近紅外光譜分析原理

1、精選近紅外光（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7802526nm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（7801100nm）和近紅外長波（11002526nm）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取光譜，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，具有較強的穿透力量。近紅外光主要是對含氫基團（、）振動的倍頻和合頻吸取，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

2、和同一基團在不同物理化學環(huán)境中對近紅外光的吸取波長都有明顯差別，且吸取系數(shù)小，發(fā)熱少，因此近紅外光譜可作為獵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取。因此，選用連續(xù)轉(zhuǎn)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取，通過試樣后的近紅外光線在某些波長范圍內(nèi)會變?nèi)?，透射出來的紅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

3、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，假如樣品的組成相同，則其光譜也相同，反之亦然。假如我們建立了光譜與待測參

4、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猜測兩個過程： （1）在校正過程中，收集肯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，依據(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

5、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。明顯，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）在猜測過程中，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(zhuǎn)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