近紅外光譜技術(shù)正受到越來越多研究人員的青睞。作為這一技術(shù)的基礎(chǔ)和前提，近紅外光譜儀推動(dòng)著其快速發(fā)展。近年來，隨著近紅外光譜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，有的近紅外光譜儀已經(jīng)難以滿足研究與生產(chǎn)的需要，為此科研人員在現(xiàn)有光譜儀的基礎(chǔ)上進(jìn)行了很多研究，以提高其使用性能。對(duì)近紅外光譜技術(shù)的原理、發(fā)展背景、發(fā)展歷程及其應(yīng)用進(jìn)行了總結(jié)，并對(duì)近紅外光譜儀的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

近紅外光譜技術(shù)是目前世界上發(fā)展非常快速的分析技術(shù)，它具有無損、快速等優(yōu)點(diǎn)，其應(yīng)用非常廣泛，在化工、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)藥等領(lǐng)域發(fā)展極為迅速。近年來，越來越多的科學(xué)家對(duì)近紅外光譜儀做了深入的研究，研究的范圍也越來越廣。他們將化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件、光譜儀和應(yīng)用模型結(jié)合起來，極大地拓展了近紅外光譜儀的應(yīng)用領(lǐng)域。近紅外光譜儀目前在過程分析技術(shù)中發(fā)揮著極其重要的作用，發(fā)展非常迅速。

目前，商品化的近紅外光譜儀已經(jīng)非常成熟，而且型號(hào)多種多樣，例如光柵掃描型、傅立葉變換型、聲光可調(diào)濾光器(AOTF)型和陣列檢測(cè)器型等。但是目前人們更加傾向于研發(fā)響應(yīng)快速、輕巧、低成本和低能耗的分析儀器。

隨著微光機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)的快速發(fā)展，一些新型的紅外光譜儀逐步走向市場(chǎng)，如法布里-拍羅干涉儀、可編程光柵紅外光譜儀、編碼光度式紅外光譜儀和掃描光柵光譜儀等。近紅外光譜儀已經(jīng)發(fā)展了50多年，其設(shè)計(jì)、測(cè)量方法和性能都發(fā)生了巨大的變化，一些主要的技術(shù)指標(biāo)均有了很大提升，制作技術(shù)也日漸成熟。本文主要介紹國(guó)內(nèi)外商品化近紅外光譜儀的現(xiàn)狀及今后的發(fā)展趨勢(shì)。

近紅外光譜儀的原理

當(dāng)分子振動(dòng)從低能級(jí)向高能級(jí)躍遷時(shí)，便會(huì)吸收一定波長(zhǎng)的光，根據(jù)分子所吸收的特定波長(zhǎng)的光便可得出分子所含有的化學(xué)基團(tuán)。在近紅外光譜測(cè)量中，主要測(cè)量的是C-H、N-H、O-H基團(tuán)。因此，在近紅外光譜分析中，被測(cè)物質(zhì)的組成和結(jié)構(gòu)導(dǎo)致了Z終得到不同的光譜圖。

通過化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法計(jì)算出樣品的結(jié)構(gòu)和紅外光譜圖之間的函數(shù)關(guān)系，再經(jīng)過精確的校正，就可以根據(jù)測(cè)得的光譜圖，計(jì)算出樣品的結(jié)構(gòu)等各種信息。校正等方法有很多，但是目前應(yīng)用Z多、Z廣泛的是偏Z小二乘法(PLS)、主成分分析法(PCA)、多元線性回歸法(MLR)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(ANN)和拓?fù)浞?Topological)等。

近紅外光譜儀的組成

一個(gè)近紅外光譜分析儀主要由以下幾個(gè)部分組成：①光譜發(fā)生器：可以產(chǎn)生精確的光譜；②光源：一般為鎢燈；③光導(dǎo)纖維：傳導(dǎo)光線；④計(jì)算機(jī)軟件；⑤數(shù)字控制系統(tǒng)。另外，還需要添加一定的附件，比如前處理系統(tǒng)、自動(dòng)取樣系統(tǒng)、樣品接受系統(tǒng)、樣品回路系統(tǒng)、信息輸送系統(tǒng)等。

當(dāng)某一頻率的紅外光線聚焦照射在被分析的樣品時(shí)，如果樣品分子中某個(gè)基團(tuán)的振動(dòng)頻率與所照射的紅外線頻率相等就會(huì)產(chǎn)生共振，這個(gè)基團(tuán)就吸收一定頻率的紅外線，把分子吸收紅外線的情況用儀器記錄下來，便能得到反映試樣成分的特征光譜，從而推測(cè)化合物的類型和結(jié)構(gòu)。

紅外光譜儀的發(fā)展背景

英國(guó)天文學(xué)家William Herschel于1800年發(fā)現(xiàn)了近紅外光譜區(qū)，但diyi臺(tái)紅外光譜儀直到二十世紀(jì)30年代才被開發(fā)出來。在第二次世界大戰(zhàn)期間，科學(xué)家們利用紅外技術(shù)分析石油和橡膠的品質(zhì)，推動(dòng)了紅外分析技術(shù)的發(fā)展。但是在發(fā)展的初級(jí)階段，科學(xué)家們認(rèn)為近紅外光譜的數(shù)據(jù)可利用性很小，因此，極少有人關(guān)注近紅外光譜，近紅外光譜的發(fā)展進(jìn)入冰封階段。

直到二十世紀(jì)，當(dāng)人們利用近紅外光譜分析化合物時(shí)，得到了非常良好的結(jié)果，他們又對(duì)得到的光譜進(jìn)行了光譜解析，覺得近紅外光譜具有非常廣闊的發(fā)展前景。

進(jìn)入二十世紀(jì)以后，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展和檢測(cè)器技術(shù)的提高，近紅外技術(shù)獲得了極大發(fā)展，形成了其在發(fā)展史上質(zhì)的飛躍。特別是在發(fā)達(dá)國(guó)家，近紅外光譜技術(shù)已經(jīng)非常普及，一般實(shí)驗(yàn)室都會(huì)擁有紅外光譜儀，除此之外，為了滿足不同的測(cè)試需要，還配備了各種各樣的儀器配件和軟件。

與此同時(shí)，生產(chǎn)近紅外光譜儀的廠家也越來越多，他們的競(jìng)爭(zhēng)也變得非常激烈。隨著近紅外光譜儀應(yīng)用越來越廣泛，人們對(duì)近紅外光譜儀提出了新的要求，希望近紅外光譜儀向小型化、快速化和專用化發(fā)展。

此后，澳大利亞科學(xué)家研究出了一款小型、便攜式的紅外光譜儀，此款儀器可以攜帶至野外并用于巖石和礦物的分析。此儀器的重量?jī)H為2.5kg,光譜范圍可達(dá)1300～2500nm，光柵為掃描型，還可以外接電腦。

然而，如今的紅外光譜儀仍有很多的技術(shù)需要改進(jìn)，如近紅外光譜儀對(duì)于濕度的要求非常高，如果濕度過高，則會(huì)對(duì)光譜儀測(cè)定的準(zhǔn)確性產(chǎn)生影響，因此極需提高該儀器的相關(guān)技術(shù)以實(shí)現(xiàn)降低該儀器的保護(hù)條件；另外，為了提高吸收峰的穩(wěn)定性，需要提高紅外光譜以及發(fā)射光源光的穩(wěn)定性，以實(shí)現(xiàn)更加精確的定性分析。

近紅外光譜儀的發(fā)展歷程

在二十世紀(jì)50年代以前，近紅外光譜儀缺乏相關(guān)的儀器基礎(chǔ)，僅僅停留于理論階段，沒有得到實(shí)際應(yīng)用。到了50年代中后期，紅外光譜儀有了一定的發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)測(cè)定。

到了60年代，中紅外光譜技術(shù)得到了快速發(fā)展，而近紅外光譜技術(shù)停滯不前。直到80年代，人們才又重新關(guān)注近紅外光譜的發(fā)展。

80年代以后，隨著化學(xué)計(jì)量學(xué)的發(fā)展、分析儀器的數(shù)字化以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，近紅外光譜技術(shù)得到前所未有的發(fā)展。通過計(jì)算機(jī)技術(shù)和化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)，解決了背景干擾以及光譜信息提取的問題。

進(jìn)入90年代后，近紅外光譜技術(shù)成為發(fā)展Z快、Z引人注目的分析技術(shù)之一。由于近紅外光在常規(guī)光纖中良好的傳輸特性，使近紅外光譜在線分析領(lǐng)域得到很好應(yīng)用，并取得極好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

1995年以來，國(guó)內(nèi)許多科研院所和大專院校開始積極研究和開發(fā)適合國(guó)內(nèi)需要的近紅外光譜分析技術(shù)，并且做了大量技術(shù)知識(shí)的普及工作，為我國(guó)在這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，開創(chuàng)了嶄新的局面。

近紅外光譜儀的應(yīng)用

與傳統(tǒng)分析技術(shù)相比，近紅外光譜分析技術(shù)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，它能在幾分鐘內(nèi)，僅通過對(duì)被測(cè)樣品完成一次近紅外光譜的采集測(cè)量，即可完成其多項(xiàng)性能指標(biāo)的測(cè)定(Z多可達(dá)十余項(xiàng)指標(biāo))。光譜測(cè)量時(shí)不需要對(duì)分析樣品進(jìn)行前處理；分析過程中不消耗其他材料或破壞樣品；分析重現(xiàn)性好，成本低。

近年來，近紅外光譜分析在很多領(lǐng)域都取得了巨大進(jìn)展。在食品分析領(lǐng)域，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)的快速檢測(cè)方法要求越來越高：準(zhǔn)備簡(jiǎn)化，使用的試劑較少，配制好的試劑保存期長(zhǎng)；樣品前處理簡(jiǎn)單，對(duì)操作人員要求低；分析方法簡(jiǎn)單、準(zhǔn)確和快速。而近紅外光譜技術(shù)能夠符合這些要求，實(shí)現(xiàn)快速檢測(cè)。

目前，人們對(duì)紅外光譜儀測(cè)定食品中各種元素以及有毒有害物質(zhì)做了大量的研究，如：對(duì)于菜籽油品質(zhì)、液態(tài)奶中三聚氰胺、牛奶中的乳蛋白和乳脂肪、果蔬中農(nóng)藥殘留、臘肉中亞硝酸鹽、雞蛋的儲(chǔ)藏時(shí)間、牛肉中pH值、大豆油中脂肪酸、羊肉化學(xué)成分、臘肉中酸價(jià)和過氧化值、水果品質(zhì)、液態(tài)奶中蛋白質(zhì)和脂肪、魚丸中的水分和淀粉、植物油中脂肪酸、稻米中蛋白質(zhì)、玉米中淀粉含量、糧油品質(zhì)、蜂蜜質(zhì)量的測(cè)定等。

另外，近紅外光譜對(duì)于中藥成分的測(cè)定也有大量的研究，如對(duì)于中藥茯苓、紅參、枸杞、人參和西洋參、丹參中營(yíng)養(yǎng)成分的測(cè)定都取得了良好的效果；近紅外光譜不僅在食品和中藥領(lǐng)域取得了良好的應(yīng)用，而且在茶葉和酒類的測(cè)定中也取得了很大的進(jìn)展。

另外，近紅外光譜在重金屬離子的測(cè)定、紡織物的鑒別、糖料的在線監(jiān)控、鑒別地溝油、測(cè)定菌落總數(shù)、測(cè)定木質(zhì)纖維素、飼料的檢測(cè)、煙草的檢測(cè)、土壤參數(shù)的測(cè)定、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用、酒類品種的檢測(cè)、藥品質(zhì)量控制等領(lǐng)域也獲得了大量的研究。

近紅外光譜儀的發(fā)展方向與展望

從近年來近紅外光譜儀的發(fā)展?fàn)顩r可以看出，雖然儀器的高穩(wěn)定性和高信噪比等性能受到人們很大關(guān)注，但是許多生產(chǎn)廠家和研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)把更多的精力投入在方法和軟件等方面的研究上。新型近紅外光譜儀大都是基于MEMS技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的。這些產(chǎn)品從光通訊產(chǎn)品轉(zhuǎn)型而來，目前在一些技術(shù)指標(biāo)(如波長(zhǎng)準(zhǔn)確性和信噪比等)尚不如主流產(chǎn)品，但卻具有許多優(yōu)點(diǎn)，如重量輕、體積小、探測(cè)速度快、壽命長(zhǎng)、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，因而有著巨大的市場(chǎng)前景。可以相信，近紅外光譜儀的研究工作在未來幾年內(nèi)必將取得更大的進(jìn)展，其整體性能也會(huì)得到較大提升。