近红外光谱工作原理

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 。近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息 ,它常常受含氢基团 X —H 的倍频和合频的重叠主导 ,所以在近红外光谱范围内 ,测量的主要是含氢基团 X —H 振动的倍频和合频吸收。获得近红外光谱主要应用两种技术 :透射光谱技术和反射光谱技术。透射光谱(波长一般在 700～1100nm 范围内) 是指将待测样品置于光源与检测器之间 ,检测器所检测的光是透射光或与样品分子相互作用后的光 。若样品是混浊的 ,样品中有能对光产生散射的颗粒物质 ,光在样品中经过的路程是不确定的 ,透射光强度与样品浓度之间的关系不符合 Beer 定律。对这种样品应使用漫透射分析法。反射光谱   是指将检测器和光源置于样品的同一侧 ,检测器所检测的是样品以各种方式反射回来的光。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 ,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。

由于倍频和合频跃迁几率低 ,而有机物质在 NIR 光谱区为倍频与合频吸收 ,所以消光系数弱 ,谱带重叠严重。因此从近红外光谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息 ,需要充分利用现有的光机技术、电子技术和计算机技术进行处理。计算机技术主要包括光谱数据处理和数据关联技术。光谱数据处理是消除仪器因素 ,环境因素   和样品物态等对光谱的影响。常采用的方法有平滑、微分、基线漂移扣减、多元散射校正 和有限脉冲响应滤波等 ,也可以用小波变换来进行部分处理。数据关联技术主要是化学计量学方法。化学计量学的发展使多组分分析中多元信息处理理论和技术日益成熟 ,解决了近红外光谱区重叠的问题。

通过关联技术可以实现近红外光谱的快速分析。在近红外光谱的应用中我们所关心的是被测样品的组成或各种物化性质 ,因此 ,如何提取这些有用信息是近红外光谱分析的技术核心。现在的许多研究与应用表明 ,利用化学计量学方法进行近红外光谱分析是非常有效的。化学计量学理论在近红外光谱仪器中的应用对仪器的实用化是非常关键的。