近红外光谱仪的发展历程

近红外光谱技术正受到越来越多研究人员的青睐。作为这一技术的基础和前提，近红外光谱仪推动着其快速发展。近年来，随着近红外光谱技术的广泛应用，有的近红外光谱仪已经难以满足研究与生产的需要，为此科研人员在现有光谱仪的基础上进行了很多研究，以提高其使用性能。对近红外光谱技术的原理、发展背景、发展历程及其应用进行了总结，并对近红外光谱仪的发展趋势进行了展望。

近红外光谱技术是目前世界上发展非常快速的分析技术，它具有无损、快速等优点，其应用非常广泛，在化工、农业、环境、医药等领域发展极为迅速。近年来，越来越多的科学家对近红外光谱仪做了深入的研究，研究的范围也越来越广。他们将化学计量学软件、光谱仪和应用模型结合起来，极大地拓展了近红外光谱仪的应用领域。近红外光谱仪目前在过程分析技术中发挥着极其重要的作用，发展非常迅速。

目前，商品化的近红外光谱仪已经非常成熟，而且型号多种多样，例如光栅扫描型、傅立叶变换型、声光可调滤光器(AOTF)型和阵列检测器型等。但是目前人们更加倾向于研发响应快速、轻巧、低成本和低能耗的分析仪器。

随着微光机电系统技术和微机电系统技术的快速发展，一些新型的红外光谱仪逐步走向市场，如法布里-拍罗干涉仪、可编程光栅红外光谱仪、编码光度式红外光谱仪和扫描光栅光谱仪等。近红外光谱仪已经发展了50多年，其设计、测量方法和性能都发生了巨大的变化，一些主要的技术指标均有了很大提升，制作技术也日渐成熟。本文主要介绍国内外商品化近红外光谱仪的现状及今后的发展趋势。

近红外光谱仪的原理

当分子振动从低能级向高能级跃迁时，便会吸收一定波长的光，根据分子所吸收的特定波长的光便可得出分子所含有的化学基团。在近红外光谱测量中，主要测量的是C-H、N-H、O-H基团。因此，在近红外光谱分析中，被测物质的组成和结构导致了Z终得到不同的光谱图。

通过化学计量学的方法计算出样品的结构和红外光谱图之间的函数关系，再经过精确的校正，就可以根据测得的光谱图，计算出样品的结构等各种信息。校正等方法有很多，但是目前应用Z多、Z广泛的是偏Z小二乘法(PLS)、主成分分析法(PCA)、多元线性回归法(MLR)、人工神经网络法(ANN)和拓扑法(Topological)等。

近红外光谱仪的组成

一个近红外光谱分析仪主要由以下几个部分组成：①光谱发生器：可以产生精确的光谱；②光源：一般为钨灯；③光导纤维：传导光线；④计算机软件；⑤数字控制系统。另外，还需要添加一定的附件，比如前处理系统、自动取样系统、样品接受系统、样品回路系统、信息输送系统等。

当某一频率的红外光线聚焦照射在被分析的样品时，如果样品分子中某个基团的振动频率与所照射的红外线频率相等就会产生共振，这个基团就吸收一定频率的红外线，把分子吸收红外线的情况用仪器记录下来，便能得到反映试样成分的特征光谱，从而推测化合物的类型和结构。

红外光谱仪的发展背景

英国天文学家William Herschel于1800年发现了近红外光谱区，但diyi台红外光谱仪直到二十世纪30年代才被开发出来。在第二次世界大战期间，科学家们利用红外技术分析石油和橡胶的品质，推动了红外分析技术的发展。但是在发展的初级阶段，科学家们认为近红外光谱的数据可利用性很小，因此，极少有人关注近红外光谱，近红外光谱的发展进入冰封阶段。

直到二十世纪，当人们利用近红外光谱分析化合物时，得到了非常良好的结果，他们又对得到的光谱进行了光谱解析，觉得近红外光谱具有非常广阔的发展前景。

进入二十世纪以后，随着计算机技术的快速发展和检测器技术的提高，近红外技术获得了极大发展，形成了其在发展史上质的飞跃。特别是在发达国家，近红外光谱技术已经非常普及，一般实验室都会拥有红外光谱仪，除此之外，为了满足不同的测试需要，还配备了各种各样的仪器配件和软件。

与此同时，生产近红外光谱仪的厂家也越来越多，他们的竞争也变得非常激烈。随着近红外光谱仪应用越来越广泛，人们对近红外光谱仪提出了新的要求，希望近红外光谱仪向小型化、快速化和专用化发展。

此后，澳大利亚科学家研究出了一款小型、便携式的红外光谱仪，此款仪器可以携带至野外并用于岩石和矿物的分析。此仪器的重量仅为2.5kg,光谱范围可达1300～2500nm，光栅为扫描型，还可以外接电脑。

然而，如今的红外光谱仪仍有很多的技术需要改进，如近红外光谱仪对于湿度的要求非常高，如果湿度过高，则会对光谱仪测定的准确性产生影响，因此极需提高该仪器的相关技术以实现降低该仪器的保护条件；另外，为了提高吸收峰的稳定性，需要提高红外光谱以及发射光源光的稳定性，以实现更加精确的定性分析。

近红外光谱仪的发展历程

在二十世纪50年代以前，近红外光谱仪缺乏相关的仪器基础，仅仅停留于理论阶段，没有得到实际应用。到了50年代中后期，红外光谱仪有了一定的发展，被广泛应用于农产品的品质测定。

到了60年代，中红外光谱技术得到了快速发展，而近红外光谱技术停滞不前。直到80年代，人们才又重新关注近红外光谱的发展。

80年代以后，随着化学计量学的发展、分析仪器的数字化以及计算机技术的突飞猛进，近红外光谱技术得到前所未有的发展。通过计算机技术和化学计量学技术，解决了背景干扰以及光谱信息提取的问题。

进入90年代后，近红外光谱技术成为发展Z快、Z引人注目的分析技术之一。由于近红外光在常规光纤中良好的传输特性，使近红外光谱在线分析领域得到很好应用，并取得极好的社会和经济效益。

1995年以来，国内许多科研院所和大专院校开始积极研究和开发适合国内需要的近红外光谱分析技术，并且做了大量技术知识的普及工作，为我国在这一技术领域的发展奠定了良好的基础，开创了崭新的局面。

近红外光谱仪的应用

与传统分析技术相比，近红外光谱分析技术具有诸多优点，它能在几分钟内，仅通过对被测样品完成一次近红外光谱的采集测量，即可完成其多项性能指标的测定(Z多可达十余项指标)。光谱测量时不需要对分析样品进行前处理；分析过程中不消耗其他材料或破坏样品；分析重现性好，成本低。

近年来，近红外光谱分析在很多领域都取得了巨大进展。在食品分析领域，对于现场的快速检测方法要求越来越高：准备简化，使用的试剂较少，配制好的试剂保存期长；样品前处理简单，对操作人员要求低；分析方法简单、准确和快速。而近红外光谱技术能够符合这些要求，实现快速检测。

目前，人们对红外光谱仪测定食品中各种元素以及有毒有害物质做了大量的研究，如：对于菜籽油品质、液态奶中三聚氰胺、牛奶中的乳蛋白和乳脂肪、果蔬中农药残留、腊肉中亚硝酸盐、鸡蛋的储藏时间、牛肉中pH值、大豆油中脂肪酸、羊肉化学成分、腊肉中酸价和过氧化值、水果品质、液态奶中蛋白质和脂肪、鱼丸中的水分和淀粉、植物油中脂肪酸、稻米中蛋白质、玉米中淀粉含量、粮油品质、蜂蜜质量的测定等。

另外，近红外光谱对于中药成分的测定也有大量的研究，如对于中药茯苓、红参、枸杞、人参和西洋参、丹参中营养成分的测定都取得了良好的效果；近红外光谱不仅在食品和中药领域取得了良好的应用，而且在茶叶和酒类的测定中也取得了很大的进展。

另外，近红外光谱在重金属离子的测定、纺织物的鉴别、糖料的在线监控、鉴别地沟油、测定菌落总数、测定木质纤维素、饲料的检测、烟草的检测、土壤参数的测定、生物医学领域的应用、酒类品种的检测、药品质量控制等领域也获得了大量的研究。

近红外光谱仪的发展方向与展望

从近年来近红外光谱仪的发展状况可以看出，虽然仪器的高稳定性和高信噪比等性能受到人们很大关注，但是许多生产厂家和研究机构已经把更多的精力投入在方法和软件等方面的研究上。新型近红外光谱仪大都是基于MEMS技术设计和制造的。这些产品从光通讯产品转型而来，目前在一些技术指标(如波长准确性和信噪比等)尚不如主流产品，但却具有许多优点，如重量轻、体积小、探测速度快、寿命长、可集成化、可批量制造以及成本低廉等，因而有着巨大的市场前景。可以相信，近红外光谱仪的研究工作在未来几年内必将取得更大的进展，其整体性能也会得到较大提升。