近红外光谱仪器的研究与进展

近红外光谱技术(Near Infrared Spectroscopy Technology，NIST)是指一种利用物质对光的吸收、散射、反射和透射等特性来确定其成分含量的一种无损检测技术，具有快速、非破坏性、无试剂分析且安全、高效，能够同时测定多种组分等优势。应用近红外光谱技术进行检测分析，是近年来研究的热点。

在研制近红外光谱仪的过程中，如何提高信噪比、波长准确性、稳定性等，是设备研发的重点。首先，就提高信噪比而言，研究人员和用户常常将其放在特别突出的位置。那么，信噪比是什么？又为何如此重要呢？信噪比，又称讯噪比，指的是仪器中信号与噪声的比例。对近红外光谱分析来说，由于仪器本身是基于吸收物含量变化引起光谱吸光度的微小浮动来进行检测分析的，信噪比在其中起着举足轻重的作用。举例来说，食物中的蛋白质，当含量变化小于1%时，在最强的吸收波长处，吸光度只变化0.002。而分析复杂样品时，往往要对光谱数据进行各种数学处理，就需要在高吸光度的水平下做运算，这时仪器信噪比的重要性也就凸显出来了。吸光度重复性对近红外检测来说是一个至关重要的指标，它直接影响模型建立的质量和测量的准确性，普遍要求吸光度重复性优于0.0004A。因此，为了有效的提高产品的信噪比，一般会从接收器、适当增大光谱宽带和采用单位面积发光效率更高的钨灯光源三个方面入手。

此外，波长准确性和重复性也是近红外光谱仪研究的重点。为了保证仪器间校正模型的有效传递，通常要求在长波近红外范围的波长准确性应优于1.0nm，在短波近红外范围的准确性应高于0.5nm。实现高波长重复性跟扫描速度也有一定关联，近红外的扫描速度还要大于紫外可见光度计扫描速度几十倍以上。要想切实有效的提高波长准确性和重复性，可以从解决光栅的精准定位、注意不同材料之间的热膨胀系数等方面入手。

稳定性对所有分析仪器都不可或缺，近红外光谱仪自然也不例外。目前近红外光谱基本都是单光束类型，光源的波动，接收器温度的漂移均直接体现在光谱数据上。而双光束的光学设计将有效消除光源、接收器等器件产生的漂移，大幅度提高仪器的长期稳定性。

在测样附件的要求上，针对不同的测量对象，相同形势的测样附件设计也不尽相同。如用于漫反射光谱采集的附件有积分球、光杆探头等。在吸光度上，对于同一台近红外光谱仪而言，波长准确性和吸光度准确性的保证有利于建立优秀的校正模型。影响吸光度线性范围的仪器因素主要是检测器，此外，噪声和杂散光也有一定的影响。最后，由于检测环境一般都是现场环境，而非实验室，仪器需要一定的防护等级，关键部件要密封且具有防灰尘、耐高温等要求。

近红外光谱技术能够用于多种形态样本的测量，除气体、液体外，还有固体、半固体，这是这种特性使其具有了超越传统检测技术的优势，并在很大程度上节约了检测成本，节省了试验时间。与此同时我们不能忽略的是，尽管近红外光谱技术近年来发展势头迅猛，但也存在信噪比低、痕量分析不适用等缺陷。要想实现近红外光谱技术的进一步发展，还需要科研人员勠力同心，共同进步。