NIR
近红外光谱法
NIR 技术通常用于分析来料或直接用于生产过程。NIR 技术能够同时快速无损地确定各种参数。
什么是近红外光谱法？
近红外 (NIR) 光谱是基于样品内分子键对近红外辐射（800 nm 至 2500 nm）的响应。当近红外光与样品相互作用时，光会被吸收、散射或反射。这些样品与光相互作用而产生光谱，它直接表示样品的组成和物理特性。
吸收（峰）是指不同的功能组，具体取决于被吸收光的波数/波长/能量。例如，含有水分的产品的近红外光谱在约 1400 至 1500 nm（7100 至 6500 cm-1）和约 1900 至 2000 nm（5200 至 5000 cm-1）的范围内，显示 O-H 功能组。
图 1：某种样品类型的近红外光谱示例
图 2：不同功能组的吸收区域
■ 波段组合
■ 第一泛音
■ 第二泛音
■ 第三泛音
近红外光谱中的波峰很宽，而且往往重叠。从频谱中直接获得信息几乎是不可能的。相反，需要根据标准（湿化学）方法的参考数据进行标定。因此，NIR是一种所谓的二级方法，测量是基于化学计量学校准模型的预测。
虽然校准本身可能是资源密集型的，但常规分析非常快速且有效。NIR 方法非常易于使用，因此任何技能水平的操作员都能获得良好的测量结果。为加快 NIR 技术的实施，可以使用包含不同成分和来源的流形样品预校准应用。
近红外光谱可以测量哪些参数？
校准系统后，只要成分对近红外光谱有影响，就可以测量许多不同的参数。由于无机物质与 NIR 光的相互作用较低这一事实，NIR 分析主要针对有机物质。最常分析的参数列在表中，但还有乳糖、盐、麸质、酸、酒精等更多参数。
- 水分
- 蛋白质
- 脂肪（或油）
- 灰分
- 光纤
- 糖
关于食品应用，请参考免费的《食品分析冠军指南》。
如何建立 NIR 校准模型
与应用类型、定量分析或标识无关，需要向仪器《教授》矩阵和成分。
要建立定量校准，必须使用 NIR 仪器测量样品，然后用凯氏定氮法、脂肪提取法、干燥炉、HPLC、滴定等参考方法进行分析，然后根据 NIR 光谱和指定的参考值建立校准模型。由于每个矩阵（产品类型）会产生不同的频谱，每个矩阵和参数都需要一次校准。例如，奶酪中水分的校准无法用于确定面粉中的水分。
图 3：开发定量 NIR 校准的过程
Ⓐ 使用 NIR 仪器进行测量
Ⓑ 参考分析（例如，提取法）
Ⓒ 为光谱添加参考值
Ⓓ 开发或更新校准
图 4：显示预测值与参考值的 NIR 校准图
按照此程序，可以创建多种产品和参数的校准。一般而言，近红外光谱可用于测量百分比范围内的参数；在较低范围内的测定不太准确，甚至无法进行测定。区分具有相似化学结构的两个不同参数是很难的。
在进行原材料鉴定时，应创建所谓的集群校准。在此，记录不同产品的 NIR 光谱，然后将其分配给不同的物质。如果一种物质的光谱适合其中一个集群，它就被认为是这种物质。
图 5：在近红外光谱中如何进行集群校准
Ⓐ 使用 NIR 仪器进行测量
Ⓑ 参考分析（例如，HPLC）
Ⓒ 将物质分配到光谱中
Ⓓ 开发或更新校准
图 6：NIR 集群校准的二维投影示例
Ⓐ 纤维素
Ⓑ 二氧化硅
Ⓒ 葡萄糖
Ⓓ 淀粉
开发成功 NIR 校准模型的技巧
NIR 仪器测量的精度和精确度取决于校准模型，该模型本身又取决于校准样品的数量、校准样品的选择以及主要分析方法获得的参考值的质量。
NIR 校准模型开发中的系数
校准样品应能代表产品变量（如成分、粒径、供应商/批次差异、杂质、温度范围、季节等）的整体范围。
构建校准需要多少样本并不容易预测。样品应均匀分布在整个预期样品范围内；如果工作范围较大，则需要比工作范围较小时更多的样品来建立校准。样本量越大，样本覆盖的可变性越大，校准模型的鲁棒性就越强。
校准范围应大于工作范围，以提高工作范围限制下的性能。超出校准范围的预测仅仅是推断。
NIR、IR 和 Raman
所有这三种分析方法都能提供结构化指纹，并在几秒内提供测量结果。尽管如此，还是存在一些差异。
表 1：NIR、IR 和 Raman 光谱的优劣势
优点 | 局限性 | |
|---|---|---|
NIR | - 渗透样品的能力比中程 IR 强得多 - 测量更多异质样品的可能性（与 ATR-IR 形成对比） - 无需样品制备和稀释 - 无损方法 - 可以用极性键测量参数（O-H、N-H、S-H、C-O 等） - 简单的系统组件，包括作为光源的简单灯模块 | - 分辨率低于 IR 和 Raman - 如果通过容器/袋测量样品，也需要进行校准 - 难以测量无机物质或杂环化合物等非极性分子 |
IR | - 强吸收带（基本振动与泛音） - 吸收带分离良好 - 可用于通过吸收带的强度量化混合物中的单个成分 - 可用于根据光谱库识别物质 | - 不能用于含有大量水分的样品，因为水分的峰值可能与感兴趣的峰值重叠 - 更复杂的样品制备（如果不是 ATR-IR，这只是一种表面法） - 由玻璃石英或蓝宝石制成的廉价和易于取用的样品架和仪器组件（如光纤探头），由于其本身的吸收作用而无法使用 |
Raman | - 无损方法 - 峰值较窄，分离效果优于 NIR - 激光作为光源的快速测量 - 无粒径或晶体结构影响；另一方面，这可能是重要的信息 - 容器/袋对测量的影响很小 | - 只能用于检测非极性键 - 无法用于分析水分含量 - 激光作为光源会导致仪器组件更加复杂，并导致样品过热的危险 - 显示荧光的样品很难测量 |
总体而言，这三种方法在质量控制和工艺技术中都发挥着关键作用，应仔细评估哪一种方法对所询问的应用最有益。