近红外光谱技术（NIR）是一种高效快速的现代分析技术，它综合运用了计算机技术、光谱技术和化学计量学等多个学科的最新研究成果，以其独特的优势在多个领域得到了日益广泛的应用。并已逐渐得到大众的普遍接受和官方的认可。近红外光谱仪的诞生给这样的分析技术和应用提供了一个便捷快速的测试分析平台。

       在此，我就把有关近红外光谱的相关概念说说我的理解，供大家参考。

<!--[if !supportLists]-->1.<!--[endif]-->  近红外光谱的定义

        光谱的近红外区域（NIR）是介于可见光（VIS）和中红外（MIR）之间的电磁辐射波，美国材料检测协会（ASTM）将近红外光谱区定义为780-2526nm的区域，是人们在吸收光谱中发现的第一个非可见光区。习惯上又将近红外区分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。

<!--[if !supportLists]-->2.<!--[endif]-->  近红外光谱分析原理

<!--[if !supportLists]-->1）<!--[endif]-->理论依据

        近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使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、P－H 等振动的倍频和合频吸收。不同基团（如甲基、亚甲基、苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。所以近红外光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成性质测量。

<!--[if !supportLists]-->2）<!--[endif]-->化学计量学

        虽然近红外光谱理论上非常适合用于碳氢有机物质的组成成分测量，但是在该区域内，含氢基团化学键振动的倍频与合频吸收强度很弱，灵敏度相对较低，吸收带较宽且重叠严重，因此，依靠传统的建立工作曲线方法进行定量分析十分困难。这也是早期影响近红外光谱分析技术发展的致命原因所在。化学计量学的发展为这一问题的解决奠定了数学基础。

        化学计量学（Chemometrics）是综合使用数学、统计学和计算机科学等方法从化学测量数据中提取信息的一门新兴的交叉学科。

        在化学计量学的应用方面，在此我就不得不提一下美国海洋光学的产品。该公司把该化学计量学方法写成了光谱分析软件Spectrasuite，这是一个模块化的光谱学软件平台。其不但可以控制海洋光学所有USB光谱仪和设备，而且在安装正确的驱动程序后，还可以控制其它厂商的USB设备。该软件的界面不但在所有操作系统上都基本一致，而且保留了每一种操作系统特有外观，这样就实现了灵活、模块化的跨平台软件。

<!--[if !supportLists]-->3）<!--[endif]-->近红外光谱分析技术的工作过程

        样品的近红外光谱包含了组成与结构的信息，而特性参数（如油品的相对密度、馏程和闪点等）也与其组成、结构相关。因此，在样品的近红外光谱和其性质参数间也必然存在着内在的联系。使用化学计量学这种数学方法对其两者进行关联，可确立这两者间的定量或定性关系，即校正模型。建立模型后，只要测量未知样品的近红外光谱，再通过软件自动对模型库进行检索，选择正确模型，根据校正模型和样品的近红外光谱就可以预测样品的性质参数。所以，整个近红外光谱分析方法包括了校正和预测两个过程。

 因此，近红外光谱分析又称“黑匣子”分析技术，是一种间接测量技术。即通过对样品光谱和其性质参数进行关联，建立校正模型，然后通过校正模型预测样品的组成和性质。具体分析过程如图 1 所示。蓝色箭头所表示的就是预测过程，用于常规分析。再使用化学计量学软件，通过待测样品的光谱和模型，就可以计算出其性质和组成数据。

近红外光谱分析仪器的主要性能指标

1）波长范围

       任何一台特定的近红外光谱仪，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和探测器的类型。前文提到近红外光谱仪的波长范围通常分两段，780～1100nm 的短波近红外光谱区域和 1100～2500nm 的长波近红外光谱区域。

2）分辨率

       光谱仪的分辨率主要取决于光谱仪的分光系统。对于多通道探测器的仪器，分辨率还与仪器的像素有关。分光系统的带宽越窄，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优于1nm。

3）波长准确性

       光谱仪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优于 0.5nm，长波近红外范围优于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。通常用多次测量同一样品，考察其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。一般光谱仪波长的重现性应优于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量结果的准确性。

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，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考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。该光量是导致仪器测量出现非线性的主要原因，特别是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，电感器件多通道近红外光谱仪完成 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，美国海洋光学的近红外光谱仪采用的是滨松CCD线性阵列探测器，测量速度更快，且测量的结果稳定可靠。

12）数据采样间隔

       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，但需要的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，其设计值应当小于仪器的分辨率。

13）测量方式

       测量方式指仪器可提供的对样品光谱的采集形式。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有谱图的预处理、定性或定量校正模型的建立，以及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。美国海洋光学的光谱分析软件SpectraSuite将不断更新完善的化学计量方法以及完整的数据模型库整合在一个完整的便于操作的光谱操作平台，并可以进行二次开发，不断升级完善。