1.近红外光谱技术原理
近红外光谱(NIR)是介于可见(VIS)和中红外(MIR)区之间的电磁波。根据美国实验和材料协会规定，其波长范围为800~2500nm，近红外光谱为分子振动光谱的倍频和组合频谱带，主要指含氢基团C-H，O-H，N-H，S-H的吸收，包含了绝大多数类型有机物组成和分子结构的丰富信息。
朗伯-比尔吸收定律是近红外光谱分析的理论基础：样品光谱特征随其组成成分和内在结构变换而变化。由于不同基团或同一基团在不同化学环境中吸收波长有明显差别，因此可以作为获取有机化合物组成或性质信息的有效载体。对某些无近红外光谱吸收的物质(如某些无机离子化合物)，也能够通过其对共存的本体物质的影响引起的光谱变化，间接地反应其信息。
近红外光谱分析的主要应用领域包括：石油及石油化工、基本有机化工、精细化工、冶金、生命科学、制药、医学临床、农业、食品、饮料、烟草、纺织、造纸、化妆品、质量监督、环境保护、高校及科研院所等。未来预期的应用还包括：医学对皮肤、健康状况等的检测；在线分析、质量分析与过程控制；大数据应用(非模型预测)与近红外进入社区家庭。这些行业具有现场分析的特点，所以更多时候需要结构紧凑、体积小、重量轻的便携式近红外光谱分析仪。近红外分析技术是一门现代分析技术，它集合了化学计量学、光谱学和计算机应用等学科。
2.近红外光谱技术特点
近红外光谱技术之所以成为一种快速、高效适合过程在线分析的有利工具，是由其技术特点决定的，近红外光谱分析的主要技术特点如下：
(1)分析速度快
由于光谱的测量过程一般可在1 min内完成(多通道仪器可在1Sec之内完成)，通过建立的校正模型可迅速测定出样品的组成或性质。
(2)分析效率高
通过一次光谱的测量和已建立的相应的校正模型，可同时对样品的多个组成或性质进行测定。在工业分析中，可实现由单项目操作向车间化多指标同时分析的飞跃，这一点对多指标监控的生产过程分析非常重要，在不增加分析人员的情况下可以保证分析频次和分析质量，从而保证生产装置的平稳运行。
(3)分析成本低
近红外光谱在分析过程中不消耗样品，自身除消耗一点电外几乎无其他消耗，与常用的标准或参考方法相比，测试费用可大幅度降低。
(4)测试重现性好
由于光谱测量的稳定性，测试结果很少受人为因素的影响，与标准或参考方法相比，近红外光谱一般显示出更好的重现性。
(5)样品无需预处理，光谱测量方便。
由于近红外光较强的穿透能力和散射效应，根据样品物态和透光能力的强弱可选用透射或漫反射测谱方式。通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状类等不同物态的样品。
(6)便于实现在线分析
由于近红外光在光纤中良好的传输特性，通过光纤可以使仪器远离采样现场，将测量的光谱信号实时地传输给仪器，调用建立的校正模型计算后可直接显示出生产装置中样品的组成或性质结果。另外通过光纤也可测量恶劣环境中的样品。
(7)典型的无损分析技术
光谱测量过程中不消耗样品，从外观到内在都不会对样品产生影响。鉴于这一特点，该技术在活体分析和医药临床领域正得到越来越多的应用。
(8)现代近红外光谱分析的弱点
一是测试灵敏度相对较低，这主要是因为近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低，一般近红外倍频和合频的谱带强度是其基频吸收的10到10000分之一，就对组分的分析而言，其含量一般应大于0.1%；二是一种间接分析技术，方法所依赖的模型必须事先用标准方法或参考方法对一定范围内的样品测定出组成或性质数据，因此模型的建立需要一定的化学计量学知识、费用和时间，另外分析结果的准确性与模型建立的质量和模型的合理使用有很大的关系。
3.近红外光谱技术能给石化企业带来什么
（1）提高自动化程度，减少劳动强度
汽油在线调合优化系统可根据调合目标要求自动控制各组分的流量、调合泵的起停等，实现调合过程的自动化，操作人员只需在系统中的操作页面监视汽油调合过程中的报警即可，从而有效地降低了劳动强度。
（2）提高汽油生产信息化程度
系统自动对调合生产过程中的所有信息进行记录，在调合完成后可以进行报表统计、分析等，改变原来人工记录、报表的方式。
（3）降低产品质量过剩
通过汽油在线调合优化系统可实时检测组分油和调合头在调合过程中的性质的波动情况并且根据企业情况制定符合自身特点的非线性调合规则，当组分性质波动或其他原因导致调合发生偏差时系统会自动进行偏差补偿，使最终的调合结果满足设定目标要求，从而降低质量过剩。
（4）节约成本
应用汽油在线调合优化系统，可根据在线近红外分析仪提供的实时分析数据，及时有效地控制调合头后和产品罐内的成品汽油性质，达到卡边操作,在保证产品合格的同时，减少辛烷值等产品质量的过剩。中捷石化92#成品汽油辛烷值过去平均过剩约1.3个单位，按照一个单位辛烷值10元/吨、月汽油调合产量4万吨计算，每年可节省成本624万元。
4.近红外光谱快检技术的应用案例
（1）原油品质快评
原油性质差异巨大，从开采、贸易、流通到最后的加工，各环节均需要对相关的原油性质进行评价，而现存的原油评价方法需要较长的分析时间及较大的工作量，在很多场合不能满足分析时效性，原油快评技术便应运而生，而近红外光谱技术由于测量方便、成本低、可用于现场或在线分析等优势成为首选。
基于近红外光谱分析技术的原油评价具有操作简便、样品用量小、无损检测、分析耗时短、性质准确等特点，可以实现原油的快速常规评价；根据包含炼厂各装置原料、中间产品及最终产品指标的专家库， 结合全球历史数据库，可以实现原油的综合评价。原油快评从拿到样品到完成综合评价整个过程不超过30 min。原油快评系统主要包括预处理、近红外分析仪、计量学软件及模型、原油管理软件及原油历史数据库，主要流程为原油样品通过预处理恒温恒压除杂后，在高压样品池内采集近红外谱图，化学计量学软件及模型对谱图进行预测得到常规评价报告，结合定制的企业原油历史数据库及专家库得到原油最终的综合评价报告。
（2）油品在线调和
油品调合是石油化工企业成品油出厂重要生产操作，也是企业降低生产加工成本重要管理项目。长期以来，油品调合主要手段仍是人工控制，即人工计算油品调合比例、各组份油调合量、油品调合时间。人工控制存在油品质量过剩、油品不合格、调合成本高、调合时间长等众多弊端，这些弊端直接影响企业的经济效益。
为解决汽油调合目前存在的问题，中海石油中捷石化有限公司新增汽油在线调合优化控制系统，其过程将各组分油按调合优化软件计算的优化比例同时送入总管内，经过管道混合器使油品充分混合均匀。混合后的油品由在线质量分析仪检测分析并将分析数据送入计算机，计算机将分析数据进行处理，计算出最佳控制方案，通过流量计加调节阀的方式执行该控制方案，使油品产品质量、经济效益达到最佳状态。
（3）加油站快速筛查
在承接市场监管部门使用快检筛查方法对成品油进行监督抽查工作时，快速检测车到达待抽检加油站后，检测技术人员打开近红外光谱等检测设备，让检测设备处于稳定平衡状态；检测技术人员抽取车用汽油后，移取样品置于样品池中，样品注入量应满足样品池需求，并确保光度有效通过样品池且无气泡存在；打开车用汽油光谱采集仪器进行光谱采集；采集光谱后，调取车用汽油分析方法进行数据分析，得到的研究法辛烷值的数值，若数据为不合格，再次复检仍为不合格，则可认为该样品快速筛查结果不合格，立即告知加油站负责人，同时向当地市场监管执法人员报告，启动执法程序暂时封存该油灌产品，同时检测技术人员重新抽取2L样品，带回实验室按照国家标准规定方法检测研究法辛烷值，24h后将结果报于市场监管部门，最终结果以实验室检测结果为准。
5.近红外光谱仪的发展趋势
国际上近红外光谱分析仪器的微小型化是一个重要的发展方向，市场上已经出现了多种微小型的近红外光谱仪。物联网技术在智能农业、智能工厂、智能医疗和智慧城市等众多领域的兴起，成为推动近红外光谱传感器向着微型化方向发展的主要力量。
随着新原理、新材料和新加工制作技术的发展，不论何种分光方式的便携式近红外光谱仪，其针对特定应用场景的特定性能将得到进一步改进和优化，各种类型仪器的整体性能也将会越来越好，例如仪器体积将越来越小、重量将越来越轻，仪器之间的一致性会越来越好，仪器的波长范围将越来越宽，测量附件将越来越高效，仪器的光学性能指标也将会全面提升。
微型近红外光谱仪也将在多波段、多光谱数据融合方面扮演越来越重要的角色，例如近红外光谱与激光诱导击穿光谱的融合，与拉曼光谱的融合，以及与其他光谱成像的融合。除光谱仪硬件的改进外，化学计量学算法的提升也不容忽视。例如，如何将实验室台式仪器上基于大型光谱数据库建立的校正模型移植到便携式仪器上，以及如何进行应用端的模型更新，是值得深入研究的问题。此外，为保证微小型光谱仪的性能在应用过程中得到保证，建立仪器安装和运行确认程序也非常重要。
在应用方面，随着人们生活水平的不断提高和对美好生活需求的日益增长，对于高品质消费品的需求大幅提升，消费品的质量品质越来越受到消费者的重视，对消费品真伪鉴别及品质溯源的关注度也越
来越高，微小型近红外光谱仪作为物联网节点的核心感知部件之一，在食品和药品等人们日常用品中的应用将会越来越广泛。未来微小型近红外光谱仪器与智能手机和云平台的紧密结合，将使数据传输和存储更加灵活和便捷，也将为大数据分析和应用奠定基础。因此，可以预期，未来微型近红外光谱仪器的用户主体将不是光谱分析工作者，而是普通的消费者，即消费级的应用将占主体。
[参考文献]
霍学松，陈 瀑，戴嘉伟，王海朋，刘 丹，李敬岩，许育鹏，褚小立*. (2022). 微小型近红外光谱仪的应用进展与展望. Journal of Instrumental Analysis, 41(9), 1301-1313.
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