主题：【分享】12月第四周主打——近红外光谱

近红外光谱 - 分析仪器
近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶变换、声光可调滤光器和阵列检测五种类型。

光栅色散
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。由于仪器中的可动部件（如光栅轴）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是具有较高的分辨率和扫描速度，这类仪器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。

随着阵列检测器件生产技术的日趋成熟，采用固定光路、光栅分光、阵列检测器构成的NIR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。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CCD多用于近红外短波区域的光谱仪，PDA检测器则用于长波近红外区域。

近红外光谱 - 仪器的性能指标
对一台近红外光谱仪器进行评价时，必须要了解仪器的主要性能指标，下面简单做下介绍。

1. 仪器的波长范围

傅立叶变换近红外光谱仪
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。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。分光系统的光谱带宽越窄，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，就要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，电荷耦合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，目前较快的扫描速度也不过2次/s左右。

12. 数据采样间隔

近红外光谱图
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。

近红外光谱 - 近红外反射技术
近红外光照射时，频率相同的光线和基团发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子。近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的光就不会被吸收。

因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内减弱，而且另外一些波长范围内较强，透射的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。

通过检测器分析透射或反射光线的光密度，从而决定该组分的含量。通过测定透射光线携带的信息而进行的检测，称为近红外透射技术通过测定反射光线携带的信息进行的测定，称为近红外反射技术。

近红外光谱 - 定性分析
在近红外光谱图谱上，依据不同种类物质所含化学成分的不同，含氢基团倍频与合频振动频率不同，则近红外图谱的峰位、峰数及峰强是不同的，样品的化学成分差异越大，图谱的特征性差异越强。采用简易的峰位鉴别可对不同品种的中药进行鉴别采用峰位鉴别法主要是分析组分相差较大的不同种物质，这种方法直观、简便，但对于性质相近的样品鉴别却无能为力。因此必须需要其它的方法，如化学计量学方法等来鉴别。

近红外光谱仪
模式识别在六十年代末被引入到化学领域，它基于一个十分直观的基本假设，即“物以类聚”，认为性质相近的样本在模式空间中所处的位置相近，它们在空间形成“簇”。模式识别方法具有明显的优点，它不需要数学模型需要的先验知识很少擅长处理复杂事物和多元数据等。在实际工作中，经常遇到只需要知道样品的类别或等级，并不需要知道样品中含有的组分数与其含量的问题，这时需要应用模式识别法。模式识别法主要用于光谱的定性分析。在近红外光谱定性分析中常用的模式识别方法很多，有聚类分析、判别分析、主成分分析和人工神经网络方法。

在中草药及其产品的应用中，模式识别方法主要用于产品的分类与鉴定。系统聚类分析是依据一种事先选定的相似性或非相似性如距离来度量类在分类空间中的距离，再根据谱系图决定分类结果。逐步聚类分析动态聚类法是依据距离进行分类的一种迭代方法。与系统聚类法相比，它的计算速度快，并节省储存单元，但需事先指定分类数和适当初定值，每步迭代都对各类的中心凝聚点进行调整并按分类对象与中心的距离之远近进行归类，直到不变为止。

主成分分析是一种简化数据结构、突出主要矛盾的多变量统计分类方法。利用主成分分析可以降低数据的维数，根据主因子得分对样品进行分类。逐步判别分析能在筛选变量的基础上建立线性判别模型。筛选是通过检验逐步进行的。每一步选取满足指定水平最显著的变量，并剔除因新变量的引入而变得不显著的原引入变量，直到不能引入也不能剔除变量为止。

人工神经网络作为一种智能型算法，具有很强的非线性映照能力，在非线性多元校正中已显露出一定的优势，目前关于误差反向传播神经网络的研究和应用较多。由于具有良好的自组织、自学习和处理复杂非线性问题的能力，因而对于复杂的、非线性的体系，可取得更好的效果，已被用于许多领域。

近红外光谱 - 定量分析
近红外光谱分析技术在近几十年内得到了快速的发展而且在多个应用领域得到了广泛的认可，它的魅力在于其可以在很短的时间内无需复杂的样品制备过程即可完成物质成份多组分的同步快速定量分析，并且可以给出很高的分析精度，不产生任何化学污染且分析成本很低，易于在实验室尤其是工业现场或在线分析领域得到推广使用。


近红外光谱
NIR 定量分析的过程

该技术应用实施过程中需要前期进行一些必要的准备工作，其中包括：

（1） 具有广泛代表性的定标和预测样品集的收集和成份理化定量分析；

（2） 定标和预测样品集的近红外光谱采集和光谱解析；

（3） 物质各待测成份在近红外分析仪器上的定标建模和模型优化；

（4） 已有定标模型的实际预测分析。

在以上的前期工作中需要进行较多的实验验证，而且需要对近红外光谱定量分析技术中的每一个环节上全方面考虑多种干扰因素（如温度、湿度等）的影响。一旦定标模型通过预测检验分析后，近红外光谱分析仪器将在较长的时间内保持很高的稳定性和分析精度，操作人员很容易在较短的时间内掌握该仪器的操作程序，这就是该技术在一个新的应用领域很容易得到推广的主要优势所在。但是近红外分析仪器定标模型精确度会由于环境因素影响、自身器件的老化以及参考标准样品的变化而发生微小的变化，为了确保分析结果的准确性需要对模型进行周期性的检验和修正，这就需要用户长期拥有检测样品的理化分析能力，尽管并不需要太多的工作量，所以近红外光谱定量分析技术需要其他成份定量分析技术为依托，经常通过少量经过理化分析的新样品来验证近红外定标模型的精确度，这也是该技术的弱点所在。

近红外光谱 - 分析技术注意事项
近红外分析技术的一个重要特点就是技术本身的成套性，即必须同时具备三个条件：

（1）各项性能长期稳定的近红外光谱仪，是保证数据具有良好再现性的基本要求；

（2）功能齐全的化学计量学软件，是建立模型和分析的必要工具；

（3）准确并适用范围足够宽的模型。

近红外光谱图
这三个条件的有机结合起来，才能为用户真正发挥作用。因此，在购买仪器时必须对仪器提供的模型使用性有足够的认识，特别避免个别商家为推销仪器所做的过度宣传的不良诱导，为此付出代价的厂家有之，因此，一定要对厂家提供模型与技术支持情况有详细了解。

近红外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。但近红外分析的效率是取决于仪器所配备的模型的数目，比如测量一张光谱图，如果仅有一个模型，只能得到一个数据，如果建立了10种数据模型，那么，仅凭测量的一张光谱，可以同时得到10种分析数据。

在定标过程中，标准样本数量的多少，直接影响分析结果的准确性，数量太少不足以反映被测样本群体常态分布规律，数据太多，工作量太大。另外在选择化学分析的样本时，不仅要考虑样品成分含量和梯度，同时要考虑样本的物理、化学、生长地域、品种、生长条件及植物学特性，以提高定标效果，使定标曲线具有广泛的应用范围，对变异范围比较大的样本可以根据特定的筛选原则，进行多个定标，以提高定标效果及检验的准确性。一般来讲，单类纯样本由于样本性质稳定，含化学信息量相对少，因此定标相对容易，如玉米、小麦、大豆等纯样；混合样本样品信息复杂，在本谱区会引起多种基团谱峰的重叠，信息解析困难，定标困难，如畜牧生产中的各种全价饲料、配合饲料、浓缩饲料等。

近红外光谱 - 应用
近红外光谱技术在许多领域（农业和食品等）检测中已作为官方认证的检测技术，同时在纺织、聚合物、药物、石油化工、生化和环保等领域也得到了广泛的应用名。除了早期的应用外，近几年人们又利用该技术检测物质的纯度，解释物质的结构，预测、评价生物的某些生理现象及变化，监测一些天体的变化等。尤其近几年，近红外光谱技术在医学领域的许多方面得到了广泛的应用。

近红外光谱仪
1. 近红外光谱分析在中药分析中的应用

近红外光谱技术应用于药物的鉴别和定性、定量的分析不仅具有快速、方便、准确、非侵入式分析、易于实现生产过程的在线控制等优点，而且可以鉴定某些药物如光学异构体、具有光学活性物质的纯度，因此在药物的定性鉴定、定量分析、质量控制及在线检测等方面显示了巨大的作用。利用近红外光谱和多变量统计分类技术系统聚类分析、逐步聚类分析、主成分分析和逐步判别等可很好地对药材和成药进行定性判别和分类。

2. 近红外光谱分析在临床分析中的应用

近年来，随着光导纤维及传感技术的发展，近红外光谱检测技术和计算机网络技术相结合的进一步深入，近红外光谱技术的非侵入式定性和定量分析成为可能。同时，由于生物体中不同的透明组织对近红外光具有不同的吸收和散射特性，因此近红外光对不同的软组织和变化的组织具有较强的区分能力。根据这种特性，可以利用近红外光谱法测量组织的某些光学参数从而得到组织的某些生理参数，或者建立某些生理参数和光谱数据的关系，从而可以检测出组织中的异物或生成二维的图像；也可监测皮肤组织受外界环境影响的变化；还可用于临床分析和血液某种成分的测定。近红外光谱法可以直接对活体组织进行无创伤检测，使过去无法开展的研究工作成为可能，极大地提高了分析检测效率。

近红外光谱 - 存在问题
近红外光谱分析技术现阶段已相对成熟，各种不同类型和型号的近红外分析仪在市场上都有销售，但是分析仪器的价格相对较高，尤其是傅立叶变换型（如美国 Nicolet 公司）、光栅扫描型（美国 Foss 公司）等高精度分析仪，普通商业用户难以承受，无法大面积推广。所以如何降低仪器研制成本并保持足够的分析精度是目前研究人员关心的主要问题之一。

阵列近红外光谱仪
滤光片型近红外光谱分析仪成本相对较低，而且定标模型的长期稳定性较好以及仪器的操作和维护很方便，是近红外光谱仪器市场中的主流产品，该型仪器研制中定标模型的优选以及同型号仪器间定标模型的转移问题一直以来是近红外工作者讨论的热点。

近红外光谱分析仪器的定量分析精度除了与自身的信噪比及稳定性有关外，参考理化分析方法的精度也直接影响了定标模型所给出的测量结果精度，所以如何进一步提高理化参考分析方法的精度以提高仪器测得的近红外光谱吸光度数据与理化分析值的相关性需要等待理化学科的发展。

尽管化学计量学的发展成功地解释了定标模型波长通道信息与物质化学信息之间相关性，同时对定标数据的前处理提高了模型的稳定性和精度，但是与直接采用光谱数据 Log(1/R)所计算得到的结果相比较精度提高较小而且极大地增加了数据处理的复杂性，所以只有通过对物质与光作用机制的进一步研究和理解来从根本上解决物质成份光谱之间以及外界因素对定标模型的干扰问题。