近红外基础知识 ppt课件
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《化学近红外》PPT课件
19
在预测过程中，首先使用近红外光谱仪测 定待测样品的光谱图，通过软件自动对模 型库进行检索，选择正确模型计算待测质 量参数。
20
1.2.3近红外光谱的测量形式
近红外线有很强的穿透能力，其分析仪器 有三种测量形式；漫透射测量、透射测量 和漫反射测量
21
透射测量；是指将待测样品置于光源与 检测器之间，检测器所检测的光是透射 光或与样品分子相互作用后的光（光谱 （波长一般在780~1100nm范围内）承载 了样品结构与组成信息），透射光强度 与样品浓度之间的关系符合Beer定律。
10
被测物质的近红外光谱取决于样品的组 成和结构。样品的组成和结构和近红外 光谱之间有着一定的函数关系。使用化 学计量学方法确定出这些重要函数关系， 即经过校正，就可以根据被测样品的近 红外光谱，快速计算出各种数据。
11
1.2.2化学计量学方法
化学计量学是化学、计算机技术与数学 相互结合形成的一门崭新的边缘学科。 现代分析化学计量学已发展成数理统计、 数据处理、分类、解析、实验设计最优 化，最大限度地获取有关物质系统化学 信息等的有效方法。由于采用了计算机 技术，通过解析光谱数据获得物质的有 关化学信息，利用数学模型和数学方法 描述，消除基质和干扰组分的影响，从 而对复杂样品不经预处理直接进行多组 分分析。
34
(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。 (6)打印机
记录或打印样品的光谱或定性、定量分 析结果。
35
近红外光谱仪器的主要类型 近红外光谱仪的分类方式比较多，但市 场上分类主要还是按照仪器的分光器件 不同来分，一般可分为4种主要类型：滤 光片型、光栅色散型、傅里叶变换型和 声光调制滤光器型。其中光栅色散型又 有光栅扫描单通道和非扫描固定光路多 通道检测之分。
近红外光谱原理 PPT资料共88页
..........
3. n个波长点
C = B0 + B1 * A1 + B2 * A2 + ..... + Bn* An n+1 dimensions !!!
How to find the bands you need?
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
9000
8000
7000
6000
Wavenumber cm-1
10
140
9090
4000
16
318
9090
4000
32
159
9090
4000
8
636
9090
4000
4
1273
9090
4000
2
2545
About how many data points are we talking about?
Optical resolution Dispersive system in cm-1
迈克尔逊干涉仪 Mems
立体角镜
滤光片型
光源
滤光片
样品
检测器
滤光片型仪器的优缺点
优点：
1. 制造成本低，推广面大； 2. 体积小，可以便携。
缺点：
1. 滤光片的带宽较宽（一般10nm）。 2. 滤光片透光的光谱中心点难以保证。 3. 同一波长滤光片的带宽和透过率难以保证一致。 4. 信息量少，只能作为专用仪器。 5. 得到的不是连续光谱，不能对光谱进行预处理（如平滑、求导等）。
100
90
80
70
Resolution (cm-1)
近红外光谱NIRPPT课件
近红外光谱(NIR)分析
邓安平
2012.06.07
.
1
一、引言
近红外光谱技术（NIR）是上世纪90年代以来发展 最快、最引人注目的分析技术之一。
随着NIR分析方法的深入应用和发展，已逐渐得到 大众的普遍接受和官方的认可。
1978年美国和加拿大就采用近红外法作为分析小 麦蛋白质的标准方法，
1998年美国材料试验学会制订了近红外光谱测定 多元醇（聚亚安酯原材料）中羟值含量的ASTM D6342标准方法。
.
11
校正过程
收集一定量有代表性的样品（一般需要80个样品以上），在 测量其光谱图的同时，根据需要使用有关标准分析方法进行 测量，得到样品的各种质量参数，称之为参考数据。
通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与参考数据关联， 这样在光谱图和其参考数据之间建立起一一对应映关系，通 常称之为模型。
.
4
现代近红外光谱分析是将光谱测量技 术、计算机技术、化学计量学技术与 基础测试技术的有机结合；
是将近红外光谱所反映的样品基因、 组成或物态信息与应用标准或认可的 参比方法测得的组成或性质数据采用 化学计量学技术建立校正模型，然后 通过对未知样品光谱的测定和建立的 校正模型来快速预测其组成或性质的 一种分析方法。
.
5
与常规分析技术不同，近红外光谱是一种间接分 析技术，必须通过建立校正模型（标定模型）来 实现对未知样品的定性或定量分析。
具体的分析过程主要包括以下几个步骤：
(1)选择有代表性的样品并测量其近红外光谱；(2) 采用标准或认可的参考方法测定所关心的组
分或性质数据；
(3)将测量的光谱和基础数据，用适当的化学计
化学计量学的发展为这一问题.的解决奠定了数学基础。 10
邓安平
2012.06.07
.
1
一、引言
近红外光谱技术（NIR）是上世纪90年代以来发展 最快、最引人注目的分析技术之一。
随着NIR分析方法的深入应用和发展，已逐渐得到 大众的普遍接受和官方的认可。
1978年美国和加拿大就采用近红外法作为分析小 麦蛋白质的标准方法，
1998年美国材料试验学会制订了近红外光谱测定 多元醇（聚亚安酯原材料）中羟值含量的ASTM D6342标准方法。
.
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校正过程
收集一定量有代表性的样品（一般需要80个样品以上），在 测量其光谱图的同时，根据需要使用有关标准分析方法进行 测量，得到样品的各种质量参数，称之为参考数据。
通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与参考数据关联， 这样在光谱图和其参考数据之间建立起一一对应映关系，通 常称之为模型。
.
4
现代近红外光谱分析是将光谱测量技 术、计算机技术、化学计量学技术与 基础测试技术的有机结合；
是将近红外光谱所反映的样品基因、 组成或物态信息与应用标准或认可的 参比方法测得的组成或性质数据采用 化学计量学技术建立校正模型，然后 通过对未知样品光谱的测定和建立的 校正模型来快速预测其组成或性质的 一种分析方法。
.
5
与常规分析技术不同，近红外光谱是一种间接分 析技术，必须通过建立校正模型（标定模型）来 实现对未知样品的定性或定量分析。
具体的分析过程主要包括以下几个步骤：
(1)选择有代表性的样品并测量其近红外光谱；(2) 采用标准或认可的参考方法测定所关心的组
分或性质数据；
(3)将测量的光谱和基础数据，用适当的化学计
化学计量学的发展为这一问题.的解决奠定了数学基础。 10
近红外技术培训.ppt
物理解释：
A: 强调粒子概念－－分子场吸收一个光子的同时 ，发射一 个光子（拉曼散射）
B: 强调波动概念－－由于物质密度的起伏光被散 射瑞利散射）
光散射的定义及物理解释
散射引起反射，折射及衍射：散射是衍射的一种特 殊情况，即散射是细微粒子（比波长要小）的衍射 效应。
使透射光强减弱的原因:光的吸收与光的散射
3. 用于建模定标的样品的化学值的准确程 度。
检测
• 精度 = 重复性 •准确度 = 达到真值的能力
精度高 准确性高
精度高 准确性差
精度差 准确性差
不同实验室比较
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
资料来源: CCFRA 合作研究项目, 1997
什么是校准
在浓度测量精度目标确定时，一定的仪器精
度是实现该预测精度目标的必要前提。
建模方法对测量精度与仪器精度的 影响结论
如果采取有效的建模方法，即使在仪器精度相
同的情况下，都可以有效地提高预测精度，而 且还可以大大降低实现期望预测精度所必需的 仪器精度的要求。
选择有效的建模方法（如优选波长变量，改进
不是 检查分析方法
校正模型训练集样品的选择
尽可能要覆盖待分析样品的范围 对于待测的物化性质，样品应均匀分布 样品的基底应相同（如PH值或水分） 若各组分间相互反应，要注意光谱采集合采集瞬间
的组成变化 包括尽可能多的有代表性的样本 样本变化范围越大，模型的适用范围越宽，但分析
结果的精度可能变差；模型适用范围小时，分析结 果的精度相对较高，但适用面变窄。
A: 强调粒子概念－－分子场吸收一个光子的同时 ，发射一 个光子（拉曼散射）
B: 强调波动概念－－由于物质密度的起伏光被散 射瑞利散射）
光散射的定义及物理解释
散射引起反射，折射及衍射：散射是衍射的一种特 殊情况，即散射是细微粒子（比波长要小）的衍射 效应。
使透射光强减弱的原因:光的吸收与光的散射
3. 用于建模定标的样品的化学值的准确程 度。
检测
• 精度 = 重复性 •准确度 = 达到真值的能力
精度高 准确性高
精度高 准确性差
精度差 准确性差
不同实验室比较
0.7
0.65
0.6
0.55
0.5
0.45
0.4
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资料来源: CCFRA 合作研究项目, 1997
什么是校准
在浓度测量精度目标确定时，一定的仪器精
度是实现该预测精度目标的必要前提。
建模方法对测量精度与仪器精度的 影响结论
如果采取有效的建模方法，即使在仪器精度相
同的情况下，都可以有效地提高预测精度，而 且还可以大大降低实现期望预测精度所必需的 仪器精度的要求。
选择有效的建模方法（如优选波长变量，改进
不是 检查分析方法
校正模型训练集样品的选择
尽可能要覆盖待分析样品的范围 对于待测的物化性质，样品应均匀分布 样品的基底应相同（如PH值或水分） 若各组分间相互反应，要注意光谱采集合采集瞬间
的组成变化 包括尽可能多的有代表性的样本 样本变化范围越大，模型的适用范围越宽，但分析
结果的精度可能变差；模型适用范围小时，分析结 果的精度相对较高，但适用面变窄。
近红外光谱分析技术 ppt课件
PPT课件 35
• 一、近红外光谱的定量分析
• (五) 校正模型的建立
• 目的是对未知样品的组成或性质进行预测。 • 常用的三种建立校正模型的方法：主成分回归( PCR)、偏最小二乘归( PIS) 和多元线性回归(MIR)。 • 常见的非线性校正模型建立技术区域权重回归( LMR )和人工神经网络 ( ANN )。
优化算法介绍
• 1.主成分分析法
• 是将数据降维，以排出众多化学信息共存下的相互重叠的信息。它是将原变量进行 转换，用少数几个新变量作为原变量的线性组合，同时，这些新变量应尽可能多的 表征原变量的数据结构特征而不丢失信息。 • 通过主成分回归，可以去除噪声，解决了回归中的共线性问题，有效地提高了信息 利用，提高了模型的稳定性。
指该近红外光谱 仪器所能记录的 光谱范围。
波长范围
仪器的 分辨率
波长的 精确度
PPT课件
指仪器所显示的波长 值和分光系统实际输 出单色光的波长值之 间的相符程度。
波长的 准确度
指对同一样品进行 多次扫描，光谱谱 峰位置间的差异程 度或重复性。
30
指仪器对某物质 进行透射或漫反 射测量时，所测 光度值与该物质 真实值之差。
近红外光谱分析技术
PPT课件
1
原理
仪器 结构
数据 分析
应用
PPT课件
2
原理
PPT课件
3
一、近红外光谱分析技术的发展
可简单概括为： 1800年发现 19s80年代
20s50年代 中后期
20世纪60 年代中期
20s80年 代后
20世纪90 年代
PPT课件
4
二、近红外光谱的产生
区域
介于可见光与中红外之间的近 红外波段。整个谱区波长范围 根据ASTM定义为780-2526nm, 在一般应用中将波长在7002500nm（波数14286-4000cm-1） 作为近红外谱区。
• 一、近红外光谱的定量分析
• (五) 校正模型的建立
• 目的是对未知样品的组成或性质进行预测。 • 常用的三种建立校正模型的方法：主成分回归( PCR)、偏最小二乘归( PIS) 和多元线性回归(MIR)。 • 常见的非线性校正模型建立技术区域权重回归( LMR )和人工神经网络 ( ANN )。
优化算法介绍
• 1.主成分分析法
• 是将数据降维，以排出众多化学信息共存下的相互重叠的信息。它是将原变量进行 转换，用少数几个新变量作为原变量的线性组合，同时，这些新变量应尽可能多的 表征原变量的数据结构特征而不丢失信息。 • 通过主成分回归，可以去除噪声，解决了回归中的共线性问题，有效地提高了信息 利用，提高了模型的稳定性。
指该近红外光谱 仪器所能记录的 光谱范围。
波长范围
仪器的 分辨率
波长的 精确度
PPT课件
指仪器所显示的波长 值和分光系统实际输 出单色光的波长值之 间的相符程度。
波长的 准确度
指对同一样品进行 多次扫描，光谱谱 峰位置间的差异程 度或重复性。
30
指仪器对某物质 进行透射或漫反 射测量时，所测 光度值与该物质 真实值之差。
近红外光谱分析技术
PPT课件
1
原理
仪器 结构
数据 分析
应用
PPT课件
2
原理
PPT课件
3
一、近红外光谱分析技术的发展
可简单概括为： 1800年发现 19s80年代
20s50年代 中后期
20世纪60 年代中期
20s80年 代后
20世纪90 年代
PPT课件
4
二、近红外光谱的产生
区域
介于可见光与中红外之间的近 红外波段。整个谱区波长范围 根据ASTM定义为780-2526nm, 在一般应用中将波长在7002500nm（波数14286-4000cm-1） 作为近红外谱区。
近红外光谱法PPT课件
❖ 相关系数R2：表示样品预测值与理论值的相关程度。
37
近红外光谱定量分析的流程与步骤
38
❖ 拓扑学方法和ANN方法等常用于非线性关系的 关联。
❖ ANN和PLS方法结合使用，可改善数据关联的 能力。
39
建立定量模型的方法
❖ MLR只要知道混合物中某些组分的浓度或性质，就 可以建立复杂体系的校正模型。但是仅适用几个波 长下的光谱数据，常常会丢失许多光谱信息。
❖平滑处理涉及处理窗口的大小，较大的平 滑点数可以使信噪比提高，但同时也会导 致信号的失真。
30
多元散射校正MSC
❖ 主要是消除颗粒分布不均匀及颗粒大小产生的散 射影响
❖ 经过散射校正后的光谱有效地消除了原始光谱由 于颗粒度及装样误差所导致的基线平移和非线性
影响
31
人参总皂甙近红外光谱及定标建模分析
❖ 中国药典2005版首次收载
附录XIXK 近红外分光光度法指导原则
2
NIR的特点
❖分析速度快，分析效率高 ❖适用的样品范围广（液体、固体、半固体和
胶状体） ❖样品一般不需要预处理，分析成本较低 ❖测试重现性好 ❖不破坏样品，应用在活体分析和医药临床领
域 ❖不适合痕量分析以及分散性样品的分析
3
二、基本原理
❖ 合频近红外谱带位于2000~2500nm处，一级 倍频位于1400~1800nm处，二级倍频位于 900~1200nm处，三级和四级或更高级倍频 则位于780~900nm处。
11
12
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
13
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
14
❖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的倍频和合频吸收。
37
近红外光谱定量分析的流程与步骤
38
❖ 拓扑学方法和ANN方法等常用于非线性关系的 关联。
❖ ANN和PLS方法结合使用，可改善数据关联的 能力。
39
建立定量模型的方法
❖ MLR只要知道混合物中某些组分的浓度或性质，就 可以建立复杂体系的校正模型。但是仅适用几个波 长下的光谱数据，常常会丢失许多光谱信息。
❖平滑处理涉及处理窗口的大小，较大的平 滑点数可以使信噪比提高，但同时也会导 致信号的失真。
30
多元散射校正MSC
❖ 主要是消除颗粒分布不均匀及颗粒大小产生的散 射影响
❖ 经过散射校正后的光谱有效地消除了原始光谱由 于颗粒度及装样误差所导致的基线平移和非线性
影响
31
人参总皂甙近红外光谱及定标建模分析
❖ 中国药典2005版首次收载
附录XIXK 近红外分光光度法指导原则
2
NIR的特点
❖分析速度快，分析效率高 ❖适用的样品范围广（液体、固体、半固体和
胶状体） ❖样品一般不需要预处理，分析成本较低 ❖测试重现性好 ❖不破坏样品，应用在活体分析和医药临床领
域 ❖不适合痕量分析以及分散性样品的分析
3
二、基本原理
❖ 合频近红外谱带位于2000~2500nm处，一级 倍频位于1400~1800nm处，二级倍频位于 900~1200nm处，三级和四级或更高级倍频 则位于780~900nm处。
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不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
13
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
14
❖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的倍频和合频吸收。
近红外光谱理论PPT课件
.
14
弯曲振动 – 面外弯曲 (2)
Dedicated Analytical Solutions
2020年5月11日星期一
.
15
光谱理论….
频率 是指单位 时间的振动数目 振幅 是 振动双极的振动距离
Dedicated Analytical Solutions
2020年5月11日星期一
.
16
0.6
二级倍频吸收带
0.4
三级倍频吸收带
0.2
合频吸收带
0 700
1000
Dedicated Analytical Solutions
2020年5月11日星期一
1300 1600 1900 波长 (纳米)
.
2200
2500
34
随波长变化的一些因素变化趋势
吸光度
波带叠加 在样品中穿透
700nm
1100nm
光谱理论….
当光能与分子振动能量相匹配时，分子将吸收光能，振 动能级将跃迁为新能级，表征为振动振幅的增加
在新能级时，分子振动频率保持不变
Dedicated Analytical Solutions
2020年5月11日星期一
.
17
分子振动能级跃迁
Dedicated Analytical Solutions
这些工作为NIR技术在我国农业上的应用提供了大量的基础数 据
Dedicated Analytical Solutions
2020年5月11日星期一
.
7
NIR技术已正式列入我国饲料国标
GB /T 18868-2002 饲料中水分、粗蛋白、粗纤维、粗脂肪、赖氨酸、蛋氨 酸、快速测定近红外光谱法
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• 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。
散射与穿透深度的变化
低散射
散射增强
高散射
透射深度 = 厘米
透射增强
透射深度 = 0.1-0.5mm
400 550 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900 2050 2200 2350 2500
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 因为：1cm=104 μ m 5μ m处，用波数表示： 104/ 5=2,000cm -1
近红外的采样方法
光源
单色器或干涉仪
样品
检测器
Near-IR Transmittance (NIT) 透射式
光源
单色器或干涉仪
检测器
样品
Near-IR Reflectance (NIR) 漫射式
检测器
光源
单色器或干涉仪
样品
检测器
Near-IR Trans-Reflectance (NITR) 透漫射式
b a n d p o s itio n [n m ]
b a n d p o s itio n [c m -1]
n
3290
3040
2n
1693
5907
3n
1154
8666
4n
882
11338
5n
724
13831
e x tin c tio n c o e ffic ie n t [c m 2 m o l-1]
4
3
2
MIR
NIR
1
0 9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
Wavenumber cm-1
近紅外光与物质的相互作用
吸收 全反射
absorption
specula reflectance
透射
transmittance
漫(反)射
Diffuse
散射
scattering
reflectance
振动能级水平
不同的振动形式
对称伸缩振动
非对称伸缩振动
摇摆振动
不同的振动形式
摇摆振动
弯曲振动
剪切振动
Molecular vibration modes
H
H
Asym-stretching
Sym-stretching
O
Bending
3756 cm-1 3657 cm-1 1595 cm-1
Absorbance Units 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
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)
4,000 cm -1 (2,500 nm) 400 cm -1 (25,000 nm)
108
107
Wavelength (cm-1)
-射线
X – 射线
106
紫外
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
近红外吸收光谱特征
物质在近红外谱区的吸收主要包括以下基团基频振动的合 频和倍频振动吸收
C-H, N-H, O-H, S-H, C=O, C=C
近红外的合频振动的吸收系数比中红外基频振动吸收弱 1-5个数量级.
Absorbance
Water Spectrum
5
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
3rd Overtone 三級倍頻 2nd Overtone 二級倍頻 1st Overtone 一級倍頻 Fundamental 振動基頻
近红外光谱的信号特征
1、近红外光的产生：近红外光源一般用卤素灯 2、近红外光的检测：近红外光的检测材料是半导体材料，如
Si、PbS、 InAs、Ge、InGaAs等 3、光学材料：可以使用耐水和便于维护的材料，如：低OH
石英、石英和火石玻璃、CaF等。
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
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
10-1
1
101
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
105
104
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
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)
combination band
3nCH)
2n(CH)
n(CH)
10000
8000
6000
4000
Wavenumber / cm-1
2000
O v e rto n e s o f th e n (C H ) v ib ra tio n o f C H C l3
25000 1620
48
1 ,7
0 ,1 5
近红外与中红外的区别
聚丙烯的近红外/中红外光谱
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。
4、近红外制样简单。 中红外制样麻烦。
• 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。
散射与穿透深度的变化
低散射
散射增强
高散射
透射深度 = 厘米
透射增强
透射深度 = 0.1-0.5mm
400 550 700 850 1000 1150 1300 1450 1600 1750 1900 2050 2200 2350 2500
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 因为：1cm=104 μ m 5μ m处，用波数表示： 104/ 5=2,000cm -1
近红外的采样方法
光源
单色器或干涉仪
样品
检测器
Near-IR Transmittance (NIT) 透射式
光源
单色器或干涉仪
检测器
样品
Near-IR Reflectance (NIR) 漫射式
检测器
光源
单色器或干涉仪
样品
检测器
Near-IR Trans-Reflectance (NITR) 透漫射式
b a n d p o s itio n [n m ]
b a n d p o s itio n [c m -1]
n
3290
3040
2n
1693
5907
3n
1154
8666
4n
882
11338
5n
724
13831
e x tin c tio n c o e ffic ie n t [c m 2 m o l-1]
4
3
2
MIR
NIR
1
0 9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
Wavenumber cm-1
近紅外光与物质的相互作用
吸收 全反射
absorption
specula reflectance
透射
transmittance
漫(反)射
Diffuse
散射
scattering
reflectance
振动能级水平
不同的振动形式
对称伸缩振动
非对称伸缩振动
摇摆振动
不同的振动形式
摇摆振动
弯曲振动
剪切振动
Molecular vibration modes
H
H
Asym-stretching
Sym-stretching
O
Bending
3756 cm-1 3657 cm-1 1595 cm-1
Absorbance Units 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6
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)
4,000 cm -1 (2,500 nm) 400 cm -1 (25,000 nm)
108
107
Wavelength (cm-1)
-射线
X – 射线
106
紫外
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
近红外吸收光谱特征
物质在近红外谱区的吸收主要包括以下基团基频振动的合 频和倍频振动吸收
C-H, N-H, O-H, S-H, C=O, C=C
近红外的合频振动的吸收系数比中红外基频振动吸收弱 1-5个数量级.
Absorbance
Water Spectrum
5
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
3rd Overtone 三級倍頻 2nd Overtone 二級倍頻 1st Overtone 一級倍頻 Fundamental 振動基頻
近红外光谱的信号特征
1、近红外光的产生：近红外光源一般用卤素灯 2、近红外光的检测：近红外光的检测材料是半导体材料，如
Si、PbS、 InAs、Ge、InGaAs等 3、光学材料：可以使用耐水和便于维护的材料，如：低OH
石英、石英和火石玻璃、CaF等。
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
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1
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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
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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)
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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)
combination band
3nCH)
2n(CH)
n(CH)
10000
8000
6000
4000
Wavenumber / cm-1
2000
O v e rto n e s o f th e n (C H ) v ib ra tio n o f C H C l3
25000 1620
48
1 ,7
0 ,1 5
近红外与中红外的区别
聚丙烯的近红外/中红外光谱
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。
4、近红外制样简单。 中红外制样麻烦。