摘?要?近红外光谱是目前国际公认的最有应用价值的分析技术之一，它在国民经
济中日益发挥着越来越重要的作用。本文主要介绍近5年国内外近红外光谱分析技术的发展及应用现状，并对我国在这一技术方向的研发提出建议。关键词?近红外光谱 化学计量学 在线分析 快速分析 现场分析
Abstract Near infrared spectroscopy (NIR) has been recognized as one of the most valu-able application technologies, which is playing more and more important roles in national economy. In this paper, the research and application status of near infrared spectroscopy analytical technology in the past five years both home and abroad are introduced, and the NIR research and development suggestions for our country are proposed in detail. Key words Near infrared spectroscopy Chemometrics On-line analysis Rapid analysis On-site analysis
近红外光谱分析技术发展和应用现状
The research and application status of near infrared spectroscopy analytical technology
引?言?
从1800年英国科学家赫歇耳（W Herschel ）发现近红外光，到1881年英国天文学家阿布尼（W Abney ）和E R Festing 用Hilger 光谱仪拍摄下48个有机液体的近红外吸收光谱（700~1100nm ），发现近红外光谱区（NIR ）的吸收谱带均与含氢基团有关，到1968年美国农业部的工程师K Norris 博士将近红外光谱用于农产品的快速分析，到1974年瑞典化学家S Wold 和美国华盛顿大学的B R Kowalski 教授创建化学计量学学科（Chemometris ），唤醒现代近红外光谱技术这个沉睡的分析“巨人”，到上世纪80年代末光纤在光谱中的应用，推动在线近红外光谱技术的应用和发展，到本世纪之初微机电系统（MEMS ）技术使NIR 仪器越来越小型化，到近些年近红外光谱化学成像（NIR Chemical Imaging ）技术的兴起和应用，现代近红外光谱分析技术走过200余年的发展历程，近红外光谱从光谱中的垃圾箱（因其宽且重叠严重的谱带而无法通过传统方法进行分析应用），发展成为当前很多领域不可或缺的一种分析手段[1~7]。
在这200余年尤其是近20年的发展过程中，近红外
光谱仪器得到不断改进和完善，针对不同样品类型的测量附件也逐渐完备、化学计量学算法日趋普及，近红外光谱技术在工业（尤其是大型流程工业）应用中的优势逐渐被人们所认识，迅速被应用到实验室快速分析、现场分析以及在线分析中，为企业带来丰厚的效益。更为重要的是，在一些行业近红外光谱技术成为促进技术进步（例如生产工艺的改革）以及提高科学管理（例如保证产品质量）的重要手段之一，已成为现代优化操作和控制系统中的一个重要组成部分。
国内外已有较多文献对近红外光谱技术（包括仪器、光谱成像、化学计量学算法与软件、应用等）做详尽的综述[8~13]，本文主要介绍近5年国内外近红外光谱分析技术的发展及应用现状，并对我国在这一技术方向的研发提出建议。
1?国际NIR 技术和应用现状
1.1?技术现状
近红外光谱分析技术是由光谱仪、化学计量学软件和校正模型3部分构成的，在线分析系统往往还包括取样与预处理、数据通讯等部分。
褚小立1?袁洪福2Chu?Xiaoli 1?Yu?Hongfu 2
（1.石油化工科学研究院?北京?100083；2.北京化工大学?北京?100029）
(1.Research Institute of Petroleum Processing, Beijing, 100083; 2.Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100083)
性能稳定可靠的近红外光谱仪是该技术的基础和前提（见图1），这也是近红外光谱技术有别于其他分析技术的一个关键，因为建立近红外分析模型所用的样本为实际样本（如原油、小麦等），基础数据（参考值）则必需采用传统的分析方法测定得到，建立一个相对完善的分析模型往往需要几百甚至上千个有代表性的样本，这通常要花费大量的时间、人力和物力。因此，对光谱仪器的性能指标要求极为苛刻，如果不能保证仪器的长期稳定性和仪器之间的一致性，所建立的分析模型就不能长期和广泛应用，
成为限制该技术应用推广的瓶颈。
图1?近红外光谱技术“金字塔”
从上世纪80年代中后期，近红外光谱技术的研究和应用日趋活跃，各仪器厂家也开始批量生产各种不同分光方式（如傅立叶变换型、光栅扫描型、阵列检测器型、AOTF型等）及不同用途的NIR仪器（如通用型仪器、专用/便携仪器和在线过程分析仪器等）。迄今，近红外光谱仪器的发展已走过50多年的历程，国内外有30余个厂家在生产不同用途的近红外光谱仪，仪器的设计方式、性能和测量方法也都发生很大的变化。光谱仪的主要技术指标（如信噪比、稳定性、仪器间一致性）得到很大的提高并趋稳定，理论框架和制造技术也已趋成熟。这些技术指标保证分析模型的通用性，光谱或分析结果不需要任何的数学处理便可在不同仪器间得到一致的结果，避免每台仪器重复建模等繁琐工作，部分实现分析模型的硬拷贝（即实现Model Transport，而非Model Transfer）。
与此同时，近些年的仪器设计正在采用一些最新的光学原理和加工技术（如MEMS），使仪器更趋小型化和专用化。尽管这类仪器在一些技术指标上（如波长准确性和信噪比等）尚不如市场上的主流产品，但却具有体积小、重量轻、可集成化、可批量制造以及成本低廉等优点，存在着较强的生命力和巨大的潜在应用市场。
化学计量学方法是近红外光谱分析技术必不可少的组成部分，用于光谱信号的处理、定量（多元校正）和定性（模式识别）分析模型的建立。目前，几乎所有知名近红外光谱供应商大都开发专用的化学计量学光谱分析软件，
如FOSS公司的WinISI软件、Thermo公司的TQ Analyst 软件、Bruker的OPUS软件和Buchi公司的NIRCal软件等。此外，还出现一些通用的化学计量学计算软件，如Camo公司的Unscrambler软件、Eigenvector Research公司的PLS_Toolbox软件、PRS公司的Sirius软件等。这些软件采用的核心算法和功能大同小异，但每套软件都有各自的特点，以满足不同用户群的需求。
近些年，为建立预测准确性好和稳健性强的近红外分析模型，近些年出现一些新算法和模型建立策略，如基于核函数的非线性校正方法、集成（或共识）的建模策略、多维分辨与校正方法、基于局部样本的建模策略等。这些新兴化学计量学方法的研究和应用，促进近红外光谱技术的发展，在具体应用过程中需要对这些方法不断进行改进，使其更适合近红外光谱分析的特点，同时也对其他分析手段起到借鉴的作用，最终有些被实践证明行之有效的算法和策略将会逐渐成为商品化数据处理软件中的常用方法。
除仪器硬件和化学计量学软件，国外各大公司都在某些领域（如农业、食品和石化等）积极建立适应范围相对较宽的分析模型，以减少用户建模和模型维护的工作量。
1.2?实际应用情况
国外近红外光谱技术在大型流程工业的应用日趋成熟和广泛，但由于涉及企业经济利益（如化工、石化、制药和食品等领域）及商业秘密等原因，很多实际应用都未见正式报道。例如在石化行业，据统计全球仅汽油调合装置就有几百套安装在线近红外光谱仪，其它主要炼油装置如催化重整和催化裂化也都以在线近红外光谱分析技术为基础实现优化控制操作。在农产品的现场收购环节，在线、便携式和台式近红外光谱被广泛用于按质论价的分析手段，例如，仅在日本就有550家果品等级分拣企业安装2000多台在线近红外分析仪（见图2），其作用可见一斑。在制药领域，近红外光谱分析技术正在由可选方法（Alternative method）向一次方法（Primary method）做跨越式转变。近红外技术的应用为上述行业带来丰厚的经济
效益，已成为提高企业科学管理必不可少的一种手段。
图2?基于近红外光谱等技术的水果筛选装置
为解决模型维护问题，美国、法国、德国、丹麦、瑞士、加拿大和澳大利亚等官方机构已经组织建立粮食、甘蔗和果品分析的近红外网络，这些网络经国家相关管理部门（网络管理中心）牵头，由研究机构（建模中心）、行业检验机构（标准化学实验室）、仪器厂家和用户组成。最早的近红外网络是1991年丹麦建立的，含有40台仪器，目前最大的是法国的Agroreso近红外网络，包含1000多台仪器。实践证明，网络化技术是将近红外优势在实际应用中发挥到最大的一个重要途径。例如，法国、德国和丹麦等国家的近红外网络已覆盖几乎所有的粮食收购点，较好地解决收购现场粮食快速检测问题，真正实现谷物的优质优价及按质分类储存。此外，国外还颁布几十项标准方法，包括ASTM（美国材料试验协会标准）、ISO（国际标准化组织）、AACC（美国谷物化学家协会标准）；AOAC （美国官方分析化学家协会）、ICC（国际谷物协会标准）、AOCS（美国油类化学家学会）和药典（USP、PASG、CPMP&CVMP、RIVM等），这些标准方法对保障近红外应用的规范化起到重要作用。
近些年，国际近红外光谱技术的应用热点集中在替代能源领域（如燃料乙醇和生物柴油等）、精细化工（如农药合成以及高聚物合成等）、制药等领域的原料品质检测、生产过程控制分析、以及产品质量的快速分析等。此外，近红外光谱成像技术作为传统近红外光谱分析技术的一种补充，也越来越多地被用于制药和化工等领域。
2?我国NIR技术的研发和应用情况
2.1?研发现状
从上世纪80年代中期起，我国相关仪器公司在近红外光谱仪的研发方面做过大量的工作，曾研制出滤光片型、傅立叶变换型、光栅扫描型和阵列检测型仪器，并在农业和石化等领域得到不同程度的应用。但与国外同类先进产品相比，国产近红外光谱仪的性能指标（信噪比、波长准确性和重复性、光谱一致性等）尚存在一定差距，测量附件也不完备，亟待提高。在线近红外光谱分析技术则属于一项系统工程，涉及采样和预处理、光谱测量、模型建立策略与实施、以及数据通讯等多项不同专业的工作，迄今国内尚未有致力于这一应用方向的专业化公司。
在化学计量学方法研究和软件开发方面，我国处于国际先进水平。石油化工科学研究院、中国农业大学、清华大学等科研院以及一些仪器公司都研发出适用于近红外光谱分析的化学计量学软件[15~17]。这些软件在主要功能上与国际流行软件没有显著性的差异，而且在界面语言、风格以及操作习惯上更适合我国的实际情况，这些软件已经在实际科研生产中得到一定应用。2.2?应用情况
在近红外光谱技术的应用研究方面，我国已几乎涉及所有可能的领域，但大多数工作只限于初步的尝试性研究，离实际的应用要求尚有一定距离，需要在建模样品数量、种类、影响因素、稳健性和规范化操作（如模型建立和光谱采集）等方面做系统的开发工作。
在我国，尽管在一些领域（例如炼油装置的在线分析、流通领域药品的真伪鉴别、烟草品质的快速分析等），近红外光谱技术正在发挥着重要的作用。例如，我国炼油企业已有近百套在线近红外光谱分析仪，一些饲料企业如正大集团也采用几十台在线近红外分析仪，我国的地方药监部门也配备几百台以近红外光谱仪为核心技术的药品检测车。但客观地讲，大多数的应用离其应发挥的作用尚有距离。这与我国的现实情况有直接的关系，以炼油行业为例，国外一个炼厂的原油储量与其年加工量相当，这意味着该炼厂一年的原油原料可以保持不变，汽油和柴油等产品性质的变化仅由加工装置较小的操作参数改变引起的，因此，在较长的时期内不必担心分析模型的适用性，模型几乎不需要扩充维护，可以长期稳定使用。而在我国，尤其是多数的沿海炼厂，原油的储量仅为半个月或更短的加工量，且原油种类变换频繁，使汽油和柴油等产品的组成波动较大，分析模型也必须随之进行频繁的扩充更新，这在很大程度上限制近红外光谱技术优势的发挥。可以相信，随着我国企业管理水平的不断提高，例如通过原油调合技术保证原油进料的相对稳定，可使后续炼油产品品质在较小的范围内波动，这时近红外光谱技术就会发挥其本应有的作用。值得高兴的是，我国一些大型炼厂正在开展这样的工作。
近些年，我国也颁布多项近红外光谱分析方法的标准，例如国家标准（GB/T 12008.3、GB/T18868、GB/T24895、GB/T24871）、行业标准（NY/T 1423、NY/T 1841）、地方标准（DB12/T 347-2007）和企业标准（如红河烟草集团的QB/HY0001-2008）等。其中，近红外光谱测定聚合物羟值的方法被越来越多的化工企业采用，不仅节省分析时间和成本，还使分析数据的重复性更好，便于生产过程的监控。另外，我国有些机构和企业建立近红外应用网络[18]，为该技术的大面积推广应用积累一定的经验。
3?结束语
近红外光谱是目前国际公认的最有应用价值的分析技术之一，在我国也不例外，其应用推广前景极其诱人。从技术发展来看，我国当务之急要关注：（1）研发高性能的近红外光谱仪器，除先进的分光系统外还包括专用测量附件，例如用于固体测量的积分球等，并需不断提升仪器的
性能指标和附件的可用性。从仪器的分光原理来看，傅立叶型的近红外光谱仪具有较为明显的优势，尤其是高分辨率的优势使仪器波长的准确性和重复性极高，这是保证仪器长期稳定性和仪器之间一致性的基本条件。（2）对于在线近红外光谱产品，需要组建专业化的公司，针对不同的应用对象，研发高性能的取样与预处理系统，并与光谱仪和化学计量学软件的集成，形成完整成套的分析系统。（3）根据特定的应用对象，开发坚固耐用的专用分析仪也是一个重要的研发方向，由于需要建立专用成熟完备的分析模型，仪器厂商需要与行业科研院所或企业共同协作完成，短时间内我国极有可能在这一领域有所突破。（4）近红外分析技术的健康发展离不开制定一系列标准，包括仪器、建模和应用等。（5）建议在不同应用领域中有条件的单位建立建模中心，走专业化建模路线，通过与物联网结合，实现用户对模型的共享。从应用发展来看，在典型流程工业如石化、电力等中，在线近红外分析技术与生产控制与优化结合，将产生巨大的经济效益；在食品药品领域，从生产到流通全过程应用近红外分析技术对品质快速检测与监控，对保障我国食品药品安全将具有重要的现实意义。
参考文献
1 W. Fred McClure. 204 years of near infrared technology: 1800–2003. Journal of near infrared spectroscopy,2003,11(6):487~518
2 K A. Bakeev. Process analytical technology: spectroscopic tools and implementation strategies for the chemical and pharmaceutical industries. Blackwell Publishing,Oxford UK,2005
3 陆婉珍主编. 现代近红外光谱分析技术(第二版),北京: 中国石化出版社, 2006
4 严衍禄. 近红外光谱分析基础与应用, 北京:中国轻工业出版
社,2005
5 陆婉珍,袁洪福,褚小立,王艳斌编. 当代中国近红外光谱技术, 北京:中国石化出版社, 2006
6 陆婉珍,袁洪福,褚小立. 近红外光谱仪器, 北京:化学工业出版社, 2010
7 褚小立编著. 化学计量学方法与分子光谱分析技术, 北京:化学工业出版社, 2011
8 褚小立,袁洪福,陆婉珍. 近年来我国近红外光谱分析技术的研究与应用进展, 分析仪器,2006,(2):1~10
9 褚小立,王艳斌,陆婉珍. 近红外光谱仪国内外现状与展望, 分析仪器,2007,(4):1~5
10 褚小立,陆婉珍. 近红外光谱仪器新进展,分析仪器, 2008, (1):3~7
11 褚小立,许育鹏,陆婉珍. 用于近红外光谱分析的化学计量学方法研究与应用进展, 分析化学,2008,36(5):702~709
12 褚小立,袁洪福,陆婉珍. 近红外分析中光谱预处理及波长选择方法进展与应用, 化学进展,2004,16(4):528~542
13 褚小立,陆婉珍. 近红外化学成像的原理、仪器及应用, 分析仪器,2008,(4):1~5
14 F Aiouache, M Nic An tSaoira, K Kitagawa. Screening wall effects of a thin ?uidized bed by near-infrared imaging. Chemical Engineering Journal, 167(1):288~296
15 祝诗平,王一鸣,张小超. 农产品近红外光谱品质检测软件系统的设计与实现,农业工程学报,2003,19(4):175~179
16 李军会,赵龙莲,张录达,严衍禄. 农业近红外分析技术软件及网络系统的研制,现代仪器,2000,(6):11~13
17 褚小立,王艳斌,许育鹏,陆婉珍. RIPP化学计量学光谱分析软件3.0的开发, 现代科学仪器,2009,(4):6~10
18 朱大洲,黄文江,马智宏等. 近红外网络的构建及其在谷物品质监测中的应用, 全国第三届近红外光谱学术会议论文集,2010
（下接第18页）
37 Barbin D., Elmasry G, Sun D.W, Allen P. Near-infrared hyperspectral imaging for grading and classi fi cation of pork. Meat Science, 2011, In Press.
38 Kamruzzaman M, ElMasry G, Sun D. W., Allen P. Application of NIR hyperspectral imaging for discrimination of lamb muscles. Journal of Food Engineering, 2011, 104: 332~340
39 郭重华,丁云生,何悦等.近红外显微图像主成分法图像处理, 现代仪器, 2009,15(5): 38~40
40 Tran C. D., Cui Y, Smirnov S. Simultaneous multispectral imaging in the visible and Near-Infrared region: Applications in document authentication and determination of chemical inhomogeneity of copolymers. Analytical Chemistry, 1998, 70: 4701~4708
41 Fischer M, Tran C. D. Evidence for kinetic inhomogeneity in the curing of epoxy using the near-infrared multispectral imaging technique. Analytical Chemistry, 1999, 71: 953~959
42 Tran C. D., Politi M. Visualizing chemical compositions and
kinetics of Sol-Gel by Near-Infrared multispectral imaging technique. Analytical Chemistry, 2002, 74, 1604~1610
43 高国龙. 用近红外成像技术检测硅晶片中的裂纹, Infrared, 2006, 27(3): 46
44 Csefalvayova L, Strlic M, Karjalainen H. Quantitative NIR chemical imaging in heritage science. Analytical Chemistry. 2011, 83: 5101~5106
45 Goltz D., Attas M., Young G., Cloutis E, Bedynski M. Assessing stains on historical documents using hyperspectral imaging. Journal of Cultural Heritage, 2010, 11: 19~26
46 Kim S. J., Deng F, Brown M. S. Visual enhancement of old documents with hyperspectral imaging. Pattern Recognition, 2011, 44: 1461~1469
47 王冬,马智宏,赵柳等. 显微近红外图像用于分辨2种塑料材料的成像方法研究, 计算机与应用化学, 2010, 27(12): 1665~1668
近红外光谱分析及其应用简介 1、近红外光谱分析及其在国际、国内分析领域的定位 近红外光谱分析是将近红外谱区（800-2500nm）的光谱测量技术、化学计量学技术、计算机技术与基础测试技术交叉结合的现代分析技术，主要用于复杂样品的直接快速分析。近红外分析复杂样品时，通常首先需要将样品的近红外光谱与样品的结构、组成或性质等测量参数（用标准或认可的参比方法测得的），采用化学计量学技术加以关联，建立待测量的校正模型；然后通过对未知样品光谱的测定并应用已经建立的校正模型，来快速预测样品待测量。 近红外光谱分析技术自上世纪60年代开始首先在农业领域应用，随着化学计量学与计算机技术的发展，80年代以来逐步受到光谱分析学家的重视，该项技术逐渐成熟，90年代国际匹茨堡会议与我国的BCEIA等重要分析专业会议均先后把近红外光谱分析与紫外、红外光谱分析等技术并列，作为一种独立的分析方法；2000年PITTCON 会议上近红外光谱方法是所有光谱法中最受重视的一类方法，这种分析方法已经成为ICC（International Association for Cereal Science and Technology国际谷物科技协会）、AOAC(American Association of Official Analytical Chemists美国公职化学家协会)、AACC （American Association of Cereal Chemists美国谷物化学家协会）等行业协会的标准；各发达国家药典如USP(United States Pharmacopoeia美国药典)均收入了近红外光谱方法；我国2005年版的药典也将该方法收入。在应用方面近红外光谱分析技术已扩展到石油化工、医药、生物化学、烟草、纺织品等领域。发达国家已经将近红外方法做为质量控制、品质分析和在线分析等快速、无损分析的主要手段。 我国对近红外光谱技术的研究及应用起步较晚，上世纪70年代开始，进行了近红外光谱分析的基础与应用研究，到了90年代，石化、农业、烟草等领域开始大量应用近红外光谱分析技术，但主要是依靠国外大型分析仪器生产商的进口仪器。目前国内能够提供完整近红外光
红外光谱分析概述（上） 1．红外光谱 红外光谱是反映红外辐射强度或其他与之相关性质随波长（波数）变化的谱图。目前，它是一种被广泛应用于研究表征物质的化学组成，在分子层次上的结构及分子间相互作用的有力手段。红外射线发现于1800年，在用普通温度计测量可见光谱的温度效应时，在红光一端的外侧观察到有较强的热效应。后来，实验证实了这是由一种肉眼看不见、波长比红光更长的电磁辐射所造成的，这种电磁辐射被称为红外光。通常将红外辐射的波长范围定为0.8～1000微米，并可粗略地分为三个波段：（1）近红外的波段为0.8～2.5微米，波数为12500～4000厘米-1；（2）中红外的波段为2.5～25微米，波数为4000～400厘米-1；（3）远红外的波段为25～1000微米，波数为400～10厘米，目前，实验上已能测定到2500微米，波数为4厘米-1。相应地有近红外光谱、中红外光谱和远红外光谱。 红外光谱的形式虽然多种多样，从本质上可分为发射光谱和吸收光谱两大类。物体的红外发射光谱是指样品在通过受激或自发辐射的条件下，所发射的红外光的强度随波长(波数)变化的光谱图，红外发射光谱主要决定于物体的温度和化学组成。吸收光谱是指样品对红外辐射的吸收能力随波长(波数)变化的光谱图，在实验上，使红外光与样品发生相互作用，测定红外光与物质相互作用前后光强的变化与波长(波数)之间的关系, 称红外吸收光谱。 2．分子的振动和转动光谱 对于分子体系而言，其振动和转动是量子化的，其能级差所对应的光子的波长落在红外光范围，因此是红外光谱(拉曼光谱)的主要研究对象。研究指出，红外光谱的研究范围不仅仅局限于分子的振动、转动跃迁，某些特殊体系的电子能级跃迁亦可能落在红外光谱波段范围内，例如，超大规模共轭体系的电子跃迁、某些稀土离子的f-f能级跃迁等等。不过目前绝大多数的红外光谱研究工作仍集中于分子的振动能级跃迁上，以最简单的双原子为例，其振动吸收Eν可近似地表示为： 式中h为普朗克常数；ν为振动量子数（取正整数）；n0为简谐振动频率。当ν=0时，分子的能量最低，称为基态。处于基态的分子受到频率为n0的红外射线照射时，分子吸收了能量为n0的光量子，跃迁到第一激发态，得到频率为n0的红外吸收带, 它称为分子振动的基频。反之，处于该激发态的分子也可发射频率为n0的红外射线而恢复到基态。n0的数值决定于分子的约化质量μ和力常数κ： κ决定于原子的核间距离、原子的特性和化学键及键级等。 在多原子分子体系中，各原子在平衡位置附近作相对运动。这些振动方式可以被分解为各种简正振动的线性组合，所谓简正振动就是指分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简揩振动。含N个原子的非线分子有3N-6个简正振动方式；线性分子有3N－5种简正振动方式。 对于分子的转动而言，往往可以假定分子为刚性转子，则其转动能量Er为： 红外光谱分析概述（中）
红外光谱分析仪基础知识 前言 (2) 第一章红外光谱法及相关仪器 (4) 一. 红外光谱概述 (4) 1. 红外光区的划分 (4) 2. 红外光谱法的特点 (5) 3. 产生红外吸收的条件 (5) 二. 红外光谱仪 (6) 1. 红外光谱仪的主要部件 (6) 2. 红外光谱仪的分类 (9) 3. 红外光谱仪各项指标的含义 (12) 三．红外光谱仪的应用 (15) 四．红外试样制备 (16) 四．红外光谱仪的新进展 (17)
前言 分析仪器常使用的分析方法是光谱分析法，光谱分析法可分为吸收光谱分析法和发射光谱分析法，而吸收光谱分析法又是目前应用最广泛的一种光谱分析方法：它包括有核磁共振，X射线吸收光谱，紫外-可见吸收光谱，红外光谱，微波谱，原子吸收光谱等。但最常用的则是原子吸收光谱、紫外-可见吸收光谱和红外光谱，这些方法的最基本原理是物质（这里说物质都是指物质中的分子或原子，下同）对电磁辐射的吸收。还有拉曼光谱和荧光光谱，也是比较常用的手段，它们的原理是基于物质发射或散射电磁辐射。其实物质与电磁辐射的作用还有偏振、干涉、衍射等，由此发展而成的是另外一系列的仪器，如椭偏仪、测糖仪、偏光显微镜、X射线衍射仪等等，这些仪器都不是基于光谱分析法，不是我们介绍的重点。 吸收光谱可分为原子吸收光谱和分子吸收光谱。当电磁辐射与物质相互作用时，就会发生反射、散射、透射和吸收电磁辐射的现象，物质所以能够吸收光是由物质本身的能级状态所决定的。例如原子吸收可见光和紫外光，可以使核外电子由基态跃迁到激发态，相应于不同能级之间的跃迁都需吸收一定波长的光。因此，如有一波长连续的光照射单原子元素的蒸气（如汞蒸气、钠蒸气等），将会产生一系列的吸收谱线。由于在一般情况下原子都处于基态，通常只有能量相当于从基态跃迁到激发态的所谓主系谱线出现在原子的吸收光谱中。 而分于吸收光谱则比较复杂。它们不是分立的谱线而是许多吸收带。因为每一个分子的能量包括三部分，即分子的电子能量、振动能量和转动能量。每一种能量都是量子化的。当电子有一种能级跃迁到另一能级时，可能同时还伴有振动能级和转动能级的跃迁。应此分子吸收光谱是一系列的吸收带。通常引起原子或分子中外层价电子的跃迁需要1.5-8.0ev的能量，其相应的辐射波长在 150nm-800nm之间，这是紫外－可见吸收光谱的波长范围。引起振动跃迁或振动－转动跃迁的能量是0.05-1.2ev，相应的辐射波长在1.0-25μm之间，这是红外光谱的范围。
Antaris II傅立叶变换近红外分析仪 Antaris II是ThermoFisher分子光谱部（Nicolet）推出的最新一代专业傅立叶变换近红外光谱系统，该仪器为制药、高分子、化工化学、烟草、农业食品等领域的样品分析提供了全新、可靠、快速方便的分析工具。 1．新的设计理念和标准 y结构化的模块设计，即一台仪器上可同时集成积分球漫反射、透射、光纤探头、漫透射检测模块，各检测模块采用各自独立的高灵敏度InGaAs检测器； y建立在高可靠性和稳固性基础上的高性能 y强调高重现性，包括系统自身重现性和系统间重现性（模型数据资源共享） y高适应能力，可用于实验室，也可用于工厂车间，灵活的发挥NIR技术的优势 2．优越性 y建立在Nicolet成熟和先进的傅立叶红外制造工艺和严格的认证标准基础上 y采用Nicolet专利的电磁式动态准直干涉仪技术 y精密对针定位的光学部件封装技术，免调整的永久准直 y波长准确性、重现性、系统间重现性等方面具备目前最高性能指标 y Antaris是第一个采用结构化模块设计技术的近红外仪器， Antaris II还具备同时检测药片/凝胶等样品的透射光谱和漫反射光谱的能力 y所有检测模块，包括光纤探头均能自动采集背景 y在仪器维护方面为用户考虑得更为周全，其光源只需用户自己从外部更换，且更换
后无需任何光路调整 y全新工业标准的RESULT操作系统软 件，其管理模式、拓展能力、操作方 便性、规范性均非常规实验室软件能 比 y独立的光谱化学计量学软件TQ Analyst，将复杂的数据处理和分析程 序化，将强大灵活的数据处理技术融 于直观友好的图形化界面和随处可见 的自动优化及帮助信息中 y Antaris II采用的是开放式的数据格 式，能够将各家公司的光谱数据直接 转移到其软件中 3．硬件技术 ①.干涉仪： y采用尼高力最先进的高光通量自动调整和高速动态准直(每秒13万次)技术的DSP 电磁式干涉仪，具有超高检测稳定性、可靠性和精度，是目前作为傅立叶近红外仪 器心脏部件最先进的技术； y采用CaF2分束器，在近红外光谱图的一、二、三倍倍频和合频区域(光谱范围12000-3800cm-1或833-2631nm)具有更高的能量分布。 ②.光学台： y所有光学镜面采用专利的STONEHENCE合金模块化镜面设计，光学镜面在整体合金座上用金刚石精密抛光形成，光路传输效率更高； y所有光学器件精密对针定位，完全不需要任何光路调整，具有极高的重复性、热稳定性和可靠性； y严格的系统间元器件公差限制和工艺精 度要求，是卓越模型转移精度的保证。 ③.检测器：所有采样模块均有自己独立的高 灵敏度InGaAs检测器。 ④.电子控制技术： y仪器与电脑间高速USB接口，更方便可 靠； y可通过OPC或PLC技术与实验室信息管 理系统如LIMS或工业控制系统如DCS 进行数据交换。
仪器分析实验有机化合物的红外光谱分析 2015年4月21日 有机化合物的红外光谱分析 开课实验室：环境资源楼312 【实验目的】 1、初步掌握两种基本样品制备技术及傅里叶变换光谱仪器的简单操作； 2、通过谱图解析及网上标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的一般过程； 3、掌握有机化合物红外光谱测定的制样方法，回顾基础有机化学光谱的相关知识。 【基本原理】 ? 原理概述：物质分子中的各种不同基团，在有选择地吸收不同频率的红外辐射后，发生振动能级之间的跃迁，形成各自独特的红外吸收光谱。据此，可对物质进行定性和定量分析。特别是对化合物结构的鉴定，应用更为广泛。 ? 红外吸收法： 类型：吸收光谱法； 原理：电子的跃迁：电子由于受到光、热、电等的激发，从一个能级转移到另一个能级的现象。这是因为分 子中的电子总是处在某一种运动状态中，每一种状态都具有一定的能量，属于一定的能级。当这些电子有选择地吸收了不同频率的红外辐射的能量，发生振动能级之间的跃迁，形成各自独特的红外吸收光谱。据此，可对化合物进行定性和定量分析； 条件：分子具有偶极矩。 【仪器与试剂】 1、仪器： 傅里叶变换红外光谱仪（德国Bruker公司，TENSOR 27型; 美国Thermo Fisher 公司， Nicolet 6700型）；压片机； 玛瑙研钵； 红外灯。 2、试剂：NaCl窗片、KBr晶体，待分析试样液体及固体。 【实验步骤】 1、样品制备 （1）固体样品：KBr压片法 在玛瑙研钵将KBr晶体充分研磨后加入其量5%左右的待测固体样品，混合研磨直至均匀。在一个具有抛光面的金属模具上放一个圆形纸环，用刮勺将研磨好的
近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（M IR）之间的电磁波，按ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在780～2526nm范围内的电磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。 近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，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，具有较强的穿透能力。近红外光主要是对含氢基团Ｘ－Ｈ（Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ）振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。由于不同的有机物含有不同的基团，不同的基团有不同的能级，不同的基团和同一基团在不同物理化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效的载体。近红外光照射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的红外光就不会被吸收。因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量。
近红外光谱分析技术包括定性分析和定量分析，定性分析的目的是确定物质的组成与结构，而定量分析则是为了确定物质中某些组分的含量或是物质的品质属性的值。与常用的化学分析方法不同，近红外光谱分析法是一种间接分析技术，是用统计的方法在样品待测属性值与近红外光谱数据之间建立一个关联模型(或称校正模型，Calibration Mode l)。因此在对未知样品进行分析之前需要搜集一批用于建立关联模型的训练样品(或称校正样品，Calibration Samples)，获得用近红外光谱仪器测得的样品光谱数据和用化学分析方法(或称参考方法，Reference method)测得的真实数据。 其工作原理是，如果样品的组成相同，则其光谱也相同，反之亦然。如果我们建立了光谱与待测参数之间的对应关系（称为分析模型），那么，只要测得样品的光谱，通过光谱和上述对应关系，就能很快得到所需要的质量参数数据。分析方法包括校正和预测两个过程： （1）在校正过程中，收集一定量有代表性的样品（一般需要80个样品以上），在测量其光谱图的同时，根据需要使用有关标准分析方法进行测量，得到样品的各种质量参数，称之为参考数据。通过化学计量学对光谱进行处理，并将其与参考数据关联，这样在光谱图和其参考数据之间建立起一一对应映射关系，通常称之为模型。虽然建立模型所使
近红外光谱技术在药物分析中的应用 1·前言 近红外光谱分析技术是分析化学领域迅猛发展的高新分析技术，越来越引起国内外分析专家的注目，在分析化学领域被誉为分析“巨人”，它的出现可以说带来了又一次分析技术的革命。 近红外（NIR）谱区是人类认识最早的非可见光谱区，波长范围在0.75—2.5 m之间，用波数表示时则在13330—4000cm-1之间。由于近红外的吸收谱带复杂，谱峰重叠，信号弱，在分析上难以应用，长期以来没有受到人们的重视。近十多年来，随着近红外仪器的改良，新的光谱理论和光度分析方法的建立，特别是计算机技术和化学计量学的广泛应用和迅速发展，使近红外光谱技术成为目前发展最快、最引人注目的分析技术，并以其简单快速、实时在线、无损伤无污染分析等特点，在复杂物质的分析上得到广泛应用。在包括制糖和制药的许多与化学分析和品质管理有关的行业中的应用前景极其广阔。 关于近红外光谱技术在制药行业中应用的文献报道越来越多，显示了近红外光谱技术在制药领域中越来越受到人们的重视。近红外光谱分析具有的快速实时、操作简单、无损伤测定、不受样品状态影响的特点很符合药物分析的要求。因此，在制药业中原料药的分析、药物制剂中水分、有效成分的分析、药物生产品质的过程控制等方面近红外光谱技术得到了十分广泛的应用。 2·光谱介绍 近红外光是介于可见光和中红外光之间的电磁波，根据ASTM（美国试验和材料检测协会）定义是指波长在780～2526nm范围内的电
磁波，习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。 近红外光谱属于分子振动光谱的倍频和主频吸收光谱，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，具有较强的穿透能力。近红外光主要是对含氢基团X－H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收，其中包含了大多数类型有机化合物的组成和分子结构的信息。由于不同的有机物含有不同的基团，不同的基团有不同的能级，不同的基团和同一基团在不同物理化学环境中对近红外光的吸收波长都有明显差别，且吸收系数小，发热少，因此近红外光谱可作为获取信息的一种有效的载体。近红外光照射时，频率相同的光线和基团将发生共振现象，光的能量通过分子偶极矩的变化传递给分子；而近红外光的频率和样品的振动频率不相同，该频率的红外光就不会被吸收。因此，选用连续改变频率的近红外光照射某样品时，由于试样对不同频率近红外光的选择性吸收，通过试样后的近红外光线在某些波长范围内会变弱，透射出来的红外光线就携带有机物组分和结构的信息。通过检测器分析透射或反射光线的光密度，就可以确定该组分的含量。 3·近红外光谱技术在制药业中的应用 3·1 原料和活性组分的测定 药物加工过程中第一步就是原料的鉴定，其质量的好坏直接决定后续加工过程的成败于否，而同一类型的原料中多变因素主要是湿度和颗粒大小，近红外光谱在湿度测定中的灵敏度及其适于固体表面的表征的特性，使他能够很快地得到样品的湿度和颗粒大小的信息，然
【导语】近几年，随着化学计量学、光纤和计算机技术的发展，在线近红外光谱分析技术正以惊人的速度应用于包括农牧、食品、化工、石化、制药、烟草等在内的许多领域，为科研、教学以及生产过程控制提供了一个十分广阔的使用空间。那么今天我们一起走入下文了解一下关于近红外光谱仪。 【近红外光谱仪注意事项】 由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性，且其近红外光谱仪较简单、分析速度快、非破坏性和样品制备量小、几乎适合各类样品（液体、粘稠体、涂层、粉末和固体）分析、多组分多通道同时测定等特点，近红外光谱仪成为在线分析仪表中的一枝奇葩。近红外光谱仪的一个重要特点就是技术本身的成套性，即必须同时具备三个条件： （1）各项性能长期稳定的近红外光谱仪，是保证数据具有良好再现性的基本要求； （2）功能齐全的化学计量学软件，是建立模型和分析的必要工具； （3）准确并适用范围足够宽的模型。 这三个条件的有机结合起来，才能为用户真正发挥作用。因此，在购买仪器时必须对仪器提供的模型使用性有足够的认识，特别避免个别商家为推销仪器所做的过度宣传的不良诱导，为此付出代价的厂家有之，因此，一定要对厂家提供模型与技术支持情况有详细了解。 【近红外光谱仪厂家】
山东润通科技有限公司是一家致力于环境在线监测系统、数据采集传输系统、大数据云智慧平台的研发、生产、销售及技术服务为一体的高新技术企业、双软认证企业。 公司拥有多项自主知识产权与完善的体系认证，主要产品有RAIN-VI系列VOCs在线监测系统、水质在线监测系统，R-I7000系列数据采集传输系统，润通云智慧平台。 润通人本着“更用心更专业”的服务理念，为客户提供满意的产品和服务，为员工创造良好的工作和生活环境，为社会做出贡献。为改善人类环境而努力奋斗。山东润通科技有限公司是一家致力于环境在线监测系统、数据采集传输系统、大数据云智慧平台的研发、生产、销售及技术服务为一体的高新技术企业、双软认证企业。 公司拥有多项自主知识产权与完善的体系认证，主要产品有RAIN-VI系列VOCs在线监测系统、水质在线监测系统，R-I7000系列数据采集传输系统，润通云智慧平台。 润通人本着“更用心更专业”的服务理念，为客户提供满意的产品和服务，为员工创造良好的工作和生活环境，为社会做出贡献。为改善人类环境而努力奋斗。
现代近红外光谱分析仪工作原理 现代近红外光谱分析仪工作原理 2011年02月08日 20世纪90年代初,外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析仪器产品,但在很长时间内，进展不大，其原因主要是：首先，近红外光谱分析要求光谱仪器、光谱数据处理软件（主要是化学计量学软件）和应用样品模型结合为一体，缺一不可。但被分析样品会由于样品产地的不同而不同，国内外的样品通常有差异，因此，进口仪器的应用模型一般不适合分析国内样品。如果自己建立模型，就需要操作人员了解和熟悉化学计量学知识和软件，而外商在中国的代理机构缺乏这方面的专业人才，不能有效地根据用户的需要组织培训，因此，用户对这项技术缺乏全面了解，影响到了它的推广使用。其次，进口仪器价格昂贵，售后技术服务费用也往往超出大多数用户的承受能力。 现代近红外光谱分析技工作原理 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。近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团X-H（X-C、N、O）的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。 由于倍频和合频跃迁几率低，而有机物质在NIR光谱区为倍频与合频吸收，所以消光系数弱，谱带重叠严重。因此从近红外光谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息，需要充分利用现有的光机技术、电子技术和计算机技术进行处理。计算机技术主要包括光谱数据处理和数据关联技术。光谱数据处理是消除仪器因素（灯及测量方式等）环境因素（如温度等）和样品物态（如颜色、形态等）等对光谱的影响。常采用的方法有平滑、微分、基线漂移扣减、多元散射校正（MSC）和有限脉冲响应滤波（FIR）等也可以用小波变换来进行部分处理。数据关联技术主要是化学计量学方法。化学计量学的发展使多组分分析中多元信息处理理论和技术日益成熟，解决了近红外光谱区重叠的问题。通过关联技术可以实现近红外光谱的快速分析。在近红外光谱的应用中我们所关心的是被测样品的组成或各种物化性质，因此，如何提取这些有用信息是近红外光谱分析的技术核心。现在的许多研究与应用表明，
第30卷 第3期2009年3月 仪器仪表学报 Chinese Journal of Scientific I nstru ment Vol 130No 13Mar .2009 收稿日期:2008202 Received Date:2008202 3基金项目:国家自然科学基金(50574035)、浙江省重大应用电子技术和新型电子元器件专项(2007C11091)、浙江省自然科学基金人才基金 (R104315)资助项目 在线近红外光谱分析仪的研制及应用 3 叶华俊 1,2 ,刘立鹏2,夏阿林1,张学峰2,王健 1 (1 杭州电子科技大学电子信息学院 杭州 310018; 2 聚光科技(杭州)有限公司 杭州 310052) 摘 要:针对过程分析应用领域,研制了一种在线近红外光谱分析仪。详细描述了该仪器系统的主要组成结构,展现各模块 功能特点。对该仪器进行性能测试,结果显示该分析仪性能稳定,超过了USP1119(美国国家药典)规定的指标要求。实验室中的汽油样本建模实验和现场的重烷基苯与白糖应用结果表明,该仪器具有响应速度快、建模能力强、预测精度高、可同时预测多种组分、使用维护方便、维护成本低和可靠性高等优点,能够适应各种复杂的应用环境。关键词:近红外;光谱分析;在线 中图分类号:TG115.3 文献标识码:A 国家标准学科分类代码:460.40 D evelop m en t and appli ca ti on of on 2li n e near i n frared spectroscopy ana lyzer Ye Huajun 1,2 ,L iu L i peng 2,Xia A lin 1,Zhang Xuefeng 2,W ang J ian 1 (1E lectronic Infor m ation College ,Hangzhou D ianzi U niversity,Hangzhou 310018,China; 2Focused Photonics (Hangzhou ),Inc .,Hangzhou 310052,China ) Abstract:An on 2line near infrared s pectr oscopy analyzer was devel oped f or p r ocess analysis app licati ons .The fea 2tures and configurati on of the analyzer are described in detail .The perf or mance tests reveal that the analyzer perf or m s well and meets the require ments of USP1119.Further more,the analyzer has been successfully app lied t o laborat ory and field .App licati on results de monstrate that the analyzer has the merits of fast ti m e res ponse,excellent modeling capability,high accuracy and l ow maintenance cost,and can deal with comp lex industrial envir onment .Key words:near infrared;s pectr oscopy analysis;on 2line 1 引 言 近红外光谱区域按AST M 定义是指波长在780～2526n m 之间电磁波。这一区域兼备了可见光区信号容易获取与红外光区光谱分析信息量丰富两方面的优点。由于近红外区的倍频与合频吸收强度弱,光谱谱带宽而复杂,重叠严重,在早期限制了近红外光谱技术的应用。光电与计算机技术的不断发展,特别是化学计量学在分析领域的广泛应用,大大 推动了近红外分析技术的发展[1] 。 近红外光谱分析技术被誉为“多快好省的绿色 分析技术”,是最符合目前工业生产需求的一种分析技术,在发达国家被广泛应用于大型工业生产过程的在线分析。在线近红外光谱分析技术主要具有以下优势:1)仪器简单,分析速度快;2)无浪费、无污染,容易实现无损和在线检测;3)适应性广,几乎适合各类样品(液体、粘稠体、涂层、粉末和固体)分析;4)多组分多通道同时测定;5)可使用光纤,实现远程分析检测。基于以上优点,近红外光谱分析已成为现代过程分析中的主流技术之一。 经济的快速发展,必将导致生产模式由粗放型
近红外光谱分析技术及发展前景 陈丽菊 刘 巍 近红外光(near infrared,N IR)是介于可见光(VL S)和中红外光(M IR)之间的电磁波,美国材料检测协会(ASTM)将波长780～2526nm的光谱区定义为近红外光谱区。近红外光谱主要应用两种技术获得:透射光谱技术和反射光谱技术。透射光谱波长一般在780～1l00nm范围内;反射光谱波长在1100～2526nm范围内。近红外光谱区(N IR)是由赫歇尔(Herschel)在1800年发现的。卡尔?诺里斯(Karl Norris)等人首先用近红外光谱区测定谷物中的水分、蛋白质。但是由于分子在该谱区倍频和合频吸收弱,且谱带重叠严重,难以分析和鉴定,以致N IR分析技术的研究曾一度陷入低谷,甚至处于停滞。20世纪80年代,随着计算机技术、仪器硬件的迅速发展,以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得的良好效果,使得近红外分析技术不仅用于农产品、食品和生物科学,而且还应用到石油化工、烟草、纺织、环保等行业。 近红外光谱分析的原理 近红外光谱是由于分子振动能级的跃迁(同时伴随转动能级跃迁)而产生的。近红外分析技术是依据被检测样品中某一化学成分对近红外光谱区的吸收特性而进行定量检测的一种方法。它记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息,它的光谱是在700～2500nm范围内分子的吸收辐射。这个事实与常规的中红外光谱定义一样,吸收辐射导致原子之间的共价键发生膨胀、伸展和振动。中红外吸收光谱中包括有C-H键、C-C键以及分子官能团的吸收带。然而在N IR测量中显示的是综合波带与谐波带,它是R-H分子团(R是O、C、N和S)产生的吸收频率谐波,并常常受含氢基团X-H(C-H、N-H、O-H)的倍频和合频的重叠主导,所以在近红外光谱范围内,测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。使用N IR技术是因为它与样品相互作用时输出的能量效率比中红外光更为实用。N IR的辐射源(仪器上的灯)要比用在中红外的能量高得多,而且它的检测器也具有更高检测效率。这些因素意味着N IR仪器的信噪比值远高于中红外仪器。较高的信噪比意味着样品的观测时间可比中红外仪器短得多。近红外辐射对于样品的穿透性也较高,因此样品的前处理常较中红外简单。近红外光谱根据其检测对象的不同分成近红外透射光谱(N IT)和近红外反射光谱(N IR)两种。N IT是根据透射光与入射光强的比例关系来获得在近红外区的吸收光谱。N IR根据反射光与入射光强的比例获得在近红外光谱区的吸收光谱。近红外分析技术是综合多学科(光谱学、化学计量学和计算机等)知识的现代分析技术,使用包括N IR 分析仪、化学计量学光谱软件和被测物质的各种性质或浓度分析模型成套近红外分析技术等。经过对这种模型的校正,就可以根据被测样品的近红外光谱,快速计算出各种数据。建立被测样品成分的模型时,主要用到的校正方法有多元线性回归法(ML R)、主成分分析法(PCA)、偏最小二乘法(PL S)、人工神经网络法(ANN)。 近红外光谱分析方法的特点 近红外光谱分析方法有下列特点。 可采用光学方法进行。鉴于近红外具有较大的散射效应和较强的穿透性,近红外光谱的分析方法比较独特,可根据样品物态和透光能力的强弱采用透射、漫反射和散射等多种测谱技术进行物质检测。 近红外光子的能量比可见光低,不会对人体造成伤害,而且整个分析过程不会对环境造成任何污染,属于绿色分析技术。 近红外分析技术可在数分钟内完成多项参数的测定,分析速度可提高上百倍,分析成本可降低数十倍。用于传输近红外辐射光的光纤可长达200m, 新结构的固态电子和光电子器件。半导体低维结构已成为推动整个半导体科学技术迅猛发展的主要动力。低维材料不同于自然界中的物质,具有各种量子效应和独特的光、电、声、力、化学和生物性能,在未来的各种功能器件的应用中将发挥重要作用,并随理论和技术的发展得到更加广泛的应用。 (上海市东华大学理学院应用物理系 200051) ? 1 ?现代物理知识
常规样品的红外光谱分析 PB07206298龚智良 实验目的 1.初步掌握两种基本样品制备技术及傅立叶变换光谱仪器的简单操作； 2.通过图谱解析及标准谱图的检索，了解由红外光谱鉴定未知物的一般过程。 实验原理 红外光谱：红外光谱是分子的振动转动光谱，也是一种分子吸收光谱。当样品受到频率连续变化的红外光照射时，分子吸收了某些频率的辐射，并由其振动或转动引起的偶极矩的净变化，产生分子振动和转动能级从基态到激发态的跃迁，使相应于这些区域的光透射强度减弱。记录红外光的百分透射比或波长关系曲线，就得到红外光谱。从分子的特征吸收可以鉴定化合物和分子结构，进行定性和定量分析。红外光谱尤其在物质定性分析中应用广泛，它操作简便，分析速度快，样品用量少且不破坏样品，能提供丰富的结构信息，因此红外光谱法往往是物质定性分析中优先考虑的手段。 能产生红外吸收的分子为红外活性分子，如CO?分子；不能产生红外吸收的分子为非红外活性分子，如O?分子。 中红外区为基本振动区：4000-400cm-1研究应用最多。 红外吸收的波数与相应振动的力常数关系密切。双原子分子的基本频率计算公式为 ??=12????? 其中?为约化质量 μ=m??m? m?+m? 对于多原子分子，其振动可以分解为许多简单的基本振动，即简正振动。一般将振动形式分为两类：伸缩振动和变形振动。 各种振动都具有各自的特征吸收。 仪器结构和测试技术 Fourier变换红外光谱仪（FTIR仪）：能够同时测定所有频率的信息，得到光强随时间变化的谱图，称时域图，这样可以大大缩短扫描时间。由于不采用传统的色散元件，其分辨率和波数精度都较好。傅立叶变换红外谱仪主要由光源（硅碳棒、高压汞灯）、Michellson干涉仪、检测器、计算机和记录仪组成。测试样品时，由于样品对某些频率的红外光吸收，从而得到不同样品的干涉图。红外光是复合光，检测器接收到的信号是所有频率的干涉图的加合。 对试样的要求：试样应该为纯物质，纯度大于98%，以便于和纯化合物进行比较；样品中不能含游离水；试样的浓度和测试厚度应选择适当，以使大多数吸收峰的透射比处于10%-80%。 制样方法：对于液体样品有液膜法、液体吸收池法；对于固体样品有压片法、糊状法；对于特殊的样品还有薄膜法（包括熔融法和热压成膜法、溶液制膜法）；对于气态样品一般都灌注于气体池中进行测试。 除了常规的测试技术外，红外光谱测试还有衰减全发射和偏振红外光谱等特殊的测试技术。 实验步骤、现象及讨论 固体样品制备：使用KBr压片法。用一个玛瑙研钵将少量KBr晶体充分研磨后加入其量5%左右的待测固体样品，混合研磨直至均匀，并使其颗粒大小比所检测的光波长更小（约2μm以下）。在一个具有抛光面的金属模具上方一个圆形纸环，用刮勺将研磨好的粉末移至环中，盖上另一块模具，放入油压机中进行压片。KBr压片形成后，用夹具固定测试。注意样品制备过程中一定要将粉末研得足够细，判断的标准是粉末粘在研钵壁上比较紧。整个操作过程在红外灯下进行，这样可以减少样品制备过程中吸水的量。在制备固体样品之前，要用酒精棉球把刮勺、研钵、研杵擦干净。 液体样品的制备：取一对NaCl窗片，用刮勺沾一滴未知液体在一块窗片上，然后用另外一块窗片覆
近红外光谱仪器比较 一 基本构成 近红外光谱仪的光学部分由：光源、分光系统、测样附件和检测器等部分构成。 （１）光源 近红外光谱仪器最常用的光源是卤钨灯，性能稳定，价格也相对较低。发光二 极管ＬＥＤ是一种新型光源，波长范围可以设定，线性度好，适于在线或便携式 仪器。 （２）测样附件：液体多使用透射式测量池，也可采用透射式光纤探头。 （３）检测器：可分为 单点检测器和阵列检测器 金陵石化汽油调和的是单点检测器。 在短波区域多采用Ｓｉ检测器或ＣＣＤ阵列检测器。 在长波区 多采用ＰｂＳ 或 ＩｎＧａＡｓ 或其阵列检测器。ＩｎＧａＡｓ 检测器的响应速 度快，信噪比和灵敏度高，但响应范围相对较窄，价格也较贵。ＰｂＳ 检测器的 响应范围较宽，价格约为ＩｎＧａＡｓ检测器的１／５，但其响应呈较高的非线性。为 了提高检测器的灵敏度，扩展响应范围，在使用时往往采用半导体或液氮制冷， 以保持较低的恒定温度。 二 光谱仪的类型 色散型光谱仪由于固有的缺点：扫描速度慢、分辨率低、信噪比低、重复性差。 检测器的作用：检测光通过样品后的能量。选用检测器要满足下面三点要求： （１）具有较高的检测灵敏度（２）快的响应速度（３）较宽的测量范围 按单色器分类，市场上存在的ＮＩＲ光谱仪可分为：滤光片型、光栅色散型、傅里叶变换型（ＦＴ）、声光可调滤光器型（ＡＯＴＦ）四类。 除采用 单色器 分光外，也有仪器采用多个不同波长的发光二极管作为光源，即 ＬＥＤ型近红外光谱仪。 １．滤光片型 滤光片型仪器采用干涉滤光片进行分光。光学滤光片是建立在光学薄膜干涉原理上的精密光学滤光器件，利用入射和反射之间相位差产生的干涉现象，得到带宽相当窄的单色光，其半波宽可在１０ｎｍ以下，基本能达到单色器的分光质量。 优点：采样速度快、比较坚固、可制造现场分析的手提式仪器。 缺点：只能在单一或少数几个波长下测定，波长数目有限，若样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差。 ２．光栅扫描型 原理：光源发出的复色光束，经准直后通过入射狭缝，照射到单色器（光栅）上，将复色光色散为单色光，从单色器出射的不同波长单色光的出射角度不同，通过转动光栅按照波长顺序依次通过出射狭缝，与待测样品发生作用后，到达检测器被检测。 优点：结构不复杂、容易制造。与中红外相比，由于近红外光谱仪区可采用高能量的光源和高灵敏度的检测器，其信噪比较高。 缺点：仪器的分辨率较傅里叶变换型仪器稍差，波长的准确性也有所下降。因光栅转动，不利于仪器的稳定性。 光栅型的新进展：基于ＭＥＭＳ（微电子机械系统）开发出来的新型的近红外光谱仪 ３．阵列检测器 固定光路阵列检测器型仪器是２０世纪９０年代发展起来的一种新型的仪器。 原理：此类仪器多采用后分光方式，即光源发出的光首先经过样品，再由光栅分光，光栅不需要转动，经过色散后的光聚焦在阵列检测器的焦面上同时被检测。
近红外光谱(NIR)分析技术的应用 近红外光谱分析是近20年来发展最为迅速的高新技术之一，该技术分析样品具有方便、快速、高效、准确和成本较低，不破坏样品，不消耗化学试剂，不污染环境等优点，因此该技术受到越来越多人的青睐。 一、近红外光谱的工作原理 有机物以及部分无机物分子中各种含氢基团在受到近红外线照射时，被激发产生共振，同时吸收一部分光的能量，测量其对光的吸收情况，可以得到极为复杂的红外图谱，这种图谱表示被测物质的特征。不同物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，每种成分都有特定的吸收特征。因此，NIR能反映物质的组成和结构信息，从而可以作为获取信息的一种有效载体。 二、近红外光谱仪的应用 NIR分析技术的测量过程分为校正和预测两部分（如图一所示），(1)校正：①选择校正样品集，②对校正样品集分别测得其光谱数据和理化基础数据，③将光谱数据和基础数据，用适当的化学计量方法建立校正模型；(2)预测：采集未知样品的光谱数据，与校正模型相对应，计算出样品的组分。由此可知，建立一个准确的校正模型是近红外光谱分析技术应用中的重中之重。 图一 2.1定标建模
2.1.1 为什么要建立近红外校正模型 2.1.1.1 建立近红外校正模型的最终目标是获得一个长期稳定的和可预测的模型。 2.1.1.2 近红外光谱分析是间接的（第二手）分析方法，所以①需要定标样品集；②利用定标样品集的参比分析数据与近红外光谱建立校正模型；③近红外分析准确度与参比方法数据准确度高度相关；④近红外分析精度一般优于参比方法分析精度。 2.1.2 模型的建立与验证步骤 2.1.2.1 扫描样品近红外光谱 准确扫描校正样品集中各个样品规范的近红外光谱：为了克服近红外光谱测定的不稳定性的困难，必须严格控制包括制样、装样、测试条件、仪器参数等测量参数在内的测量条件。利用该校正校品集建立的数学模型，也只能适用于按这个的测量条件所测量光谱的样品。 2.1.2.2 测定样品成分（定量） 按照标准方法（如饲料中的粗蛋白GB/T6432、水分GB/T6435、粗脂肪GB/T6433）准确测定样品集中每个样品的各种待测成分或性质(称为参考数据)。这些值测定的精确度是近红外光谱运用数学模型进行定量分析精确度的理论极限。 2.1.2.3 建立数据对应关系 通过2.1.2.1所得光谱与2.1.2.2所得不同性质参数的参考数据相关联，使光谱图和其参考数据之间形成一一对应映射的关系，从而建立一个带参考数据的光谱文件。 2.1.2.4 剔除异常值 2.1.2.3建立的光谱文件中，样品参考值与光谱有可能由于各种随机的原因而有较严重的失真，这些样品的测定值称为异常值。为保证所建数学模型的可靠性，在建立模型时应当剔除这些异常值。 2.1.2.5 建立模型 选择算法、确定模型的参数、建立、检验与评价数字模型：常用的算法有逐步回归分析、偏最小二乘法、主成分回归分析等。这些算法的基本思想
红外光谱分析 序言 二十世纪初叶，Coblentz发表了一百多个有机化合物的红外光谱图，给有机化学家提供了鉴别未知化合物的有力手段。到四十年代红外光谱技术得到了广泛的研究和应用。当今红外光谱仪的分辨率越来越高，检测范围扩展到10000－200cm-1，样品量少至微克级。红外光谱提供的某些信息简捷可靠，检测样品中有无羰基及属于哪一类（酸酐、酯、酮或醛）是其他光谱技术难以替代的。因此，对从事有机化合物为研究对象的化学工作者来说，红外光谱学是必需熟悉和掌握的一门重要光谱知识。 一、基本原理 1、基本知识 光是一种电磁波。可根据电磁波的波长范围分成不同类型的光谱，它们各自反映出物质的不同类型的运动形式。表1列出这些电磁波的波长，其所在区域的光谱名称，以及对应的运动形式。 红外光谱研究的内容涉及的是分子运动，因此称之为分子光谱。通常红外光谱系指2-25μ之间的吸收光谱，常用的为中红外区4000-650cm-1或4000-400cm-1。 这段波长范围反映出分子中原子间的振动和变角振动，分子在振
动运动的同时还存在转动运动。在红外光谱区实际所测得的图谱是分子的振动与转动运动的加合表现，即所谓振转光谱。 每一化合物都有其特有的光谱，因此使我们有可能通过红外光谱对化合物作出鉴别。 红外光谱所用的单位波长μ，波数cm-1。光学中的一个基本公式是λυ= C，式中λ为波长，υ为频率，C为光速(3×1010cm/s)。设υ为波数，其含义是单位长度(1cm)中所含的波的个数，并应具有以下关系：波数(cm-1)＝104/波长(μ) 波长和波数都被用于表示红外光谱的吸收位置，即红外光谱图的横坐标。目前倾向于普遍采用波数为单位，而在图谱上方标以对应的波长值。红外光谱图的纵坐标反映的是吸收强度，一般以透过率(T%)表示。 2、红外光谱的几种振动形式 主要的基本可以分为两大类：伸缩振动和弯曲振动。 (1)伸缩振动(υ) 沿着键轴方向伸或缩的振动，存在对称与非对称两种类型。它的吸收频率相对在高波数区。 (2)弯曲振动(δ) 包括面内、面外弯曲振动，变角振动，摇摆振动等。它的吸收频率相对在低波数区。 4000cm-1（高）400cm-1（低） 3、红外光谱吸收峰主要的几种类型 (1)基频峰：伸缩振动，弯曲振动产生的吸收峰均为基频峰。 (2)倍频峰：出现在基频峰波数二倍处。如基频为900cm-1，倍频为 1800cm-1。 4、红外光谱吸收峰的强度
摘?要?近红外光谱是目前国际公认的最有应用价值的分析技术之一，它在国民经 济中日益发挥着越来越重要的作用。本文主要介绍近5年国内外近红外光谱分析技术的发展及应用现状，并对我国在这一技术方向的研发提出建议。关键词?近红外光谱 化学计量学 在线分析 快速分析 现场分析 Abstract Near infrared spectroscopy (NIR) has been recognized as one of the most valu-able application technologies, which is playing more and more important roles in national economy. In this paper, the research and application status of near infrared spectroscopy analytical technology in the past five years both home and abroad are introduced, and the NIR research and development suggestions for our country are proposed in detail. Key words Near infrared spectroscopy Chemometrics On-line analysis Rapid analysis On-site analysis 近红外光谱分析技术发展和应用现状 The research and application status of near infrared spectroscopy analytical technology 引?言? 从1800年英国科学家赫歇耳（W Herschel ）发现近红外光，到1881年英国天文学家阿布尼（W Abney ）和E R Festing 用Hilger 光谱仪拍摄下48个有机液体的近红外吸收光谱（700~1100nm ），发现近红外光谱区（NIR ）的吸收谱带均与含氢基团有关，到1968年美国农业部的工程师K Norris 博士将近红外光谱用于农产品的快速分析，到1974年瑞典化学家S Wold 和美国华盛顿大学的B R Kowalski 教授创建化学计量学学科（Chemometris ），唤醒现代近红外光谱技术这个沉睡的分析“巨人”，到上世纪80年代末光纤在光谱中的应用，推动在线近红外光谱技术的应用和发展，到本世纪之初微机电系统（MEMS ）技术使NIR 仪器越来越小型化，到近些年近红外光谱化学成像（NIR Chemical Imaging ）技术的兴起和应用，现代近红外光谱分析技术走过200余年的发展历程，近红外光谱从光谱中的垃圾箱（因其宽且重叠严重的谱带而无法通过传统方法进行分析应用），发展成为当前很多领域不可或缺的一种分析手段[1~7]。 在这200余年尤其是近20年的发展过程中，近红外 光谱仪器得到不断改进和完善，针对不同样品类型的测量附件也逐渐完备、化学计量学算法日趋普及，近红外光谱技术在工业（尤其是大型流程工业）应用中的优势逐渐被人们所认识，迅速被应用到实验室快速分析、现场分析以及在线分析中，为企业带来丰厚的效益。更为重要的是，在一些行业近红外光谱技术成为促进技术进步（例如生产工艺的改革）以及提高科学管理（例如保证产品质量）的重要手段之一，已成为现代优化操作和控制系统中的一个重要组成部分。 国内外已有较多文献对近红外光谱技术（包括仪器、光谱成像、化学计量学算法与软件、应用等）做详尽的综述[8~13]，本文主要介绍近5年国内外近红外光谱分析技术的发展及应用现状，并对我国在这一技术方向的研发提出建议。 1?国际NIR 技术和应用现状 1.1?技术现状 近红外光谱分析技术是由光谱仪、化学计量学软件和校正模型3部分构成的，在线分析系统往往还包括取样与预处理、数据通讯等部分。 褚小立1?袁洪福2Chu?Xiaoli 1?Yu?Hongfu 2 （1.石油化工科学研究院?北京?100083；2.北京化工大学?北京?100029） (1.Research Institute of Petroleum Processing, Beijing, 100083; 2.Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100083)