的一直性
• 原则
• 同样成分、一样的近红外光谱
• 算法
• 测定样品光谱与参考光谱的偏差值是否超出某一水平
一致性测试
• 参考样品
• 计算参考光谱的平均光谱和每一个波长点（i）标准偏差 (s)
• 样品
• 计算样品光谱每个波长点（i）的相对偏差（Q）
Qi = (Ai,sample - Ai, average) / si, average
•
红外波长表示的度量单位
近红外区一般用波长（纳米 nm)或（波数cm-1）来表示 纳米与波数的换算关系：nm= 107/cm-1 或 cm-1 = 107/ nm 因为：1cm=107nm 1,250nm处，用波数表示： 107/ 1,250=8,000cm -1 中红外区一般用波长（微米 μm)或（波数cm -1 ）来表示 微米与波数的换算关系：nm= 104/cm -1 或 cm-1 = 104/ nm
Hit Quality < Threshold for one library material and Hit Quality > Threshold for all other library materials.
NIR Overview >
一致性测试
• 目的
• QA/QC 的样品进行定量或定性分析模型的建立太昂贵、
• 一直性指标CI 被定义为最大的相对偏差 Qi
CI = max(Qi)
• 结果绘图
一致性测试 Preprocessed spectra
• Reference spectra
• Average spectrum • Standard deviation spectra (+/- 3s)
一致性测试 Preprocessed spectra including test spectra
d
Beer定律:
: 消光系数 c: 浓度 d: 光程
A = -log Itrans/I0 = -log T = cd
定量分析的理论依据
I0
光源
I散射
检测器
;k;c
: 消光系数 c: 浓度 k: 散射系数
比尔定律: A = -log Iscatt/I0 = -log R = const . c
Threshold 0.04674
0.00888 0.02077 0.01406 0.00491
Substance Acetyl salicylic acid Salicylic acid Salicylamide Collidon 25 Collidon 30
The sample is positively identified only when:
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
3nCH)
2n(CH)
n(CH)
10000
8000
6000
4000
2000
Wavenumber / cm-1
Overtones of the n(CH) vibration of CHCl3
band position [nm] band position [cm-1] extinction coefficient [cm2 mol-1]
中红外光谱的信号特征
1、中红外光的产生：中红外光源一般用硅碳棒
2、中红外光的检测：中红外光的检测材料是半导体材料，如
MCT、DTGS等 3、光学材料：可以使用“怕水”的材料如：KBr、NaCl，耐水 材料CaF、ZnSe、Si等。
红外光谱振动的基本原理
hn
低能量
高能量
红外光振动模式的能级图
谐波振动Harmonic Oscillation 非谐波振动Anharmonic Oscillation
Plot of scores of factor 2 vs. 1
Factor 2
Factor 1
树形图 诊断 柱形图
鉴别分析（Identity）的基本原理
0.9
建立模型
0.8 0.9
Absorbance Units 0.5 0.6
Absorbance Units
4
3
2
MIR NIR
9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000
1
0
Wavenumber cm-1
近紅外光与物质的相互作用
吸收
全反射
transmittance
透射
specula absorption reflectance
漫(反)射
Diffuse reflectance
L o n g p a t h l e n g t h
S h o r t p a t h l e n g t h
不同颗粒度大小样品的近红外光谱
烟丝
烟粉末
近红外吸收光谱的特点
近红外吸收光谱的特点:
随着基频振动合频和倍频的增加，吸 收峰重叠的越严重，吸收越来越弱。 多组分复杂样品的近红外光谱不是各 组分单独光谱的叠加。 消光系数弱，穿透样品的能力强(最深 可达5cm) 需要“化学计量学”技术从复杂的光谱 中提取信息（Y=a+bx1+ cx2+dx3…）。
n 2n 3n 4n 5n
3290 1693 1154 882 724
3040 5907 8666 11338 13831
25000 1620 48 1,7 0,15
近红外与中红外的区别
1、近红外是基频振动的合频
与倍频振动信息。
中红外是基频振动的信息。 2、近红外的谱峰重叠严重， 难以肉眼识别分析。 中红外谱峰分别好。很容 易肉眼识别分析。 3、近红外吸收弱。 中红外吸收强。 聚丙烯的近红外/中红外光谱 4、近红外制样简单。 中红外制样麻烦。
一致性测试 CI spectra
• Reference spectra
• Test spectra
• Standard deviation spectrum
一致性测试 Examples: monitoring of mixing process
一致性测试 Examples: tablets placebo vs verum
理 论 背 景
什么是近红外/中红外光？
近红外： 12,800 cm-1 (780 nm) 中红外： 4,000 cm -1 (2,500 nm)
108 107 106 105 104 103
4,000 cm -1 (2,500 nm) 400 cm -1 (25,000 nm)
102 101 1 10-1 10-2 10-3
• Reference spectra
• Test spectra
• Average spectrum
• Standard deviation spectra (+/- 3s)
一致性测试 Validation results max. CI
一致性测试
Validation results Sum1
3756 cm-1
Sym-stretching 3657 cm-1
O
Bending
1595 cm-1
近红外与中红外光谱的差异
CHCl3 在MIR & NIR的吸收光谱
MIR & NIR (d = 25 µm) NIR (d = 1 mm)
1.6
Absorbance Units
1.0
1.2
1.4
combination band
一致性测试
• 优点 • 基于少量参考样品基础的简单方法
无需定量校准和定性库的建立
• 用少量合格批次的产品能够进行简单、快速建立或更新
模型
• 快速的 QA/QC、简单的 Yes/No结果 • 对于不同类型样品的变化非常敏感 (如 成分、颗粒大小
等）
定量分析的理论依据
I0
光源
Itrans
检测器
; c
固体中药样品的近红外吸收光谱
什么是定性分析? 定性分析是确认分析对象是什么，或者是某种物质 （Yes）,还是不是某种物质（No）。
近红外的定性分析方法主要包括：
聚类分析(Cluster Analysis) 鉴别分析(Identity)
一致性测试(Conformity Test)
因子分析
Factor analysis
近红外的发现和应用发展里程
1800年近红外电磁波被发现，光谱的复杂性使其“沉睡”了一个 半世纪 • 20世纪70年代国外的农业分析学家综合计算机技术、光谱分 析技术、仪器技术和现代数学方法，首先把近红外分析技术 应用于农产品和食品的品质分析 • 进入90年代，近红外分析技术逐步受到分析化学家的重视， 应用逐步扩展到石油化工、医药、生物化学、烟草、纺织品等 领域。 • 近红外现已发展成为一种独立的分析技术活跃在光谱分析领 域 • 发达国家已经将近红外做为质量控制、品质分析和在线分析 的主要手段，部分方法已经成为USP、EP、PASG、EMEA、 AOAC、AACC、ICC的标准。
因为：1cm=104 μ m