关于近红外光谱仪的那些事

一、近红外光谱仪技术原理
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，记录的主要是含氢基团X-H(X=C、N、O)振动的倍频和合频吸收。不同基团(如甲基、亚甲基，苯环等)或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别。
近红外光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质测量。但在近红外光谱区域，吸收强度弱，灵敏度相对较低，吸收带较宽且重叠严重。因此，依靠传统的建立工作曲线方法进行定量分析是十分困难的，化学计量学的发展为这一问题的解决奠定了数学基础。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。
二、近红外光谱的测量方式
与常规分子吸收光谱分析一样，近红外光谱技术中测定溶液样品的透射光谱是其主要测量方式之一。除此之外，它还常用于固体样品，如片状、颗粒、粉末，甚至是直接测定粘稠液体或膏状样品的漫反射光谱。在近红外光谱领域，常用的测量方式包括透射、漫反射、漫透射和透反射等。
1.透射模式
跟其他分子吸收光谱一样，近红外透射光谱的测定用于清澈、透明的均匀液体样品，最常使用的测量附件是石英材质的比色皿，测量指标为吸光度。光谱吸光度与光程及样品浓度之间符合Lambert-Beer定律，即吸光度与光程和样品浓度均呈正比关系，这是近红外光谱定量分析的基础。
近红外光谱的灵敏度很低，因此分析时一般不需要稀释样品。但溶剂，包括水对近红外光都有明显的吸收，当比色皿光程太大时，吸光度会很高，甚至是饱和。因此，为了减少分析误差，测量光谱的吸光度最好控制在0.1-1之间，一般采用1-10mm的比色皿。有时为了方便，吸光度低至0.01，或高至1.5，甚至2的近红外光谱测量也经常看到。
2.漫反射模式
近红外光谱技术突出的优点，如无损测量、无需制样、简单快速等主要源于它的漫反射光谱采集模式。漫反射模式可用于粉、块、片、丝等固体样品，以及膏、糊等半固体样品的测量。样品可以是任何形状，如水果、药片、谷物、纸张、乳类、肉类等，无需专门制样，可以直接进行测量。\
近红外漫反射光谱并不符合Lambert-Beer定律，但经前人研究发现，漫反射的吸光度（实际上是样品反射率与参比反射率之比的负对数）与浓度在一定条件下具有线性关系，需要满足的条件如样品厚度足够大、浓度范围较窄、样品物理状态和光谱测定条件要保持一致等。因此，利用漫反射光谱也可用像透射光谱一样采用多元校正进行定量分析。
3.漫透射模式
漫透射模式是对固体样品进行的透射光谱测量。入射光照射不太厚的固体样品时，光在样品内部进行透射和漫反射，最后透过样品在光谱仪上记录光谱，这就是漫透射光谱。漫透射模式常用于药片、滤纸状样品、薄层状样品的近红外光谱测量。其光谱吸光度与组分浓度为线性关系。
4.透反射模式
溶液样品的透射光谱测量，是将入射光透过样品，在另一侧测定透射光谱。与此不同的是，透反射模式是在样品溶液后方放置一块反光镜，入射光通过样品后经反射镜反射后再次进入样品溶液，在入射光相同一侧测定透反射光谱。光通过样品二次，因此光程是普通透射光谱光程的二倍。透反射模式是为测定光谱的便利性而设计的，因为入射光和反射光在相同一侧，就可以在一个探头中同时安装入射光路和反射光路，在探头的前端安装一个空腔，空腔的顶端为反光镜。使用时，将探头插入溶液，溶液进入空腔，光从入射光路照入溶液，在反光镜上反射回到溶液，而后进入反射光路，进入光谱仪测定光谱。本质上，透反射光谱也是透射光谱，因此其吸光度与浓度为线性关系。
三、近红外光谱仪分类及优缺点
近红外光谱仪种类繁多，从应用的角度分类，可以分为在线过程监测仪器、专用仪器和通用仪器。从仪器获得的光谱信息来看，有只测定几个波长的专用仪器，也有可以测定整个近红外谱区的研究型仪器；有的专用于测定短波段的近红外光谱，也有的适用于测定长波段的近红外光谱。较为常用的分类模式是依据仪器的分光形式进行的分类，可分为滤光片型、色散型(光栅、棱镜)、傅里叶变换型等类型。
1.滤光片型近红外光谱仪器
滤光片型近红外光谱仪器以滤光片作为分光系统，即采用滤光片作为单色光器件。滤光片型近红外光谱仪器可分为固定式滤光片和可调式滤光片两种形式，其中固定滤光片型的仪器是近红外光谱仪较早的设计形式。仪器工作时，由光源发出的光通过滤光片后得到一定宽带的单色光，与样品作用后到触达检测器。

该类型仪器优点：
仪器的体积小，可以作为专用的便携仪器；制造成本低，适于大面积推广。
该类型仪器缺点：
单色光的谱带较宽，波长分辨率差；对温湿度较为敏感；得不到连续光谱；不能对谱图进行预处理，得到的信息量少。故只能作为较低档的专用仪器。
2.色散型近红外光谱仪器
色散型近红外光谱仪器的分光元件可以是棱镜或光栅。为获得较高分辨率，现代色散型仪器中多采用全息光栅作为分光元件，扫描型仪器通过光栅的转动，使单色光按照波长的高低依次通过样品，进入检测器检测。根据样品的物态特性，可以选择不同的样品检测器元件进行透射或反射分析。
该类型仪器的优点：
使用扫描型近红外光谱仪可对样品进行全谱扫描，扫描的重复性和分辨率较滤光片型仪器有很大程度的提高，个别的色散型近红外光谱仪还可以作为研究级仪器使用。
化学计量学在近红外中的应用是现代近红外分析的特征之一。采用全谱分析，可以从近红外谱图中提取大量的有用信息；通过合理的计量学方法将光谱数据与训练集样品的性质（组成、特性数据）相关联可得到相应的校正模型；进而预测未知样品的性质。
该类型仪器的缺点：
光栅或反光镜的机械轴承长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性；由于机械部件较多，仪器的抗震性能较差；图谱容易受到杂散光的干扰；扫描速度较慢，扩展性能差。由于使用外部标准样品校正仪器，其分辨率、信噪比等指标虽然比滤光片型仪器有了很大的提高，但与傅里叶型仪器相比仍有质的区别。
3.傅里叶变换型近红外光谱仪器
傅里叶变换近红外分光光度计简称为傅里叶变换光谱仪，它利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究近红外光谱。
该类型仪器的优点：
高灵敏度：傅里叶红外光谱仪具有高灵敏度的特点，可检测微量物质，在化学领域广泛应用；不会对样品造成损伤或者变化，不需要复杂的样品前处理；测试快速精准，可以在数秒内得到很多有关于待分析物质信息，同时还能够自动记录所有数据；因其远距离传输和高分辨率特性，已广泛应用于卫星遥感技术等领域。
该类型仪器的缺点：
由于红外光谱仪的检测原理是利用物质分子晶格振动、旋转和伸缩造成的弱吸收带产生的变化反映样品信息，因此需要准确制备无杂质高纯度固态样品；价格昂贵；由于透射模式单一，导致玻璃、液态或者气体状态下不能进行实时探测。
四、近红外光谱仪的应用
红外光谱仪能够量测有机化合物红外谱图，不仅应用于食品分析、有机化学、石油化工、医学分析等传统领域，并且在光学、半导体及电子设备等新兴技术领域也有重要的运用。此外，近年来国内外已研发出多种光谱仪器用于人体的相关分析，如用于检测化妆品或药品的应用效果、皮肤增生、头发损伤、紫外线防护效果等，仪器不必样品制备、也无样品池，使用方便；也可用于水质分析、土壤分析、环境分析以及农产品、食品、化妆品分析等。

参考资料：
[1]    冯新沪，史永刚. 近红外光谱及其在石油产品分析中的应用.北京：中国石化出版社，2002 ISBN 7-80164-239-2.
[2]    褚小立，陈瀑，李敬岩，等．近红外光谱分析技术的最新进展与展望［J］．分析测试学报，2020，39( 10) :1181-1188．