近红外光谱技术原理及现代近红外技术在实践中的应用

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1、近红外光谱技术原理及现代近红外技术在实践中的应用天津市拓普仪器有限公司王亚娟摘要：本文主要阐述了近红外光谱技术的历史、原理，近红外光谱仪器的发展以及现代近红外光谱技术在制糖、制药、烟草等领域的应用。关键词：近红外光谱傅里叶变换光谱仪、基团特性分析引言近红外光谱技术的发展大体上可分为5个阶段。在发现近红外谱区后的150年中，其应用极为有限，被行内人士称为“被遗忘的谱区”。直到20世纪50年代，由于近红外仪器的进步和Norris等人所做的大量研究工作，近红外光谱分析技术首先在农产品品质快速分析中得到广泛应用。由于经典近红外光谱分析的灵敏度低、抗干

2、扰性差，该项技术的研究和应用进入了一个沉默时期。80年代以后，计算机技术的飞速发展，带动了仪器数字化和化学计量学（Chemometrics）学科的发展，也使以弱信号和多元信息处理为基本特征的近红外光谱分析获得了技术支持和依靠。90年代以后，近红外光谱技术步入快速发展时期。计算机技术、数字化仪器和化学计量学方法的有机结合，形成了现代近红外光谱技术。化学计量学方法和分析软件成为现代近红外光谱技术的重要组成部分。在欧美等发达国家中近红外光谱分析仪已成为品管实验中必备的仪器。1近红外光谱原理近红外（NIR）光谱区是指介于可见（VIS）和中红外（MIR

3、）区之间的电磁波。根据美国实验和材料协会规定，其波长范围为700~2500nm，近红外光谱为分子振动光谱的倍频和组合频谱带，主要指含氢基团C-H，O-H，N-H，S-H的吸收，包含了绝大多数类型有机物组成和分子结构的丰富信息。由于不同基团或同一基团在不同化学环境中吸收波长有明显差别，因此可以作为获取有机化合物组成或性质信息的有效载体。对某些无近红外光谱吸收的物质（如某些无机离子化合物），也能够通过其对共存的本体物质的影响引起的光谱变化，间接地反应其信息。近年来，红外光谱法在仪器软件和应用技术上获得了高度发展，以高效和快速的特点异军突起，被誉为

4、分析巨人。在事先建立好校正模型的基础上，一个人使用一台近红外光谱仪仅需两分钟即可完成一个样品的全性质的测量，近红外光谱仪除消耗少量电能外，不消耗任何试剂、标准物质和设备零件，被测样品仅为几毫升，极为经济。一台近红外光谱仪用于控制分析，可以替代多台分析仪器，节省了大量设备、人力和物力。与传统分析方法相比，其工作效率大大提高。2近红外光谱技术的特点近红外光谱技术与传统化学分析方法相比，近红外光谱分析技术有鲜明的技术特点。1）分析速度快。扫描速度快，可在数十秒内获得一个样品的全光谱图，通过数学模型既可快速计算出样品的浓度。2）多种成分同时分析。一次

5、全光谱扫描，可获得多种成分的光谱信息，通过建立不同的数学模型，就可定量分析样品的多种物质成分。3）无污染分析。样品不需特别的预处理，不使用有毒有害试剂。根据样品的物质状态和透光能力采用透射或漫反射方式测定，可直接测定不经预处理的液态、固态或气态样品。4）无损伤分析。测定过程不破坏或消耗样品，不影响外观、内在结构和性质。5）实时分析和远距离测定。实时在线分析特别适合工业生产上应用。利用光导纤维技术远离主机取样，将光谱信号实时传送回主机，直接计算出样品成分的含量。6）操作简单，分析成本低。除需要电能外，不需要任何耗材，大大地降低测试费用。操作上不

6、需要专门技能和特别训练。3近红外仪器类型和特点近红外光谱仪器已由传统的滤光片型、光栅色散型，发展到目前流行的主导产品傅立叶变换型。滤光片型仪器是主要用于专用分析仪器。该类仪器的波长准确性差，测量准确性也就差，建立的数学模型不能转移。由于滤光片镀膜分子经常变化，引起内部波长漂移，所建立的分析数学模型要经常校正误差，使用很麻烦，应用局限性大，数学模型不能传递。该类仪器的价格也便宜。光栅色散型仪器是70-80年代常用的仪器类型，其采用全息光栅分光、PbS或其他光敏元件作检测器，有较高的信噪比，但波长准确度仍较低，数学模型仍不能传递。仪器中可动部分可

7、能磨损，影响光谱采集的可靠性，不适合在线分析。该类仪器的价格较滤光片型仪器贵。傅立叶变换近红外光谱仪是90年代中期以后市场的主导产品，其较传统的滤光片型和光栅色散型近红外光谱仪有更为明显的优点，表现为波长准确度和分辨率更高、扫描速度更快、不受自然散光影响、检出限量高等；由于这些优点，用户在使用时不需要对仪器进行外部校准，数学模型在同类型仪器间转移和传递成为可能。另外，光导纤维探头和积分球采样系统等附件的应用，对不规则样品的分析测定就更加方便。样品的形态可以是固体、粉末状、颗粒状、液体，甚至气体。可远距离提取样品光谱信息，从而实现在线分析。这些

8、技术的发展，大大拓宽了近红外光谱分析的应用范围。该类仪器价格较贵。4近红外光谱技术在制糖领域的应用国外制糖业应用近红外光谱技术的报道较多，主要是在糖品分析和原料蔗按