来来来，大家一起认识近红外分析
近红外光谱技术是近年来发展起来的一种高效快速的现代分析技术，它具有操作简单、分析快速、无损、无需试剂、无污染等优点，已经在食品、药品、化妆品、农产品、生物医药、化工、纺织等领域广泛应用。今天恪瑞仪器带您一起来了解：
1、何为近红外光谱？
2、典型应用有哪些？
3、近红外光谱的采集方式有哪些？
4、近红外光谱技术是如何做定性分析的？
5、近红外(wai)光谱(pu)技术是(shi)如何进(jin)行定量(liang)分(fen)析的？
何为近红外光谱
1. 近红外光谱的波长和产生机(ji)理
近红外光(guang)(guang)是介于紫外-可见光(guang)(guang)和中(zhong)红外光(guang)(guang)之间(jian)的电(dian)磁波(bo)，按(an)ASTM的标准其波(bo)长范围为780-2526nm。当从光(guang)(guang)源发出的红外光(guang)(guang)照射到物质上时(shi)，具有红外活性的分子(zi)键与(yu)红外光(guang)(guang)发生相互作用，产生近红外光(guang)(guang)谱吸(xi)收。
分子(zi)在红外(wai)光谱区内的(de)(de)吸(xi)收产(chan)生于分子(zi)振动(dong)(dong)或转动(dong)(dong)状(zhuang)态的(de)(de)变化或者分子(zi)振动(dong)(dong)或转动(dong)(dong)在不(bu)同能(neng)级间的(de)(de)跃迁（可参考下面(mian)的(de)(de)能(neng)级图）。
能量跃迁包括基频跃迁（对应于分子振动状态在相邻能级间的跃迁）、倍频跃迁（对应分子振动状态在相隔一个或几个能级间的跃迁）和合频跃迁（对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁）。所有近红外吸收谱带都是中红外吸收基频（2000-4000cm-1）的倍频及合频。
2. 近(jin)红(hong)外光谱的分光系(xi)统
分(fen)光系统是近红外(wai)光谱仪的(de)(de)(de)核心部分(fen)，它主(zhu)要由入(ru)射狭缝、光栅、出射狭缝、电(dian)机(ji)、编码器(qi)和(he)高通(tong)滤波片等(deng)(deng)部分(fen)组成(cheng)，具体见下(xia)图。光栅由电(dian)机(ji)驱动，来回45度左右运动。在电(dian)机(ji)上(shang)(shang)方安(an)装的(de)(de)(de)编码器(qi)记录光栅位置(zhi)。光栅的(de)(de)(de)不同(tong)位置(zhi)对(dui)应(ying)不同(tong)时(shi)刻测(ce)量的(de)(de)(de)波长。其中内(nei)部波长参比和(he)内(nei)部陶瓷分(fen)别用于内(nei)部X轴(zhou)和(he)Y轴(zhou)校准。另外(wai)单色(se)器(qi)和(he)采样(yang)器(qi)是分(fen)开的(de)(de)(de)，且光纤束可以(yi)上(shang)(shang)下(xia)调整位置(zhi)，以(yi)适应(ying)不同(tong)的(de)(de)(de)样(yang)品检测(ce)。这种结构设(she)计具有光通(tong)量高、噪(zao)声低、信噪(zao)比高、信号稳定等(deng)(deng)优点。
3. 分子基团的近红外吸收
近红外谱区主要体现基频2000cm-1以上的(de)(de)基团(tuan)信(xin)息，其中以含(han)氢基团(tuan)X-H（如C-H、O-H、N-H等）为主(zhu)，也有一些基团(tuan)的(de)(de)信(xin)息（如C=C、C=O等），但(dan)强度较弱，具体见分子基团(tuan)的(de)(de)近红外吸收图。
这(zhei)些基(ji)团(tuan)是(shi)有(you)机物的重要(yao)组成(cheng)元素，且不(bu)同的基(ji)团(tuan)或者同一基(ji)团(tuan)在不(bu)同的化学环境中的近红外吸收波长与强度(du)都有(you)明显(xian)差(cha)异。近红外光(guang)谱(pu)含有(you)非(fei)常丰富的结构和(he)组成(cheng)信息，非(fei)常适(shi)用于测试(shi)物质(zhi)的物化性质(zhi)。
4. 近(jin)红外的(de)定量检测范围
近(jin)(jin)红外的(de)吸收(shou)(shou)强度比中红外弱1-5个数(shu)量(liang)(liang)级(ji)，随着基频、合(he)频和倍频的(de)增加，吸收(shou)(shou)峰重(zhong)(zhong)叠的(de)越严重(zhong)(zhong)，吸收(shou)(shou)越来越弱。所以该技(ji)(ji)术(shu)主要用(yong)于常量(liang)(liang)分(fen)析，即被测组分(fen)的(de)含量(liang)(liang)一般应大(da)于样(yang)品重(zhong)(zhong)量(liang)(liang)的(de)0.1%。对于多组分(fen)的(de)复杂样(yang)品，其近(jin)(jin)红外光(guang)(guang)谱(pu)也不是(shi)各组分(fen)单独光(guang)(guang)谱(pu)的(de)简(jian)单叠加，因(yin)此需要“化(hua)学计量(liang)(liang)学”技(ji)(ji)术(shu)从复杂的(de)光(guang)(guang)谱(pu)中提取有效(xiao)信息。
典型应用有哪些
近红外(wai)光(guang)谱的应用包括品(pin)质控(kong)制和(he)质量(liang)保证过程，可用于测(ce)定化学和(he)物理(li)参数(shu)。例如油品(pin)的黏(nian)度、密度、闪点(dian)、浊(zhuo)点(dian)、研究法辛(xin)烷(wan)(wan)值（RON）、发动(dong)机辛(xin)烷(wan)(wan)值（MON）、水分(fen)、羟基值、总(zong)酸值（TAN）、总(zong)碱值（TBN）、芳(fang)香烃含量(liang)的分(fen)析；混酸中各组分(fen)的含量(liang)的测(ce)定；聚合物和(he)塑料(liao)的定性(xing)定量(liang)；药品(pin)中的辅料(liao)和(he)活性(xing)成分(fen)分(fen)析等等。
近红外光谱的
采集方式有哪些
当近(jin)红外(wai)光(guang)源(yuan)照(zhao)射(she)(she)物质后会发生吸(xi)收、透(tou)射(she)(she)、散射(she)(she)、全反(fan)射(she)(she)、漫(man)反(fan)射(she)(she)等几种形式(shi)的相互作用，如(ru)下(xia)图所(suo)示。
依据上述作用形(xing)式(shi)，近红外光谱的采(cai)集方式(shi)主(zhu)要有三种(zhong)：透射(she)式(shi)、漫反射(she)式(shi)和漫透射(she)式(shi)，其(qi)中以透射(she)式(shi)和漫反射(she)式(shi)较为常用。
漫(man)反射(she)(she)(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)是(shi)光(guang)(guang)(guang)源发出的光(guang)(guang)(guang)进入样(yang)品(pin)(pin)内部后(hou)(hou)，经过(guo)多(duo)次反射(she)(she)(she)(she)(she)、折射(she)(she)(she)(she)(she)、衍(yan)射(she)(she)(she)(she)(she)、吸(xi)收后(hou)(hou)返回表(biao)面的光(guang)(guang)(guang)，因此这种分析光(guang)(guang)(guang)也负(fu)载了(le)样(yang)品(pin)(pin)的结构和组成(cheng)信(xin)息，可以(yi)用(yong)于分析。对(dui)于浆状、粘稠以(yi)及含有悬浮物颗粒的液(ye)体，如牛奶、涂料和油漆(qi)等多(duo)采用(yong)漫(man)透(tou)(tou)射(she)(she)(she)(she)(she)或者漫(man)透(tou)(tou)反射(she)(she)(she)(she)(she)方式(shi)（在测样(yang)附(fu)件后(hou)(hou)放置一(yi)组反射(she)(she)(she)(she)(she)镜）进行(xing)测量(liang)，与(yu)透(tou)(tou)射(she)(she)(she)(she)(she)采集(ji)中的均(jun)匀透(tou)(tou)明液(ye)体样(yang)品(pin)(pin)相(xiang)比，除了(le)吸(xi)收外，还将对(dui)光(guang)(guang)(guang)产生散(san)射(she)(she)(she)(she)(she)作用(yong)，对(dui)这些(xie)样(yang)品(pin)(pin)进行(xing)透(tou)(tou)射(she)(she)(she)(she)(she)分析的方式(shi)称为(wei)漫(man)透(tou)(tou)射(she)(she)(she)(she)(she)采集(ji)。信(xin)号具体收集(ji)方式(shi)见(jian)下(xia)图(tu)。因此近红外光(guang)(guang)(guang)谱有相(xiang)当大(da)的选择弹性，可依(yi)不同样(yang)品(pin)(pin)的物性或者环(huan)境而改变。
近红外光谱技术是
如何做定性分析
定性(xing)分(fen)析(xi)是指(zhi)确认分(fen)析(xi)对象是什么，或者确认是或者不是某种物质。
定性分析(xi)步骤(zhou)：
1. 建(jian)立判(pan)别模型(xing)，即收(shou)集一定(ding)数(shu)量的样(yang)品(pin)、确定(ding)已知类(lei)别、扫描近(jin)红外光谱，通(tong)过一定(ding)数(shu)学算法将光谱或其压缩的变量（如主成(cheng)分）组成(cheng)一个多维的变量空间，同类(lei)物质(zhi)在该多维空间中相距较近(jin)，异类(lei)样(yang)本则相距较远，从而识(shi)别不(bu)同类(lei)群(qun)完成(cheng)建(jian)模。
2. 验(yan)证模型(xing)，即采(cai)用一定(ding)数量(liang)的不同类群样品(pin)，扫描(miao)近红(hong)外光谱，然(ran)后调用模型(xing)对这些样品(pin)进行(xing)预测，并和已知的类别归(gui)属进行(xing)比较和评估。
3. 模型通过验证(zheng)后，扫描未知样品(pin)的近红外光谱，考察其光谱是否位于某类(lei)物质所在的空间(jian)，判(pan)断其类(lei)别(bie)归属(shu)。
近红外光谱技术是
如何进行定量分析
定量分析的理论依据：
透射式采集方式如下图，吸光度的强度与样品中组分含量的关系可以由比尔定律决定，比尔定律是指一定波长的单色光垂直通过某一均匀非散射物质时，其吸光度A与光程d及浓度c成正比，比例常数为吸光度系数，其表达式为：A = -logItrans/I0 = -logT = εcd。
其(qi)中I0为(wei)照射(she)背景的(de)入射(she)光(guang)(guang)强(qiang)度；Itrans为(wei)透过液体后的(de)光(guang)(guang)束(shu)的(de)强(qiang)度；A为(wei)吸光(guang)(guang)度；ε为(wei)待测组(zu)分的(de)吸收系数(shu)；d为(wei)光(guang)(guang)程；c为(wei)待测组(zu)分浓度。
漫反射的采集方式如下图，漫(man)反(fan)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)是光(guang)(guang)(guang)源发出的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)进入样品(pin)内部后，经过(guo)多次的(de)(de)反(fan)射(she)(she)、折射(she)(she)、衍射(she)(she)、吸收后返回表面的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)，这种分(fen)析光(guang)(guang)(guang)负载(zai)了样品(pin)的(de)(de)结构和组(zu)(zu)成信息。但漫(man)反(fan)射(she)(she)的(de)(de)过(guo)程(cheng)中样品(pin)与光(guang)(guang)(guang)存在多种作用形式，除样品(pin)的(de)(de)组(zu)(zu)成外，其(qi)粒径大小、分(fen)布及形状(zhuang)等(deng)物(wu)理状(zhuang)态均对漫(man)反(fan)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)强(qiang)度产生一定的(de)(de)影响，因此漫(man)反(fan)射(she)(she)光(guang)(guang)(guang)的(de)(de)强(qiang)度与样品(pin)组(zu)(zu)分(fen)含量近似满(man)足比尔定律。
通过数学推导，研究了与样品含量成线性关系的漫反射光谱参数，表达式为：A = -logIscatt/I0= -log R = const•εc
其中：I0为照射背景的入射光强度；Iscatt为(wei)(wei)样品漫反射后的(de)光束强(qiang)度(du)；A 为(wei)(wei)吸(xi)光度(du)；const为(wei)(wei)散射系(xi)数(shu)，ε为(wei)(wei)待(dai)测(ce)组(zu)分的(de)吸(xi)收系(xi)数(shu)；c为(wei)(wei)待(dai)测(ce)组(zu)分的(de)浓度(du)。
光(guang)谱定(ding)量的(de)(de)(de)依据(ju)是(shi)比尔定(ding)律，该线(xian)性(xing)关系(xi)是(shi)以单色(se)光(guang)和稀溶(rong)液为假设前提的(de)(de)(de)，且不考虑吸光(guang)溶(rong)质分子(zi)与周围(wei)分子(zi)间(jian)的(de)(de)(de)作用(yong)。实际样品(pin)尤(you)其(qi)是(shi)复杂的(de)(de)(de)天然产物(wu)的(de)(de)(de)吸光(guang)度(du)和浓度(du)之间(jian)往往不是(shi)简单的(de)(de)(de)线(xian)性(xing)关系(xi)，通过传统的(de)(de)(de)单波(bo)长(zhang)校(xiao)正曲线(xian)的(de)(de)(de)方法已不能得(de)到(dao)满意的(de)(de)(de)结(jie)果，而通常需要选用(yong)整个波(bo)数范围(wei)结(jie)合化学计量学方法（如(ru)PLS）进行分析(xi)。
定量分析的步骤：
1. 建立(li)校正模(mo)型，即收集一定数(shu)量的建模(mo)样品，分(fen)别(bie)测定样品的近红外光谱(pu)和化学分(fen)析值，通过化学计量学方法建立(li)二(er)者之间的数(shu)学关系(xi)（称为模(mo)型）。
2. 模(mo)型校正，即采用一定(ding)数(shu)量的(de)同类(lei)样品（化学(xue)分(fen)析值(zhi)已(yi)知），扫(sao)描近红外光谱(pu)，然(ran)后(hou)调(diao)用模(mo)型对(dui)这些样品进(jin)行(xing)预测，并和已(yi)知的(de)化学(xue)分(fen)析值(zhi)进(jin)行(xing)比较，通(tong)过统(tong)计学(xue)的(de)方法对(dui)模(mo)型进(jin)行(xing)评估。
3. 模型(xing)通过(guo)验证(zheng)后(hou)就可用(yong)于未(wei)知样品的测定。
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