NIR

百科解釋

目錄·概述
·近紅外光譜分析原理
·近紅外光譜分析技術的特點
·近紅外光譜分析儀器
·近紅外光譜儀器的主要性能指標
·近紅外光譜分析技術注意事項

　　現(xiàn)代近紅外光譜（NIR）分析技術是近年來分析化學領域迅猛發(fā)展的高新分析技術，越來越引起國內(nèi)外分析專家的注目，在分析化學領域被譽為分析“巨人”，它的出現(xiàn)可以說帶來了又一次分析技術的革命。
　　近紅外區(qū)域是人們最早發(fā)現(xiàn)的非可見光區(qū)域。但由于物質(zhì)在該譜區(qū)的倍頻和合頻吸收信號弱，譜帶重疊，解析復雜，受當時的技術水平限制，近紅外光譜“沉睡” 了近一個半世紀。直到20世紀60年代，隨著商品化儀器的出現(xiàn)及Norris等人所做的大量工作，提出物質(zhì)的含量與近紅外區(qū)內(nèi)多個不同的波長點吸收峰呈線性關系的理論，并利用NIR漫反射技術測定了農(nóng)產(chǎn)品中的水分、蛋白、脂肪等成分，才使得近紅外光譜技術曾經(jīng)在農(nóng)副產(chǎn)品分析中得到廣泛應用。到60年代中后期，隨著各種新的分析技術的出現(xiàn)，加之經(jīng)典近紅外光譜分析技術暴露出的靈敏度低、抗干擾性差的弱點，使人們淡漠了該技術在分析測試中的應用，此后，近紅外光譜進入了一個沉默的時期。70年代產(chǎn)生的化學計量學(Chemometrics)學科的重要組成部分——多元校正技術在光譜分析中的成功應用，促進了近紅外光譜技術的推廣。到80年代后期，隨著計算機技術的迅速發(fā)展，帶動了分析儀器的數(shù)字化和化學計量學的發(fā)展，通過化學計量學方法在解決光譜信息提取和背景干擾方面取得的良好效果，加之近紅外光譜在測樣技術上所獨有的特點，使人們重新認識了近紅外光譜的價值，近紅外光譜在各領域中的應用研究陸續(xù)展開。進入90年代，近紅外光譜在工業(yè)領域中的應用全面展開，有關近紅外光譜的研究及應用文獻幾乎呈指數(shù)增長，成為發(fā)展最快、最引人注目的一門獨立的分析技術。由于近紅外光在常規(guī)光纖中具有良好的傳輸特性，使近紅外光譜在在線分析領域也得到了很好的應用，并取得良好的社會效益和經(jīng)濟效益，從此近紅外光譜技術進入一個快速發(fā)展的新時期。

近紅外光譜分析原理

　　近紅外光（Near Infrared，NIR）是介于可見光（VIS）和中紅外光（MIR）之間的電磁波，按ASTM（美國試驗和材料檢測協(xié)會）定義是指波長在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波，習慣上又將近紅外區(qū)劃分為近紅外短波（780~1100nm）和近紅外長波（1100~2526nm）兩個區(qū)域。
　　近紅外光譜屬于分子振動光譜的倍頻和主頻吸收光譜，主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的，具有較強的穿透能力。近紅外光主要是對含氫基團Ｘ－Ｈ（Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ）振動的倍頻和合頻吸收，其中包含了大多數(shù)類型有機化合物的組成和分子結構的信息。由于不同的有機物含有不同的基團，不同的基團有不同的能級，不同的基團和同一基團在不同物理化學環(huán)境中對近紅外光的吸收波長都有明顯差別，且吸收系數(shù)小，發(fā)熱少，因此近紅外光譜可作為獲取信息的一種有效的載體。近紅外光照射時，頻率相同的光線和基團將發(fā)生共振現(xiàn)象，光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子；而近紅外光的頻率和樣品的振動頻率不相同，該頻率的紅外光就不會被吸收。因此，選用連續(xù)改變頻率的近紅外光照射某樣品時，由于試樣對不同頻率近紅外光的選擇性吸收，通過試樣后的近紅外光線在某些波長范圍內(nèi)會變?nèi)酰干涑鰜淼募t外光線就攜帶有機物組分和結構的信息。通過檢測器分析透射或反射光線的光密度，就可以確定該組分的含量。
　　近紅外光譜分析技術包括定性分析和定量分析，定性分析的目的是確定物質(zhì)的組成與結構，而定量分析則是為了確定物質(zhì)中某些組分的含量或是物質(zhì)的品質(zhì)屬性的值。與常用的化學分析方法不同，近紅外光譜分析法是一種間接分析技術，是用統(tǒng)計的方法在樣品待測屬性值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個關聯(lián)模型(或稱校正模型，Calibration Model)。因此在對未知樣品進行分析之前需要搜集一批用于建立關聯(lián)模型的訓練樣品(或稱校正樣品，Calibration Samples)，獲得用近紅外光譜儀器測得的樣品光譜數(shù)據(jù)和用化學分析方法(或稱參考方法，Reference method)測得的真實數(shù)據(jù)。
　　其工作原理是，如果樣品的組成相同，則其光譜也相同，反之亦然。如果我們建立了光譜與待測參數(shù)之間的對應關系（稱為分析模型），那么，只要測得樣品的光譜，通過光譜和上述對應關系，就能很快得到所需要的質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。分析方法包括校正和預測兩個過程：
　　（1）在校正過程中，收集一定量有代表性的樣品（一般需要80個樣品以上），在測量其光譜圖的同時，根據(jù)需要使用有關標準分析方法進行測量，得到樣品的各種質(zhì)量參數(shù)，稱之為參考數(shù)據(jù)。通過化學計量學對光譜進行處理，并將其與參考數(shù)據(jù)關聯(lián)，這樣在光譜圖和其參考數(shù)據(jù)之間建立起一一對應映射關系，通常稱之為模型。雖然建立模型所使用的樣本數(shù)目很有限，但通過化學計量學處理得到的模型應具有較強的代表性。對于建立模型所使用的校正方法視樣品光譜與待分析的性質(zhì)關系不同而異，常用的有多元線性回歸，主成分回歸，偏最小二乘，人工神經(jīng)網(wǎng)絡和拓撲方法等。顯然，模型所適用的范圍越寬越好，但是模型的范圍大小與建立模型所使用的校正方法有關，與待測的性質(zhì)數(shù)據(jù)有關，還與測量所要求達到的分析精度范圍有關。實際應用中，建立模型都是通過化學計量學軟件實現(xiàn)的，并且有嚴格的規(guī)范（如ASTM-6500標準）。
　�。�2）在預測過程中，首先使用近紅外光譜儀測定待測樣品的光譜圖，通過軟件自動對模型庫進行檢索，選擇正確模型計算待測質(zhì)量參數(shù)。
　　NIR 定量分析的過程
　　近紅外定標及樣品分析的流程如下:
　　收集/ 制備定標樣品——→化學方法測定某成分含量
　　↓
　　用近外儀采集樣品的光學數(shù)據(jù)
　　↓
　　光譜數(shù)據(jù)的數(shù)學轉換(一階或二階導數(shù))
　　↓←——————————————將化學方法測得數(shù)據(jù)輸入
　　回歸計算　收集制備待測樣品
　　↓　↓　
　　建立定標方程　近紅外儀掃描待測樣品　
　　↓　←—————————┘　
　　成分含量計算
　　↓
　　最終結果　
　　從上述流程圖可以看出,近紅外光譜分析技術,其實就是一種間接的相對分析,通過收集大量具有代表性的標準樣本,通過嚴格細致的化學分析測出必要的數(shù)據(jù),再通過計算機建立數(shù)學模型,即定標,以最大限度反應被測樣本群體常態(tài)分布規(guī)律,然后再通過該數(shù)學模型或定標方程,預測未知樣品的所需數(shù)據(jù)。

近紅外光譜分析技術的特點

　　與傳統(tǒng)分析技術相比，近紅外光譜分析技術具有諸多優(yōu)點，它能在幾分鐘內(nèi)，僅通過對被測樣品完成一次近紅外光譜的采集測量，即可完成其多項性能指標的測定（最多可達十余項指標）。光譜測量時不需要對分析樣品進行前處理；分析過程中不消耗其它材料或破壞樣品；分析重現(xiàn)性好、成本低。
　　1. 無前處理、無污染、方便快捷
　　近紅外光線具有很強的穿透能力,在檢測樣品時,不需要進行任何前處理,可以穿透玻璃和塑料
　　包裝進行直接檢測,也不需要任何化學試劑。和常規(guī)分析方法相比,既不會對環(huán)境造成污染,又可以節(jié)約大量的試劑費用。近紅外儀器的測定時間短,幾分鐘甚至幾秒鐘就可以完成測試,并打印出結果。
　　2. 無破壞性
　　無破壞性是近紅外技術一大優(yōu)點,根據(jù)這一優(yōu)點,近紅外技術可以用于果蔬原料及成品的無損檢測。在果品貯藏庫中安裝近紅外裝置,能夠?qū)崿F(xiàn)果蔬的自動檢測,節(jié)省大量的人力和物力。
　　3. 在線檢測
　　由于近紅外技術能夠及時快捷的對樣品進行檢測,在生產(chǎn)中,可以在生產(chǎn)流水線上配置近紅外
　　裝置,對原料和成品及半成品進行連續(xù)再現(xiàn)檢測,有利于及時地發(fā)現(xiàn)原料及產(chǎn)品品質(zhì)的變化,便于及時調(diào)控,維持產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定。光纖導管和光纖探頭的開發(fā)應用使遠距離檢測成為現(xiàn)實。且遠距離檢測技術特別適用于污染嚴重、高壓、高溫等對人體和儀器有損害的環(huán)境應用,為近紅外網(wǎng)絡技術的發(fā)展奠定了基礎。
　　4. 多組分同時檢測
　　多組分同時測定,是近紅外技術得以大力推廣的主要原因。在同一模式下,可以同時測定多種組
　　分,比如在測小麥的模式中,可以同時測定其蛋白質(zhì)含量、水分含量、硬度、沉淀值、快速混合比等指標,這樣大大簡化了測定操作。不同的組分對測定結果都有一定的影響,因為在測定過程中,其它組分對近紅外光線也有吸收。
　　5.測定速度快
　　近紅外光譜的信息必須由計算機進行數(shù)據(jù)處理及統(tǒng)計分析一個樣品取得光譜數(shù)據(jù)后可以立即得到定性或定量分析結果整個過程可以在不到2min內(nèi)完成而且可以通過樣品的一張光譜計算出樣品的各種組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)。
　　6. 投資及操作費用低
　　近紅外光譜儀的光學材料為一般的石英或玻璃儀器價格低操作空間小樣品大多數(shù)不需要預處理投資及操作費用較低而且儀器的高度自動化降低了操作者的技能要求。
　　當然，近紅外光譜分析也有其固有的缺點：首先，它的測試靈敏度比較低，相對誤差比較大；其次，由于是一種間接測量手段，需要用參考方法(一般是化學分析方法)獲取一定數(shù)量的樣品數(shù)據(jù)，因此測量精度永遠不能達到該參考方法的測量精度，建立模型也需要一定的化學計量學知識、費用以及時間；最后，近紅外光潛的測量范圍，只適合對含氫基團的組分或與這些組分相關的屬性進行測定，而且組分的含量一般應大于0.1%才能用近紅外進行測定。對于經(jīng)常的質(zhì)量監(jiān)控是十分經(jīng)濟且快速的，但對于偶然做一兩次的分析或分散性樣品的分析則不太適用。因為建立近紅外光譜方法之前，必須投入一定的人力、物力和財力，才能得到一個準確的校正模型。

近紅外光譜分析儀器

　　近紅外光譜儀器從分光系統(tǒng)可分為固定波長濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換、聲光可調(diào)濾光器和陣列檢測五種類型。
　　濾光片型主要作專用分析儀器，如糧食水分測定儀。由于濾光片數(shù)量有限，很難分析復雜體系的樣品。光柵掃描式具有較高的信噪比和分辨率。由于儀器中的可動部件（如光柵軸）在連續(xù)高強度的運行中可能存在磨損問題，從而影響光譜采集的可靠性，不太適合于在線分析。傅立葉變換近紅外光譜儀是具有較高的分辨率和掃描速度，這類儀器的弱點同樣是干涉儀中存在移動性部件，且需要較嚴格的工作環(huán)境。聲光可調(diào)濾光器是采用雙折射晶體，通過改變射頻頻率來調(diào)節(jié)掃描的波長，整個儀器系統(tǒng)無移動部件，掃描速度快。但目前這類儀器的分辨率相對較低，價格也較高。
　　隨著陣列檢測器件生產(chǎn)技術的日趨成熟，采用固定光路、光柵分光、陣列檢測器構成的NIR儀器，以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、信噪比高以及性能價格比好等特點正越來越引起人們的重視。在與固定光路相匹配的陣列檢測器中，常用的有電荷耦合器件（CCD）和二極管陣列（PDA）兩種類型，其中CCD多用于近紅外短波區(qū)域的光譜儀， PDA檢測器則用于長波近紅外區(qū)域。

近紅外光譜儀器的主要性能指標

近紅外光譜分析技術注意事項

　　近紅外分析技術的一個重要特點就是技術本身的成套性，即必須同時具備三個條件：（1）各項性能長期穩(wěn)定的近紅外光譜儀，是保證數(shù)據(jù)具有良好再現(xiàn)性的基本要求；（2）功能齊全的化學計量學軟件，是建立模型和分析的必要工具；（3）準確并適用范圍足夠?qū)挼哪Ｐ�。這三個條件的有機結合起來，才能為用戶真正發(fā)揮作用。因此，在購買儀器時必須對儀器提供的模型使用性有足夠的認識，特別避免個別商家為推銷儀器所做的過度宣傳的不良誘導，為此付出代價的廠家有之，因此，一定要對廠家提供模型與技術支持情況有詳細了解。
　　近紅外分析技術分析速度快，是因為光譜測量速度很快，計算機計算結果速度也很快的原因。但近紅外分析的效率是取決于儀器所配備的模型的數(shù)目，比如測量一張光譜圖，如果僅有一個模型，只能得到一個數(shù)據(jù)，如果建立了10種數(shù)據(jù)模型，那么，僅憑測量的一張光譜，可以同時得到10種分析數(shù)據(jù)。
　　在定標過程中，標準樣本數(shù)量的多少，直接影響分析結果的準確性。數(shù)量太少，不足以反映被測樣本群體常態(tài)分布規(guī)律，數(shù)據(jù)太多，工作量太大。另外在選擇化學分析的樣本時，不僅要考慮樣品成分含量和梯度，同時要考慮樣本的物理、化學、生長地域、品種、生長條件及植物學特性，以提高定標效果。使定標曲線具有廣泛的應用范圍，對變異范圍比較大的樣本可以根據(jù)特定的篩選原則，進行多個定標，以提高定標效果及檢驗的準確性。一般來講，單類純樣本由于樣本性質(zhì)穩(wěn)定，含化學信息量相對少，因此定標相對容易，如玉米、小麥、大豆等純樣。混合樣本樣品信息復雜，在本譜區(qū)會引起多種基團譜峰的重疊，信息解析困難、定標困難，如畜牧生產(chǎn)中的各種全價飼料、配合飼料、濃縮飼料等。

通信詞典解釋