简述近代红外光谱的发展及应用

简述近代红外光谱的发展及应用

根据课堂的初步了解可知，自从1946年贝尔德首先研制成功双光束红外分光光度计以来，仪器的性能和结构不断地得到改进。20世纪60年代以后，分光元件从棱镜发展到光栅，近年来激光、电子计算机、傅里叶变换等技术在红外分光光度计上的应用，使仪器的性能有了重大变化，且联用技术的出现和发展，标志着红外光谱的理论研究和实际应用已经进入一个崭新的阶段。

在原子吸收光谱的研究中，根据物质分子对红外辐射的特征吸收，可以由各个官能团对特定波长的吸收得到红外光谱，其根本的原理是由分子振动能级的跃迁产生的，因为同时伴随有分子中转动能级的跃迁，故又称振转光谱。

随着科技的发展，红外光谱技术也在日新月异的变换之中。其中较为突出的有红外反射技术、红外光声光谱技术、红外显微成像技术、时间分辨红外光谱技术及二维红外相关谱技术等。近红外和远红外光谱和拉曼光谱的发展，大大扩展了红外技术的应用范围。

以下就傅里叶变换近红外光谱技术做详细叙述。近红外(Near Infrared简称NIR)光是介于可见光（VIS）和中红外光(MIR)之间的电磁波，ASTM将近红外谱区定义为780nm-2526nm。20世纪50年代后期，由于计算机技术和化学计量学的发展，近红外光谱分析技术得到了逐步发展，20世纪80年代至今，近红外技术的发展呈现出加速发展的趋势。

我国在七八十年代有着两次深刻的教训，当时引进大批近红外仪

器，由于受当时硬件、软件技术的限制、缺少强有力的技术支持以及对近红外分析原理认识不完全等因素的影响，大量设备没有得到很好地应用，1995年以前，人们对近红外有些“谈虎色变”的感觉，中国近红外应用的发展一度陷入“低谷”。国际上，1993年将现代傅立叶变换技术在近红外技术中的成功应用和化学计量学软件的不断成熟是近红外技术发展的一次大飞跃，加之国内近红外技术力量的不断壮大和人们的认知程度不断提高，同时有许多新引进的仪器得到应用。20世纪90年代后期，我国的近红外技术逐步“升温”，并逐步向许多领域快速推广应用。

近红外技术在硬件、软件算法和应用领域等方面都经历了一系列的发展过程，下面分别予以简单阐述。

硬件技术主要是指光谱仪的原理以及采样附件，按照其发展顺序依次为：光栅扫描、滤光片、二极管阵列光栅、偏振干涉傅立叶、麦克尔逊傅立叶和声光调制技术。采样附件的基本原理主要分为三种，即：透射、漫反射和透反射。根据相关文献和部分仪器生产商的介绍资料综合考察，麦克尔逊干涉傅立叶变换近红外仪器性能最优，其与滤光片、光栅扫描、声光调制技术、二极管阵列光栅、偏振干涉傅立叶变换近红外仪器相比具有以下明显的优点：（1）很高的波长准确度；（2）速度快；（3）光谱分辨率高；（4）自然杂散光不影响测试结果；（5）高信噪比，低检测限。

软件算法随着化学计量学的发展也经历了不同的发展里程，其中包括光谱预处理算法、定量分析的回归算法和定性分析的算法。

光谱预处理算法主要用于消除光谱基线的漂移、样品之间的散射系数、透射液体的光程变化、降低仪器的噪声等。不同的建模样品集和分析组份用哪一种光谱预处理方法是需要通过人工或自动优化实验进行选择的。定量分析是根据利用多组份信息提取技术，提取混合物光谱中与需要分析的组份含量相关的光谱信息进行关联，计算出相关的数学模型。现在近红外光谱仪配备的定量分析算法主要包括：MLR (多元线性回归)、PCR (主成分回归)、PLS(偏最小二乘算法)。定性分析方法主要有建库判别和聚类分析，基本原理是：对标准物质测定其近红外光谱，通过计算光谱之间的欧氏距离及其在空间的阈值建立标准样品库，对未知样品测定其近红外光谱，计算该光谱与谱库中每个已知样品库平均光谱的欧氏距离，比较这些距离与各谱库的阈值大小确定该样品是哪一种物质。另外还可根据样品近红外光谱之间的马氏距离进行聚类分析。

近红外光谱的应用领域较为广泛，分析对象主要是有机物以及与有机物组成相关的物理化学特性(如物质的密度、黏度、沸点、闪点、凝固点、馏程等)，分析手段分为：定性和定量两种，定量分析的检测限国际上一般认为是0.1％。由于傅立叶变换近红外是连续光谱仪器，信息量丰富，具有广泛的应用领域。

例如，农牧业和食品工业应用。近红外光谱技术分析农牧产品和食品中的蛋白质、纤维素营养成份。如在小麦、玉米、大豆、水稻、油菜、大麦等作物品质育种方面作了大量的应用工作。对其进行了蛋白质、含油量、淀粉(包括支链和直链淀粉)、水分、各种氨基酸、脂

肪酸、纤维素(包括酸性和碱性洗涤纤维)等的测定，以及作物产地、季节鉴别、品质分级等。可以对葡萄酒(乙醇、含糖量、有机酸、含氮量、pH值等)各指标的测定，真伪鉴别。另外利用近红外技术对食品添加剂、防腐剂等化学品使用前进行快速定性鉴定分析，是确保这些物质在使用前准确无误最有效技术。在石油化工方面，石油炼制中辛烷值、十六烷值、芳香族、密度、馏程、闪点、凝固点、折光指数等同样可以利用该技术进行测定。高分子和塑料制品的密度、硬度、黏度、分子量、等规度、OH值、添加剂、皂化值、共聚合物比例、残余溶剂量、反应动力学测定、乳化反应进程、树脂熟化度、回收塑料分类等也可以测得。

现代傅立叶变换技术应用于近红外仪器上是近红外仪器技术发展的一次飞跃，近红外分析技术的应用已从最早的农业、食品品质分析逐步向石油化工、制药、高分子、烟草、微生物发酵、纺织等行业的质量控制、品质保证和在线分析方面拓展，其重要性越来越受到这些行业的重视，逐步成为这些领域的主要质量控制手段。

从我们自身的角度来说，红外光谱的快速发展和广泛应用正是我们需要学习和掌握的知识。我们不仅应该掌握好理论知识，我觉得最重要的还是在以扎实的理论为铺垫的基础上，了解熟悉红外光谱方面的一些实际的应用。比如在作分析的时候不同物质以及不同浓度数量级的检测应该选用适宜的方法，从而一步一步在实践中积累经验，为红外光谱的发展注入新的活力。