【分享】12月第四周主打——近红外光谱

近红外光谱 - 发展史
近红外光谱区是 Herschel 在 1800 年进行太阳光谱可见区红外部分能量测量中发现的，为了纪念 Herschel 的历史性发现人们将近红外谱区中介于 780～1100nm 的波段称为Herschel 谱区。

红外光谱分析技术作为一种有效的分析手段在二十世纪三十年代就得到了认可，当时红外仪器主要用于分子结构理论的研究。近红外区的光谱吸收带是有机物质中能量较高的化学键（主要是 CH、OH、NH）在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频和差频吸收带叠加而成的。由于近红外谱区光谱的严重重叠性和不连续性，物质近红外光谱中的与成份含量相关的信息很难直接提取出来并给予合理的光谱解析。而有机物在中红外谱区的吸收带较多、谱带窄、吸收强度大及有显著的特征吸收性，传统的光谱学家和化学分析家习惯于在中红外基频吸收波段进行光谱解析，所以近红外谱区在很长一段时间内是被人忽视和遗忘的谱区。

随着红外仪器技术的发展，更加稳定的电源、信号放大器、更灵敏的光子探测器、微型计算机等的发展使得近红外光谱区作为一段独立的且有独特信息特征的谱区得到了重视和发展。Karl Norris 作为近红外光谱分析技术发展的奠基人，于二十世纪五十年代在美国农业部的支持下开始进行近红外光谱分析技术用于农产品（包括谷物、饲料、水果、蔬菜等）成份快速定量检测的探讨研究。Norris 的早期工作主要是探求合理的近红外光谱分析方法用于研究物质在近红外光照射下所体现出的光谱吸收特性和散射特性，他首先提出了多元线性回归（MLR）算法在物质成份近红外光谱定标模型建立和光谱信息提取解析方面所体现出的优势，这为后来系统的近红外光谱技术理论体系的形成起到了很重要的作用。二十世纪六十年代，Norris 领导的课题组进行了大量的光谱学方法论证，其中包括可见和近红外波段透射、反射及透反射等测量方法比较，在这一阶段的工作中最大的成果莫过于得到了植物叶子和谷物的反射吸收光谱，这为近红外光谱技术的发展提供了更大的优势和方便。与此同时，Norris 研制出世界上第一台近红外扫描光谱仪，这台光谱仪是在 Cary 14 单色仪的基础上改进得到的，拥有与微型计算机进行数据传输的功能，也就是在这台扫描光谱仪上，多元线性回归分析方法在提取与成份相关的光谱信息方面的优势得到了演示，这台仪器就成为了后来近红外光谱分析仪器发展的雏形。

谷物水份近红外分析仪的研制成功及大范围的推广使用是近红外分析技术发展的一个里程碑。水份在任何生物中都存在且有较大的比重，而且水份的近红外吸收光谱有很强的特征性、吸收强度很高，其倍频、合频吸收带相互分离、光谱分辨率高，所以近红外水份分析仪的分析性能较为稳定且精度很高，在近红外光谱分析仪器家族中最早得到了农业和工业界的认可。但是事物总有两面性，水份中 OH 的强吸收特征对于物质中其它成份的光谱分析及含量测定则形成了很强的干扰，如何排除水份吸收对各成份及其它各成份之间的相互干扰就成为近红外光谱分析技术中的一个关键问题被提了出来，相关光谱定标分析方法的提出有效地解决了这一问题。Shenk 、Hoove、McClure、Hamid在 Norris的领导下在七十年代设计完成了可以用于草料和烟草成份定量分析的近红外光谱分析仪器。

基于前人所总结的近红外光谱分析技术经验积累以及仪器研制技术的成熟，多家公司（如 Dickie-John、Bran Leubbe、Technicon）加入了近红外分析仪器商业化的队伍，其中Dickie-John 公司生产了世界上第一台商用滤光片型近红外光谱仪，Bran Leubbe 生产了世界上第一台商用光栅扫描型近红外光谱仪，在整个农业领域的各个应用方面进行近红外分析技术的推广使用，使得该技术在农业应用领域进入了成熟期。近红外仪器技术和定标技术的发展过程中，诸多的疑难问题被一一解决，其中包括仪器自身的工作稳定性、待测样品的物理及化学特征对定标模型的影响、样品制备影响、环境因素（如温度、湿度、环境光照、振动等）等，这些问题通过大量的实验和应用讨论已经得到了比较满意的解释。

在二十世纪八十年代前，虽然近红外分析仪器采用多元线性回归技术建立定标模型在农业应用领域得到了较为满意的结果，但是多回归变量如何能够在特定的组合下完成待测成分近红外光谱吸光度数据与参考化学数据之间的相关计算、各个光谱变量与待测成分之间有如何的特征关系、样品颗粒度及散射影响所导致的不稳定性等问题仍是急需得到合理解释的。长期以来，虽然近红外分析仪器的分析性能已经在农业领域得到了认可，对于研究者和用户双方都把近红外分析技术作为一个较为成型的“黑匣子”技术。直到多元统计变量方法（化学计量学）在八十年代得到了发展并将该方法引入到近红外光谱解析及定标技术中来，近红外分析技术才真正达到了定标理论与实践的统一，促进了该技术与化学计量学的并肩发展，所以八十年代被称为是“化学计量学的时代”。

在这一时期掀起了一个采用化学计量学用于数据预处理以实现近红外光谱解析和定标模型优化的高潮，其主要针对问题是样品颗粒度、装填密度等因素所导致的散射问题。Ian Cowe和 Jim McNicol首先将主成份回归分析方法用于近红外光谱的数据降维压缩处理以实现定标模型稳定，通过对回归主因子的优选达到了排除非测量因素（如颗粒度尺寸及分布）和非线性因素影响的目的，达到了很好的效果。同时令他们惊奇的是，稳定的定标模型所采用的主因子与待测成份的主要近红外光谱吸收带有很强的对应关系，对定标模型合理性可以给出满意的解释。

Kawalski 和他的研究生们则首先将偏最小二乘回归技术应用于光谱学技术中来，但直到最近几年该技术才在近红外分析技术中得到应用和推广。经过理论与实践的并行发展，化学计量学现在已经形成较为完整的体系，其中主要分为定性和定量分析两个模块，H.Mark 等对其进行了较为详细地论述。化学计量学这一时期在近红外领域的应用和探讨可以主要集中在以下几个方面：

1） 非线性回归定标方法如人工神经网络、局部权重回归等用于多变量非线性定标模型的探讨。
2） 最优定标样品集的选定方法。
3） 基于小波变换数据压缩技术的大定标样品集探讨。
4） 偏最小二乘回归和其它因子回归方法在最佳因子数选取原则比较的探讨。
5） 定标波长通道的优选问题。
6） 同类型仪器的定标模型转移问题。

伴随着化学计量学技术在近红外光谱分析领域的不断发展，研究人员可以更加准确地掌握了近红外光谱吸光度信息与物质化学成分信息之间的线性相关性，虽然化学计量学方法本身的改进并没有在定量分析结果准确性方面有多大的改善。

近红外光谱分析仪器的性能随着光学技术、电子技术、硬件技术以及计算机和软件技术的不断进步也有了极大地改善，高信噪比的傅立叶变换型、光栅扫描型光谱分析仪研制成功并开始进入仪器市场，滤光片型近红外分析仪的研制则进入了成熟期并成为了近红外仪器中的主流产品。与此同时，近红外光谱分析技术在除农业以外的其他领域（如纺织业、化工业、制药业、造纸业等）也进入了实际应用阶段，尤其是在工业现场分析、在线质量监控等方面该技术显示了其独有的优势。进入九十年代，许多基于不同分光原理的新型近红外分析仪器如二极管列阵型、声光调制型、成像光谱型等出现了，这些仪器在快速现场实时测量方面有很好的发展潜力，是当代近红外光谱分析仪器发展的典型代表。

近红外光谱分析技术经过了近半个世纪的发展历程现已经成为新世纪里的最有应用前途的分析技术之一，许多国家现已建立了专门的科研力量进行相关应用领域仪器设备的研发，降低仪器成本且保持足够的分析性能成为当今近红外仪器研制的主导方向。欧洲的许多发达国家已经在多个领域内将该技术作为行业产品质量评定的标准技术，几乎完全替代了先前广泛使用的化学分析方法，在生产效率和产品质量方面得到了很好的效果。

中国在近红外光谱分析技术方面的研究起步较晚，八十年代后期长春光机与物理研究所承担了国家粮食局下达“八五”科技攻关项目，研制成功滤光片型饲料近红外分析仪，之后的十年里又相继开发出可以分析玉米、小麦、大豆等粮食作物的滤光片型近红外分析仪器，现阶段正在从事人参、人体血糖、煤炭、蜂蜜、茶叶等方面的研究和仪器开发工作。

与此同时，中国在石油化工领域开发出了光栅扫描型近红外分析仪用于石油成份的快速定量检测，取得了喜的成果。目前中国近红外光谱分析技术的研究也已经相对成熟，估计在未来几年内即可完成近红外分析仪器在各个领域的应用推广。

近红外光谱 - 物理机制
1 简谐振动模型

为了合理地解释光与物质相互作用产生光谱的物理机制，物理学家建立了多种理论模型如刚性转子、简谐振子（线性谐振子）、非刚性转子、非谐振子、转动模型及多原子分子振动及转动模型等，其中双原子分子线性简谐振动模型所给出的分子振动频率位于中红外波段区，刚性转子模型和转动模型一般是用来研究气态分子与光相互作用机理。下面就给出双原子分子线性谐振子振动模型分别在经典力学和量子力学表述下如何解释光与分子相互作用产生光谱的理论推导过程。

在经典力学中，对于这种两体问题一般在质心坐标系中将其简化为具有折合质量 μ 和相对位移 x 的单体问题，其运动方程可以写为：


近红外光谱

这是一个经典的电磁波表达式，其振动频率为：


近红外光谱

采用这个较为简单的振动频率公式可以解释许多红外区出现的光谱吸收特征。由牛顿第二定律得到此双原子弹性系统的能量转换表达式为：


近红外光谱

依据能量守恒定律，系统内的原子的动能与势能在发生相互转化，当双原子运动到最大振幅 x 处时系统的动能为零，势能表达式可以通过对上式两边积分得到：


近红外光谱
图1 给出了弹性系统的势能图。从图中可以看出，随着双原子分子振幅的连续变化势能的变化也是连续的。

图1 双原子分子弹性系统的势能图

但是在十九世纪末通过实验观察得到的数据显示能量并不是连续吸收的，这与以上经典的结论是难以吻合的，1900 年普朗克提出了光的量子理论合理地解释了这一实验现象。他指出能量与原子体系的相互作用是非连续的，能量的变化只能通过粒子在两个分立的能量状态之间的跃迁吸收或辐射来完成，这些能量状态是量子化的，每个能级的能量是确定的，能级之间的跃迁，只有在粒子与外界光能量作用或自发辐射的情况下才能发生电磁波的吸收与发射。普朗克进一步给出了系统辐射和吸收的电磁波的能量变化与频率之间的相互关系：


近红外光谱

式中 h 是普朗克常数。从式中可以看出，如果入射光的频率范围很宽，由于各能级之间的能量是确定的，只有特定频率的光辐射可以改变现有的能量状态而发生跃迁，但是这只是一种较为理想的实验模型，真正的分子能级是无限多的，如果没有跃迁选择定则的约束即使这样的简单模型所形成的吸收光谱也是极其复杂的。空间中的分子由于本身质心的自旋转动以及周期性偏离平衡位置的振动而产生许多能级，在红外波段的吸收主要是由于分子中不同的振动和转动能级之间的相互跃迁产生的。然而转动能级之间发生跃迁需要的能量相对于振动能级要小很多，由于光谱仪器探测的灵敏度限制，转动吸收带只有在气体的吸收光谱中才可以观察到，所以对于研究液体和固体的红外吸收带而言，只考虑分子的振动吸收模式。

2 非简谐振动模型

尽管线性谐振子的量子模型可以解释在红外区域中所观察到的由于分子的基本振动模式所产生的特征吸收带，但是实验发现在特征吸收带所对应的基频的二倍、三倍等频率位置出仍有较强的吸收带，这就表明把分子作为简谐振动模型只是一种较为粗略的近似，难以解释在近红外区所出现的倍频现象。这与基频吸收带所允许的跃迁定则是截然违背的。空间中分子由于其它分子以及自身的自旋影响，模型并不完全满足线性谐振子条件，原子之间的弹性振动并不遵循胡克定律，这就导致原子可以获得更大的跃迁几率而到达倍频位置，这也正是近红外光谱分析技术所依托的光谱机理。当分子中的双原子相互接近或远离而偏离平衡位置时，由于原子核间库仑力的作用分子系统的势能将以很快的速度增加，在较低频率处，非线性谐振子所给出的势能曲线与线性谐振子较为相近，而在较高频率处，势能增加到一定程度时非线性谐振子的势能曲线开始变得很平缓，依据能量守恒定律，势能增加的减少是由于分子体系中原子的振动能级发生了变化所导致的内能增加所致。

3 光与物质作用的物理特性

近红外光谱书籍
自然界中光每时每刻都在与物质发生相互作用并遵循特定的规律将特定频率的光子能量传递给物质，当光辐射入射到物质表面上时通常会存在三种能量转移形式：反射、吸收、透射。其中反射又可以分为漫反射和镜面反射，漫反射以体漫反射（Body reflectance）和表面漫反射两种形式出现。表面漫反射和镜面反射遵循相同的规律－反射定律，但表面漫反射又被称为是无规则反射平面的镜面反射。镜面反射和表面漫反射是光经过物质的表面时直接被反射的物理现象，光并没有与物质发生任何作用，所以没有携带任何与物质成份相关的信息，在近红外光谱分析仪器技术中当作杂散光，对仪器的信噪比和精确度有较大的影响，在仪器设计以及样品制备过程中都要求重点考虑如何最大程度地消除镜面反射的能量干扰。体漫反射是光能量透过物质表层与其微观结构发生相互作用后出射又进入其他微粒发生相互作用的现象，微观结构依据其化学键的不同运动模式与不同频率的光振动有选择性地发生耦合吸收，没有发生耦合吸收的光能量则被原子核通过多次反射后折出该物质表层，体反射出来的光信号与入射原始光信号之间的比值即反映了物质对不同频率光的选择吸收特性，即形成了测量物质的吸收光谱，反映了丰富的物质微观结构信息。吸收光谱数据是在光谱测量频率范围内得到的与每个频率对应的相对值，通过这些相对值的强度和位置可以通过光谱理论推导分子的结构。

吸光度数据是物质对近红外波段光辐射能量入射前后的比值（无量纲单位），它是通过近红外光谱分析仪器的能量采集系统（主要是探测器）来得到的，它的大小与待测物质成份的浓度成直接的线性关系，进而可以以近红外光辐射为信息载体测量其经过物质后在近红外测量波段的能量变化来测量物质成份的浓度。

对于以上所提出的严格满足朗伯－比尔定律的条件，在近红外技术中很难完全满足，这就导致了在近红外光谱测量中会引入很多干扰因素，使得近红外光谱吸光度数据与化学成分浓度数据之间的直接线性相关性降低。通过对物质大量的近红外光谱进行解析发现，严重影响线性关系的主要因素是待测物质物理特性（如颗粒度、装填密度、均匀性等）所导致的基线平移和非线性偏移现象。

近红外光辐射与物质相互作用后的吸收特性一般通过透射、漫反射两种形式体现。当近红外光能量经过样品后被探测器探测到时，能量的衰减量与物质中成份的浓度含量是满足式线性关系，这其中就充分考虑了光辐射在物质颗粒间散射影响所导致的平均光程增大效应。

近红外光谱 - 谱带的化学表征
1 分子振动模式

亚甲基的六种振动模式
为了计算多原子分子多种可能的振动模式，有必要引入自由度的概念来确定分子系统的振动模式数量。定义空间中的一个点需要三个自由度，n 个点则需要 3n 个自由度，其中确定整个分子的平面运动和旋转运动分别需要 3 个自由度，这样描述分子内部的原子振动则需要 3n-6 个自由度。在分子内沿着两原子之间化学键的移动为伸缩振动，可以分为对称振动和非对称振动，而原子间以相对于化学键有一定的角度的运动则称为弯曲振动，可以分为剪切运动、摆动、对称扭曲以及非对称扭曲运动，每一个振动模式在近红外光谱区都会产生倍频或合频吸收，吸收强度则取决于振动的非简谐性程度。含有最小原子核质量的氢原子的化学键在振动时的振幅最大，所以化学键所有的振动模式与线性谐振子振动模型的振动模式偏离较大，在近红外区所观察到的很多吸收带都是氢原子伸缩振动所产生的倍频以及伸缩振动和弯曲振动相互作用所产生的合频吸收。

2 光谱吸收带解析
自从 1954 年第一台商用近红外光谱分析仪问世以来，科研工作者积极地在各个领域中将该光谱技术进行推广使用，在这期间做了大量的实验来解析各种物质的成份在近红外区的吸收带，同时结合中红外物质成份特征吸收光谱分析工作的成果将实验观察得到的结果与理论计算得到的结果进行对比，可以较为准确地解析许多物质的近红外倍频和合频吸收光谱。