淺談我國近紅外光譜設備的應用

張志勇，趙全中，涂安琪，郭江源，賀 帥，那 欽

（內蒙古電力科學研究院，內蒙古呼和浩特 010020）

0 引言

近紅外光譜（Near Infrared Spectroscopy），簡稱NIR，可以反映樣品的組成成分和物理性質信息[1]（如化學組分、氫鍵、折光指數），信息量豐富，是近年來高新、實用的分析檢測技術中發展最為迅速的。近紅外光譜設備分辨率高、速度快、檢測容易、簡單方便、重現性好、適合在線分析，具有快速、高效、無損的優勢。目前無論在工農業還是醫藥食品等行業中近紅外光譜設備都有了廣泛的應用。以下對近紅外光譜設備及其發展歷史進行介紹。

1 近紅外光譜設備

1.1 介紹

近紅外光是一種電磁波，波長介于可見光和中紅外光之間，為780～2516 nm（波數12 821～3975 cm-1），相應還可以劃分為兩個區域：780～1100 nm 近紅外短波、1100～2526 nm 近紅外長波。發生在該區域內的吸收光譜對應于分子基頻振動的倍頻和組合頻，近紅外光譜屬于分子振動光譜。由于基頻、倍頻和組合頻的相互偶合，多原子分子在整個近紅外光區有多個吸收帶，精確地區分近紅外光譜帶的歸屬是很難的，因為每個近紅外光譜帶都可能包含了若干個不同基頻的倍頻和組合頻譜帶。倍頻和組合頻的吸收強度比基頻吸收弱得多，再加上背景復雜、譜峰重疊嚴重，直接分離解析難以提取出足夠的有用信息，因此必須采用化學計量學方法建立較復雜的數學模型才能得到可靠的分析結果。

近紅外光譜定性分析是用近紅外光譜吸收峰的形狀與位置來推斷未知物的結構，用已知類別的樣品建立定性模型，然后用該模型考察未知樣品是否是該類物質。定量分析是用近紅外光譜特征吸收峰的強度測定混合物中的組分含量，應用化學計量學方法，建立樣品光譜與樣品濃度或其他分析數據間的定量關系（校正模型），然后用該模型對未知樣品的濃度或其他信息進行預測。

近紅外光譜設備的應用包括兩個因素，一是硬件，即精密的光譜儀器；二是軟件，即化學計量學軟件。近紅外光譜設備有3種測量方式：透射測量、漫反射測量和漫透射測量。采用哪一種測量方式，主要取決于被測樣品的類型。近紅外光譜設備一般都是由光學系統、電子系統、機械系統和計算機系統等部分組成的。光學系統是近紅外光譜設備的核心，主要包括光源、分光系統和檢測器等部分。

1.2 發展歷史

早在1800 年Herschel 通過觀察發現了近紅外光譜譜帶[2]。緊接著有機化合物的近紅外光譜被Abney 和Festing 得到并發現了近紅外吸收峰與氫原子之間的關系。這預示著近紅外光譜以一種分析檢測手段的技術得以應用。美國太陽石油公司于20 世紀40 年代末到50 年代初研究了二級倍頻吸收區。再后來在制藥領域中的水分和粒度也可以應用近紅外光譜檢測。20 世紀80 年代計算機技術、化學計量學的發展推動了近紅外光譜設備的迅速發展。目前已經有50 多個國家和地區對近紅外光譜進行了研究，近紅外技術的使用標準也得以制定?？焖佟o損、在線等應用上的優勢使得近紅外光譜技術成為一門獨立的檢測技術。

我國近紅外光譜技術的研究與應用起步較晚，開始于20世紀80 年代。到90 年代后期，在工業、農業、醫藥和食品等方面，近紅外光譜設備都得到了不少的應用。近年來在我國的科研和生產過程中，近紅外光譜檢測技術和設備發揮著越來越重要的作用。

2 近紅外光譜設備的應用

2.2 工業領域

近紅外設備基于分子振動光譜，其高通量、低成本、快速、無損等特點為工業領域的檢測和分析技術提供了手段。很多分析檢測技術都是采用過程宏觀變量來進行測定的，而近紅外光譜是基于分子層面的檢測方法，因此采用近紅外光譜方法測量的靈敏度更高。近紅外光譜設備作為這樣一種新興的檢測儀器在工業領域中具有非常大的優勢和極為廣闊的應用前景。李婷等[3]設計了通過近紅外光譜在線預處理乙烯裂解原料系統，實現了除氣泡、除水、除渣、換熱、恒溫和自動控制等等作用。該系統能夠滿足在線近紅外的測量要求和長周期運行，具有除渣除水效果較好、簡單、易操作、易維護等特點，已經在乙烯裝置上成功應用。魏鈉等[4]建立起來一種可以用于水性膠粘劑中測定不揮發物含量的近紅外光譜技術。他們使用烘箱收集水性膠粘劑的不揮發物，測定其固含量作為原始數據，掃描其近紅外光譜圖，然后建立校正模型，最終得到其不揮發物含量的近紅外光譜測定方法。

2.3 農業領域

近紅外光譜是一種不破壞樣品并且分析速度也很快的綠色分析技術。通過與化學計量學這樣先進的方法結合起來，近紅外光譜檢測技術可以在成分分析方面起到重要作用。近紅外光譜設備能夠高效、快速、無損地進行農業產品品質定性和成分定量分析。使用近紅外光譜設備可以做到從產出到應用的全過程監測農產品，包括標準化加工農作物、智能化識別品質以及對產地進行溯源。王盛鵬等人[5]通過近紅外光譜模型對茶鮮葉分級然后按照原料質量分批分期進行加工，提高了茶葉生產效率。他們在聯合區間內篩選特征光譜，采用偏最小二乘法，構建起茶葉海拔高度判別模型，提供了平地茶和高山茶鮮葉定級的理論依據。

2.4 醫藥領域

近年來在醫藥鑒定方面近紅外光譜是應用迅速的光譜分析技術之一。劉海濤等[6]設計和應用了一種快速鑒別聚丙烯輸液袋及輸液瓶中含有SEBS（一種乙烯、苯乙烯、丁烯的共聚物）與否的近紅外光譜設備。他們的建模樣品為不含SEBS 的聚丙烯膜，驗證樣品是含有不同濃度SEBS 的聚丙烯膜。通過導數預處理光譜、矢量歸一，建立一致性檢驗模型，最終得到近紅外檢測分析設備。近紅外光譜設備除了可以快速、無損地定性分析之外，在定量檢測上也有所應用。閆珂巍等[7]快速分析藥材質量就是建立三七藥材中三七皂苷R1、人參皂苷Rg1、人參皂苷Rb1三種皂苷的近紅外定量分析模型。

2.5 食品領域

食品行業當前有諸多安全問題存在，在食品監管工作中使用分辨率高、速度快、簡單方便的檢測方法是大勢所趨。近紅外光譜設備具有實時、高效的特點，技術日漸成熟，在測定成分和分析理化性質等方面優勢明顯。目前近紅外光譜逐漸被應用于食品的分析中，追溯不同產品來源，檢測農藥殘留，鑒別食品成分摻假，鑒定食品種類等。吳習宇等[8]使用近紅外光譜設備識別花椒產地。他們分析花椒產地的方式是采集205 個花椒樣品（來自四川、陜西、貴州、云南、重慶5 個省市的8 個產地），掃描近紅外光譜，采用偏最小二乘法與主成分分析建立了近紅外光譜模型，得到能夠識別花椒產地的設備。

2.6 其他領域

我國近紅外光譜設備除了在上述傳統領域取得了一定的發展和成果，在煤質分析、環保、林業、造紙、紡織等領域，我國近紅外光譜技術科技工作者也都展開了大量的研究?？傊?，在各個領域當中近紅外光譜設備以其分辨率高、速度快、檢測容易的特點和優勢都受到了越來越廣泛的關注。

3 發展趨勢與應用展望

近年來，我國近紅外光譜設備發展迅猛，大量采用近紅外光譜檢測技術的國家標準得以推廣。未來小型化、微型化、專用化依然是近紅外光譜設備的發展方向。光譜預處理、變量篩選、多元定量校正方法仍然是近紅外光譜分析技術的研究方向。

雖然我國近紅外光譜設備起步比較晚，而且目前仍然有一些中高端的設備需要依靠進口，但是近紅外分析方法在短短的幾十年間已在工業領域、農業領域、醫藥領域和食品領域等取得了相當可觀的經濟效益和社會效益。相信近紅外光譜設備在我國各個領域的發展和應用會不斷推進檢測技術和分析手段的現代化進程。