现代近红外光谱分析技术及其应用

综述

现代近红外光谱分析技术及其应用

冯放

（东北农业大学理学院生物物理系　黑龙江　哈尔滨　１５００３０）

摘要

本文简述了现代近红外光谱分析技术的发展历史、主要技术特点、工作原理及其仪器的分类，介绍了这一

分析技术定性和定量的应用过程，同时对它在食品工业、农业、化工、纺织、化妆品及药品分析中的应用也进行了简单介绍。

关键词近红外光谱，分析，应用

现代近红外光谱（Ｎｅａｒ　Ｉｎｆｒａｒｅｄ，ＮＩＲ）分析技术是一门发展迅猛的高新技术，在分析化学领域里被誉为分析“巨人”，这个“巨人”的出现掀起了一场分析技术革命。使用传统的分析方法测定一个样品的多种性质或浓度数据需要多种分析仪器，耗费大量人力、物力和时间，因此成本高，工作效率低，远不能适应现代工业的需要；与传统分析技术相比，ＮＩＲ分析技术能在几十秒甚至几秒内，仅通过对样品的一次ＮＩＲ简单测量，就能同时测定一个样品的几种甚至几十种物质或浓度数据，而且被测样品用量很少，无破坏，无污染。

近红外光谱分析技术是近二十年来发展最快、最引人注目的光谱分析技术之一，在食品工业、农业、化工、纺织、化妆品工业等多个领域都取得了广泛和成功的应用，创造了突出的社会效益和经济效益。

行了解释，预示着近红外光谱有可能作为分析技术的一种手段得到应用。由于缺乏仪器基础，５０年代以前，近红外光谱的研究只限于为数不多的几个实验室中，且没有得到实际应用。

１９０５年，Ｃｏｂｌｅｎｔｚ发表了一系列论文和他用自己设计的光谱仪记录的几百种化合物在１￣１５ｐｍ波长范围内的光谱。Ｃｏｂｌｅｎｔｚ发现没有两种化合物具有相同的光谱，即是同分异构体，同时很多官能团在光谱中有特征表现。１９１２年，Ｆ　Ｅ　Ｆｏｗｌｅ用近红外测定空气湿度，这是ＮＩＲ的第一次定量测量；１９３８年，Ｅｌｌｉｓ和Ｂａｔｈ用ＮＩＲ测定凝胶中的水含量。２０世纪４０年代，Ｂａｒｒｈｅ和Ｈａｒｐ发表了一些植物油的ＮＩＲ光谱；英国化学工业公司（ＩＣＩ）的Ｈａｒｒｙ　Ｗｉｌｌｉ，用ＮＩＲ测量聚合物薄膜的厚度。到１９７０年，公开发表的有关ＮＩＲ研究的论文只有大约５０篇［１，２］。

５０年代中后期，随着简易型近红外光谱仪的出现及人们在近红外光谱反射技术上所做的大量研究，直到１９６５年美国Ｎｏｒｒｉｓ博士运用了多波长多元线性回归的方法提出了相对ＮＩＲ定量分析技术，使得近红外光谱分析进入一个新的发展阶段，使近红外成为实际分析技术。但是，进入６０年代中后期，随着（中）红外光谱技术的发展及其在化合物结构表征中所起到的巨大作用，使人们淡漠了近红外光谱技术的发展及其在分析测试中的应用。在此后约２０年的时间里，除在农副产品领域的传统应用之外，近红外光谱分析技术几乎处于徘徊不前的状态，以至于被人们称为光谱技术中的沉睡者。

进入８０年代，近红外光谱技术才真正为人们所注意，由于高强度光源、低散射光栅、固态高灵敏

１近红外光谱分析技术的发展历史

近红外光谱是介于可见光（ＶＩＳ）和中红外光（ＭＩＲ或ＩＲ）之间的电磁波，美国材料检测协会（ＡＳＴＭ）将近红外光谱区定义为波长７８０～２５２６ｎｍ的光谱区（波数为１２８２０～３９５９ｃｍ－１），最初于１８００年被英国物理学家赫谢耳（Ｗｉｌｌｉａｍ　Ｆ　Ｈｅｒｓｈｅｌ）发现，是人们最早发现的非可见光区域。１８３５年Ａｍｐｅｒｅ利用新发明的热电偶证明了ＮＩＲ具有同可见光一样的光学性质。１８８１年，Ａｂｎｅｙ和Ｆｅｓｔｉｎｇ利用摄影底片记录了１￣１．　２μｍ有机液体的光谱。

２０世纪初，人们采用摄谱的方法首次获得了有机化合物的近红外光谱，并对有关基团的光谱特征进

作者介绍：冯放（１９７９．１０－）女　汉族，黑龙江哈尔滨人，主要从事生物物理及应用方面的工作通讯地址：东北农业大学；　Ｅｍａｉｌ：　ｆｅｎｇｆａｎｇｎｅａｕ＠ｓｉｎａ．ｃｏｍ

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探测器，尤其是计算机硬件和软件技术的发展，为近红外光谱仪的开发和实用提供了必需的基础；化学计量学理论的发展更为复杂光谱信息提取、分离、多成分多参数同时分析提供了可能，从而使近红外光谱分析技术达到实用化阶段，使近红外光谱分析技术迅速得到推广，成为一门独立的分析技术。

我国对近红外光谱分析技术的研究及应用起步比较晚，先后在２０世纪７０、８０年代掀起两次引进热潮，但主要由于缺少近红外的理论基础以及相应的数学模型和优秀的软件，以致这两次引进高潮中的绝大多数引进仪器没有发挥应有的效果，两次热潮都以失败而告终。从９０年代中期到现在，在国内又掀起一股近红外热潮，此次近红外分析技术热潮使国内诸多行业在近红外仪器的研制、软件开发、基础研究和应用等方面都取得了可喜的成果。

２．６

测定重现性好

光谱测定有很好的重现性，测试结果受人为干

扰少，与常规的化学方法相比，近红外光谱分析一般可显示出更好的重现性和精确性。

２．７不适应于痕量分析及分散性样品的分析

建立近红外光谱方法之前，必须投入一定的人力、物力和财力才能得到一个准确的校正模型。因此，对于经常的质量控制是十分经济且快速的，但由于偶然做一二次的分析或分散性样品则不太适用［３￣６］。

３近红外光谱分析技术的工作原理

２近红外光谱分析技术的特点

与传统的化学分析方法相比，近红外光谱技术有其独特之处，其主要技术特点是：２．１多组分同时测定

通过一次全光谱扫描，即可获得样品中各种化学成分的光谱信息，再由相应的数学模型计算，就可得到样品多种化学成分的含量。２．２样品不需预处理

近红外区内光散色效应大，且穿透深度大，使得近红外光谱技术可以用漫反射技术对样品进行直接测定。

２．３分析具有非破坏性

近红外光谱分析中只是取得样品的光谱信号，因此不需要其他试剂，在测定光谱时不破坏或消耗样品，对样品的外观和内在结构都不产生影响。该特点在生物学研究中对采样技术、试验设计有特别意义。２．４分析速度快

由于扫描速度快，可在很短时间内获得一个样品的全光谱图，扫描时间的长短可根据试验的需要自行设定，平均光谱扫描时间为１～６０ｓ，将采集到的光谱输入建立好的数学模型就可迅速测定出样品的某种成分浓度。

２．５远距离测定和实时分析

具有远距离采集样品光谱和实时分析能力，特别适用于在线分析。利用光导纤维技术远离主机取样，将光谱信号实时传送回主机，可直接计算出样品成分的即时含量或确定样品的性质。１０

近红外光是一种电磁波，具有光的属性，即同时具有“波”及“粒”的二重性，对光的能量可以用光子表示为：

Ｅ＝ｈｖ

其中，ｈ为普兰克常数，ｖ为光的频率。近红外的光子能量也可以使用上述公式定量描述。从光源发出的红外光照射到由一种或多种分子组成的物质上，如果分子振动或转动状态变化或者分子振动或转动状态在不同能级间的跃迁，等于近红外光谱区域某波长处光子的能量，则产生近红外光谱吸收。

分子的能量跃迁包括基频跃迁（对应于分子振动状态在相邻振动能级之间的跃迁）、倍频跃迁（对应于分子振动状态在相隔一个或几个振动能级之间的跃迁）和合频跃迁（对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁）。

ＮＩＲ光谱信息来源于分子内部振动的倍频与合频，并且主要反映分子中Ｃ－Ｈ，Ｎ－Ｈ与Ｏ－Ｈ基团的倍频和合频振动吸收，因此，ＮＩＲ光谱法常被用来测定含有这些基团的有机物含量。

ＮＩＲ光谱与紫外、可见和中红外光谱的比较示于表一中。

ＮＩＲ波段具有如下特征：信号频率比中红外区高，介于中红外区和可见光区之间，且类似于可见光，信号易获取与处理；ＮＩＲ光谱信息类似于振动光谱的中红外区，信息量丰富，包含大量含氢基团的结构信息，同一基团常在ＮＩＲ谱区的多个位置具有吸收；ＮＩＲ信息强度比中红外区低，谱峰宽，吸收弱，光谱容易变动，背景复杂，吸收峰重叠。

ＮＩＲ光谱的常规分析技术分透射和反射光谱两类。透射光谱一般用于均匀透明的真溶液或固体样

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表１　各电磁波谱比较

光谱范围紫外可见光近红外中红外

波数，ｃｍ－１

３２０００１６０００１００００２０００

波长，ｎｍ１９０￣３６０３６０￣７８０７８０￣２５００２５００￣４００００

光谱特征

离域π电子跃迁，如芳环特征等电子跃迁，如颜色的测量分子振动基频的倍频和合频的谱带基频分子振动，伸缩，弯曲，摇摆和剪切

射测定型，样品中含有光散射物质，光在穿透分析样品时，除了吸收外还有多次散射；反射测定型，近红外光照射到样品表面后，由于样品表面的状态和结构的不同，光线发生不同的多次反射。

根据用途可以分为两种类型：通用型和专用型。通用型仪器常常可以作为获得标准光谱图的仪器来使用，主要用于实验室和大型企业，对用户的科技水平要求较高。专用型是就某个专用方面专门开发的专用仪器，例如测牛奶的组成成分。

通用型以美国Ｐｅｒｋｉｎ　Ｅｌｍｅｒ和德国Ｂｒｕｋｅｒ的近红外光谱仪器为代表，性能非常好，处于世界领先地位，对用户的操作水平要求较高。专用型以丹麦ＦＯＳＳ公司生产的近红外光谱仪器为代表［７，８］。

品，仪器测量得到的吸光度与光程及样品的浓度之间遵守比尔－朗伯定律；而ＮＩＲ漫反射光谱分析一般用于固体和半固体样品。

物体对光的反射又分为规则反射（镜面反射）与漫反射。规则反射指光在物体表面按入射角等于反射角的反射定律发生的反射；漫反射是光投射到物体后（常是粉末或其它颗粒物体），在物体表面或内部发生方向不确定的反射，应用漫反射光进行的分析称为漫反射光谱法。此外，还有把透射分析和漫反射分析结合在一起的综合漫反射分析法和衰减全反射分析法等。

漫反射光谱与常规反射光谱存在根本区别，后者的光线不与样品内部发生作用，故不带有分析样品的组成信息。漫反射光是光源出来的光线进入样品内部，经过多次反射、折射、衍射及吸收后返回样品表面的光。因此，漫反射光是分析光与样品内部分子发生作用的光，负载了样品的结构和组成信息。在漫反射过程中，样品与光的作用有多种形式，除样品组成外，其粒径大小、分布及形状均对漫反射光强度有一定影响。因此，漫反射过程不遵守比尔－朗伯定律。但若漫反射光的散射系数（表示由于样品对光的散射，反映光在样品中经过单位光程后的衰减程度）不变时，漫反射吸光度与样品浓度在一定条件下遵守比尔－朗伯定律。但实际上，因样品粒径大小、粒径分布与形状等多种因素的影响，样品的散射系数并不完全恒定，由此导致在固体体系中ＮＩＲ漫反射吸光度与样品浓度间常呈现较强的非线性特征。

５近红外光谱分析技术的应用过程

应用ＮＩＲ光谱进行检测的技术关键就是在化学成分和光谱吸收之间建立一种定量的函数关系，依靠这种关系，就能从未知样品的ＮＩＲ光谱中求出样品的成分和含量，然后应用建立的数学模型预测其品质。

建立数学模型常用的数学方法包括多元线性回归（ＭＬＲ），主成分分析（ＰＣＡ），偏最小二乘法（ＰＬＳ），人工神经网络（ＡＮＮ）和拓扑（Ｔｏｐｏｌｇｉｃａｌ）方法等。５．１定性分析方法

近红外光谱技术的定性分析是依据同类样品在不同波长下具有相同的光谱，借助多元分析方法，使各种样品能够进行聚类识别，结合某一类定量模型，进而对化合物的各参数做出判断。５．２定量分析方法

近红外光谱定量分析步骤如下：（１）选取一组具有代表性的，已知化学测定值的样品作为校准集，测量出其近红外光谱，建立化学测定值和近红外光谱之间的定量数学模型（校准模型）；（２）取另一组己知化学测定值的样品作为预测集，扫描出其近红外光谱，将光谱值代入校准方程，得到样品的预测值，用预测值和化学测定值的相关系数和相对标准偏差来衡量所建立的模型的可靠程度；（３）若所建的校准方程稳定

１１

４近红外光谱分析仪器的分类

根据分光系统：固定波长滤光片型、光栅色散

型、快速傅立叶变换型和声光可调滤光器（ＡＯＴＦ）型。光栅色散型仪器根据使用检测器的差异又分为扫描式和固定光路两种。

根据近红外光谱的发生机理（即测试方法），主要分为三种类型：透射测定型，漫透射测定型和反射测定型。透射测定型，用于透明样品的分析；漫透

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可靠，即可用此模型来对未知样品进行测定［３］。近红外分析技术的定性与定量分析不同之处在于定量分析必须测定训练集的相应基础数据，精度取决于参考方法本身的精度；定性分析依据主要是光谱图谱本身，因为光谱反映了真实的样品组成和结构信息，相同或近似的样品有着相同或接近的光谱［９］。

熟度，了解食品的安全性；通过检测水分含量的变化来控制烤制食品的质量［１０］；检测苹果、葡萄、

梨、草莓等果汁加工过程中可溶性和总固形物的含量变化［１１］，例如Ｔｗｏｍｅｙ　Ｍ等人采用近红外光谱法检测了来自巴西和以色列的橙汁样品中的６５种可靠成分的杂质［１２］；在啤酒生产线上，监测发酵过程中酒精及糖分含量变化；在肉类方面，Ｍ．ＰＲＥＶＯＬＮＩＫ等人综述了公开发表的对于预测不同肉类特性的近红外光谱研究，在这些研究中，近红外光谱表现出了代替昂贵和费时的化学方法来分析肉类成分的巨大潜力，而且它在对肉类进行质量分析方面也很有前景［１３］。６．２

农业

近红外光谱最早成功的用于农产品的品质分析，

６

６．１

近红外光谱分析技术的应用

食品工业

ＮＩＲ技术不仅作为常规方法用于食品的品质分

析，而且已用于食品加工过程中组成变化的监控和动力学行为的研究，如用ＮＩＲ评价微型磨面机在磨面过程中化学成分的变化；在奶酪加工过程中优化采样时间，研究不同来源的奶酪的化学及物理动力学行为；通过测定颜色变化来确定农产品的新鲜度、成

进而扩展到污染物的测定［１７］，烟草、咖啡的分类［１８］、农产品产地来源鉴别，还用于检测可耕土壤的物理和

表２　ＮＩＲ在食品检测上的应用实例

样品名称

乳制品

肉类、鱼类、蛋类红酒白酒啤酒饮料咖啡

面包、饼干食用油、酱油转基因食ＮＩＲ定性分析和定量分析

蛋白质、乳糖、脂肪、乳酸、灰分、固形物、水分、酪蛋白［１４］蛋白质、脂肪、含水量、盐分、热量、氨基酸、脂肪酸、纤维素乙醇、含糖量、有机酸、含氮量、ｐＨ值以及真伪鉴别原料中的水分、淀粉、支链淀粉、ｐＨ值、残糖

大麦原料中的水分、麦芽糖、啤酒中的乙醇和麦芽糖［１５］

咖啡因、葡萄糖、果糖、蔗糖、酸度、有机酸、真伪鉴别［１２］咖啡因、绿原酸、水分、产地鉴别、品质分级蛋白质、脂肪、水分、淀粉、面筋值

碘价、酸值、黄色素、红色素、黏度、盐、氮、酒精、乳酸、谷氨酸品监测蛋白或ＤＮＡ　的变化、标记基因的转变［１６］

表３　ＮＩＲ在农业上应用的具体实例

样品名称

小麦、水稻、玉米、大豆、油菜籽、大麦、菜豆烟草

剂、产地鉴别、登记分类茶叶水果、蔬菜饲料储藏面粉混合肥料土壤

动、植物组织细胞１２

ＮＩＲ定性分析和定量分析

蛋白质、含油量、淀粉、水分、各种氨基酸、纤维素、作物产地、季节鉴别、品质分级

总氮、水分、尼古丁、烟碱、总糖、还原糖、灰分、香料、保湿总氮、游离氨基酸、水分、茶多酚、咖啡碱、品质分级

酸度、含糖量、维生素、水分、纤维素、可溶性固形物、品质分级、良种选育

干物质、粗蛋白、粗纤维、灰分、消化能、代谢能、氨基酸、植酸磷、品质控制昆虫片断

氮、磷、钾、钠、钙、有机质

组成、有机质、灰分、氮、磷、钾、燃油污染程度、腐殖质香油精、天然燃料、气味、香料、生物碱、纤维、品种分类、良种选育生命科学仪器　　２００７　第５卷／　１０月刊

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化学变化［１９］，光导纤维探头的出现，ＮＩＲ技术可直接用于粮食或水果传送带上进行产品分捡［２０］。６．３化工、纺织、化妆品及药品分析

由于光学、计算机科学技术、化学光度理论方法等各种科学技术的不断发展，近红外光谱技术的研究内容增多，其应用从农产品的实用技能扩展到其它许多领域。如石油化工、高分子化工和基本有机化工、纺织工业和制药工业等领域［４，７，２１￣２３］。欧洲药典使用的用于定性纤维素醚的浸润化学方法既费时又昂贵，而近红外光谱加快了赋形剂的定性时间，即使对于不同生产商或不同物理特性的大量样品来说，近红外光谱都能很快地检测出纤维素醚［２４］。

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Ｔｗｏｍｅｙ　ｍ；　Ｄｏｗｎｅｙ　ｇ；　Ｍｃｎｕｌｔｙ　ＰＢ．　Ｔｈｅ　Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ　ｏｆ　ＮＩＲＳｐｅｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ａｄｕｌｔｅｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｏｒａｎｇｅ　Ｊｕｉｃｅ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　ｔｈｅ　Ｓｃｉｅｎｃｅ　ｏｆ　Ｆｏｏｄ　ａｎｄ　Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒｅ，　１９９５，６７（１）：７７￣８４［１３］

Ｍ．　ＰＲＥＶＯＬＮＩＫ；　Ｍ．　ＣＡＮＤＥＫ－ＰＯＴＯＫＡＲ；　Ｄ．　ＳＫＯＤＪＡＮＣ．Ａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＮＩＲ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ　ｔｏ　Ｐｒｅｄｉｃｔ　Ｍｅａｔ　Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｃｏｍｐｏｓｉ－ｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｑｕａｌｉｔｙ－ａ　ｒｅｖｉｅｗ　［Ｊ］．　Ｃｚｅｃｈ　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ａｎｉｍａｌ　Ｓｃｉｅｎｃｅ，２００４ｍ，４９（１１）：５００￣５１０［１４］［１５］［１６］［１７］［１８］［１９］［２０］［２１］［２２］［２３］［２４］

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Ｋｒａｍｅｒ　Ｋ；　Ｅｂｅｌ　ｓ．　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＮＩＲ　Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ　Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙｆｏｒ　ｔｈｅ　Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｐｈａｒｍａｃｅｕｔｉｃａｌ　Ｅｘｃｉｐｉｅｎｔｓ［Ｊ］．ＡｎａｌｙｔｉｃａｌＣｈｉｍｉｃａ　Ａｃｔａ，　２０００，４２０（２）：１５５￣１６１

７展望

由于近红外光谱技术具有速度快、操作方便、简单及可以同时对多种成分检测、无污染、、无损伤等诸多优点，所以具有广阔的发展前景，目前正在受到越来越多的关注。伴随着计算机技术的飞速发展和软件的快速更新，近红外光谱技术的测定精度将会有很大提高，其应用领域也将会逐渐渗透到港口检验、产品质量控制、原料在线分析以及粮食收购等许多行业，并且发挥越来越重要的作用。

与光纤技术相结合是近红外光谱技术应用的一个重大革命性转变。光纤技术具有长距离传输、对电磁干扰不敏感等诸多优点，而且通过特定的光纤探头，可以方便的进行无损定位分析甚至可以实现体内分析。光纤在通讯领域的应用引起了通讯技术的革命。光纤技术在光谱领域的应用将使光谱仪器从实验室走向现场，并且对困难或者危险，如有毒、充满易燃、易爆样品环境的在线采样分析成为可能。

网络技术是近几年发展最快的一项技术领域，近红外光谱技术与网络技术相结合，将大大提高近红外测试技术的测试效率和应用范围，不仅为该项的远程在线分析提供了方便，而且还可以实现异地定标、异地检测及资料共享，为在一个大的区域内相互交流架起了桥梁。

近红外光谱分析仪器的研发和推广已经成为近年来光谱技术和应用领域的最为热门的一个方向。在国外它已经日趋成熟，在我们国家虽然起步晚，但是在科研院所广泛研究，特别是部分国内仪器厂商真正投入研制以后，我们在这一领域已经有了长足的进步，积累了较为丰富的经验。所以我们有理由相信，近红外光谱分析仪器必将在我国蓬勃发展起来。

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