近红外光谱分析基础与应用

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。