5分鐘了解近紅外：原理、市場和代表產品一覽

　　分析測試百科網訊 在分析化學領域，現代近紅外光譜（NIR）分析技術被譽為分析“巨人”，它的出現帶來了又一次分析技術的革命。近紅外光譜是一種快速、無損、可實現多組分同時測定的分析技術。在應用上，NIR無需對樣品進行前處理，對待測物無破壞性，應用領域廣泛，對環境無污染，方便快捷。

　　NIR發展的幾個階段

　　近紅外光譜技術的發展大體分為5個階段。在英國科學家William于1800年發現紅外線（又稱熱線，包括近紅外、紅外、遠紅外）譜區后的150年中，近紅外的應用極為有限，被業內人士稱為“被遺忘的譜區”。

　　當人們采用攝譜方法獲得有機化合物的近紅外光譜，并對其相關光譜特征進行解析之后，這個“被遺忘的譜區”才在分析技術中占得一席之地。制造技術的提升和計算機技術的發展使得近紅外分析技術得到飛躍。20世紀50年代，Kaye率先發明了透射式近紅外光儀器。最早期的NIR采用紫外可見光譜儀添加近紅外檢測器部件擴展而成，但儀器噪聲大，缺乏完善的數據處理系統。

　　60年代，Norris的研究工作極大地促進了近紅外光譜儀器的發展，NIR技術首先在農產品品質快速分析中得到廣泛應用。1971年，Dickey-John公司生產了第一臺商用近紅外光譜儀器并獲得了美國ZL。1975年Dickey-John公司和Technicon公司聯合推出了Infra An-alyzer25型近紅外光譜分析儀。這時的近紅外光譜儀器在穩定性和溫度補償功能上有了很大的進步。隨著微處理器的應用，儀器的測量精確度更高，數據處理系統更完善。

　　80年代出現了高分辨率的傅里葉變換近紅外光譜儀器，新技術層出不窮，計算機技術的飛速發展，帶動了儀器數字化和化學計量學（Chemometrics）學科的發展，也使以弱信號和多元信息處理為基本特征的近紅外光譜分析獲得了技術支持和依靠。

　　90年代，聲光可調濾光型近紅外技術的出現，大大降低了儀器的成本。此時，光纖探頭在近紅外技術中也得到了應用。近紅外光譜技術步入快速發展時期，計算機技術、數字化儀器和化學計量學方法的有機結合，形成了現代近紅外光譜技術。化學計量學方法和分析軟件成為現代近紅外光譜技術的重要組成部分。在歐美等發達國家中近紅外光譜分析儀已成為品管實驗中必備的儀器。現代的近紅外光譜分析技術越來越成熟，正朝著小型化、專業化和便捷化的方向發展。

　　在小型化方面，已經推出了很多新技術。新原理、新器件的微型近紅外儀器不斷出現，成本已跌破萬元人民幣，使得近紅外進入社區家庭成為可能。但這同時給儀器開發和模型開發帶來極大風險，如果技術選擇錯誤，將導致所有精力和投資都打了水漂。

小型、微型化的近紅外光譜

　　近紅外光譜原理

　　 近紅外（NIR）光譜區是指介于可見（VIS）和中紅外（MIR）區之間的電磁波。根據美國實驗和材料協會規定，其波長范圍為800~2500nm，近紅外光譜為分子振動光譜的倍頻和組合頻譜帶，主要指含氫基團C-H，O-H，N-H，S-H的吸收，包含了絕大多數類型有機物組成和分子結構的豐富信息。朗伯-比爾吸收定律是近紅外光譜分析的理論基礎：樣品光譜特征隨其組成成分和內在結構變換而變化。由于不同基團或同一基團在不同化學環境中吸收波長有明顯差別，因此可以作為獲取有機化合物組成或性質信息的有效載體。對某些無近紅外光譜吸收的物質（如某些無機離子化合物），也能夠通過其對共存的本體物質的影響引起的光譜變化，間接地反應其信息。

近紅外光譜為分子振動光譜的倍頻和組合頻譜帶

　　近年來，近紅外光譜法在儀器軟件和應用技術上獲得了高度發展，以高效和快速的特點異軍突起，被譽為分析“巨人”。在事先建立好校正模型的基礎上，一個人使用一臺近紅外光譜儀僅需兩分鐘即可完成一個樣品全性質的測量，近紅外光譜儀除消耗少量電能外，不消耗任何試劑、標準物質和設備零件，被測樣品僅為幾毫升，極為經濟。一臺近紅外光譜儀用于控制分析，可以替代多臺分析儀器，節省了大量設備、人力和物力。與傳統分析方法相比，其工作效率大大提高。

　　近紅外光譜分析技術被廣泛用于石油化工、制藥、農業等領域。這些行業具有現場分析的特點，所以更多的時候需要結構緊湊、體積小、重量輕的便攜式近紅外光譜分析儀。近紅外分析技術是一門現代分析技術，它集合了化學計量學、光譜學和計算機應用等學科。

　　近紅外光譜技術的特點

　　與傳統化學分析方法相比，近紅外光譜分析技術有鮮明的技術特點。

　　（1）分析速度快。掃描速度快，可在數十秒內獲得一個樣品的全光譜圖，通過數學模型既可快速計算出樣品的濃度。

　　（2）多種成分同時分析。一次全光譜掃描，可獲得多種成分的光譜信息，通過建立不同的數學模型，就可定量分析樣品的多種物質成分。

　　（3）無污染分析。樣品不需特別的預處理，不使用有毒有害試劑。根據樣品的物質狀態和透光能力采用透射或漫反射方式測定，可直接測定不經預處理的液態、固態或氣態樣品。

　　（4）無損傷分析。測定過程不破壞或消耗樣品，不影響外觀、內在結構和性質。

　　（5）實時分析和遠距離測定。實時在線分析特別適合工業生產上應用。利用光導纖維技術遠離主機取樣，將光譜信號實時傳送回主機，直接計算出樣品成分的含量。

　　（6）操作簡單，分析成本低。除需要電能外，不需要任何耗材，大大地降低測試費用。操作上不需要專門技能和特別訓練。

　　不過，近紅外光譜是一種間接分析技術，它必須依賴常規的化學分析方法，測定出特定背景范圍內多個標準樣品成分的化學值，利用化學計量學方法建立數學模型，并通過數學模型計算待測樣品的成分含量。數學模型預測的準確性與常規化學分析的準確性、建模樣品的代表性、模型使用的合理性有很大關系。另外，近紅外光譜分析的測試靈敏度較低，待測樣品的成分含量一般不少于0.1%。

　　近紅外光譜分析的主要的應用領域包括：石油及石油化工、基本有機化工、精細化工、冶金、生命科學、制藥、醫學臨床、農業、食品、飲料、煙草、紡織、造紙、化妝品、質量監督、環境保護、高校及科研院所等。未來預期的應用還包括：醫學對皮膚、健康狀況等的檢測；在線分析、質量分析與過程控制，許多場合近紅外光譜幾乎是唯一可行的在線分析方案，別無它選。大數據應用（非模型預測）與近紅外進入社區家庭。近紅外成像。

　　產品劃分

　　近紅外光譜儀器（NIR）的基本結構與一般光譜儀器一樣，均由光源系統、分光系統、樣品室、檢測器、控制和數據處理系統及記錄顯示系統組成。根據光的分光方式，近紅外光譜儀可分為濾光片型、色散型（光柵、棱鏡）、傅里葉變換型（FT）、聲光可調濾光型（AOTF）和固定光路多通道檢測型五種類型。光柵色散型NIR又包括快速掃描型和二極管陣列檢測器型，是市場上最受歡迎的NIR。從應用場景來看，分為實驗室型和便攜/手持近紅外，預計未來幾年便攜式/手持近紅外的需求將強勁增長，年增長率近10%。

　　近紅外光譜分析技術由近紅外光譜儀硬件、化學計量學軟件和校正模型（或稱定標模型或數據庫）三部分構成。近紅外光譜儀硬件用于測定樣本，化學計量學軟件用于建立校正模型，校正模型用于待測樣本定量或定性的預測分析。在線近紅外光譜分析系統往往還包括取樣與預處理、數據通信等部分。近紅外光譜儀器的附件形式多樣，非常適合多種物態樣本的測量。

　　近紅外光譜儀市場和主要品牌

　　 全球近紅外光譜（NIR）市場在2018年為4.6億美元，預計到2025年底將達到5.6億美元，在2019~2025年間以2.7％的復合年增長率增長。NIR市場的增長受到多種因素的驅動，例如食品和農業以及制藥業的日益普及；然而，諸如高投資和安裝成本等因素也正在阻礙該市場的增長。

　　中國、印度、亞太地區和世界其他地區對這些產品的需求將出現特別強勁的增長，部分原因是環境和食品行業的應用，預計未來五年將持續強勁增長。未來幾年，亞太地區近紅外分析儀市場的增長率預期為全球最高。

　　近紅外（NIR）光譜儀涉及的主要品牌主要有賽默飛、布魯克、FOSS、珀金埃爾默（波通）、瑞士萬通、步琦、海洋光學、迅杰光遠、譜育（聚光）、偉創英圖、上海棱光、必達泰克等。

　　食品專用領域

　　專用于乳制品和谷物、糧油領域分析的，要屬福斯FOSS、珀金埃爾默（波通）和布魯克三家最為專業。三家廠商近兩年均推出了新品。

　　以下對主要品牌的代表型號儀器做詳細介紹：

　　布魯克

布魯克MPA II 多用途近紅外，其中MPA II-D用于乳制品分析

　　MPA II 是布魯克光譜集近 40 年設計和生產 FTIR 和 FT-NIR 光譜儀經驗的結晶，具有強大的擴展靈活性和優越的性能，提供高性能的附件和靈活的操作性，滿足方法開發和不同用戶科研和生產 QA/QC 的需求。采用模塊化設計，配置靈活。其采用的NIR前沿技術包括：耐用的長壽命光源和固態激光器。永久準直的RockSolidZL干涉儀，采用鍍金處理的三維立體角鏡技術，精度高、穩定性高。高靈敏InGaAs檢測器，可以提供全波段的線性響應，保證最佳精確性和再現性。同時，MPA II配備的所有光學元件都得到在線診斷系統的永久監控，確保您的光譜儀正常運轉。一旦有任何元件不符合參數標準，用戶就能立刻收到通知。

　　其中MPA II-D 為乳品行業各種產品的質量控制提供了一種高精度的解決方案。僅用一臺近紅外儀器就能完成對液態、固態和性狀均勻的半固態乳制品的快速質量控制，經濟高效，而且所有相關的質量參數都可以進行分析。其優點包括：可應用于各種形態乳制品的質量控制；不到1分鐘快速分析幫助減少生產損失；生產流程的優化確保產品的一致性；食用油或維生素預混料等輔料也都可以進行分析。其核心裝置包括：可實現自動進樣和均質化的LSM液體自動進樣器，液體樣品用透射法測量；分析固體和半固體樣品用積分球漫反射測量。流通池為免維護設計，不會隨著長時間的使用而磨損。

　　珀金埃爾默

珀金埃爾默DA 6200近紅外分析儀

　　2019年5月，珀金埃爾默推出DA 6200近紅外分析儀，該分析儀將幫助肉類和橄欖油食品加工企業進行更準確，輕松，快速的質量和過程控制。DA 6200分析儀基于新一代二極管陣列近紅外透射光譜（NIR）技術，通過旋轉樣品進行測量，可在30秒內提供樣品中脂肪，水分和蛋白質含量，以及膠原蛋白、鹽和灰分的準確測試結果。這種準確度和速度也適用于大型非均勻介質樣本檢測。DA 6200近紅外肉類分析儀可以幫助客戶隨時進行分析并提供實時分析結果。因此，肉糜、香腸、分割禽肉和其他肉類產品的生產商可以保證產品一致性，提高盈利能力和產品質量。橄欖油生產商亦可利用DA 6200來檢驗橄欖的品質，預測油品產量，優化采油工藝。

珀金埃爾默FT 9700 近紅外分析儀

　　2019年9月發布的FT 9700系統基于久經考驗的紅外光譜技術，擁有Dynascan?干涉儀設計，系統無需通過動態校正來補償動鏡在運動中造成的的誤差。通過實際驗證和久經考驗的干涉儀技術融合了可靠的旋轉軸承，能在儀器的整個使用壽命中提供可靠的服務。絕對標準儀器（Absolute Virtual Instrument?）技術采用了以甲烷氣體光譜為基準的標準化技術，能確保儀器準確校準，與傳統的方法相比較，儀器的波數和線形能夠更精確地實現標準化。有了AVI技術，即使更換儀器亦能得到同樣的數據結果。

LAMBDA 1050+紫外-可見-近紅外分光光度計

　　此外，珀金埃爾默2019年10月也推出了LAMBDA 1050+紫外-可見-近紅外分光光度計，使用無格柵PMT檢測器和Peltier冷卻PbS檢測器，在整個光譜范圍內獲得優異的測試性能，最大波長可達3300 nm。紫外-可見區域的波長精度可以達到0.025 nm，近紅外區域的波長精度可以達到0.02 nm。此外，該儀器還可以配備一系列行業領先的、可控而且靈活的采樣附件，包括：大體積雙樣品艙；通用反射附件；插入式積分球；萬能光學平臺。

　　福斯FOSS

　　2020年7月投入銷售使用的NIRS? DS2500 L采用近紅外單色儀，400  -2500 nm 全光譜掃描，性能一致可確保定標的無縫轉移。可快速檢測油脂的多個參數，標準化的設備提供高度一致的結果，通過聯網的支持服務對儀器進行監控和調整，避免意外損失并延長儀器壽命。簡單易用，自動記錄檢測信息，提供有價值的檢測結果，實現持續不斷的油脂生產過程優化。特點包括：為實現最佳過程控制而設計，實現工廠標準化，讓不同設備具有始終如一的性能。一致的性能和更高的質量標準，每次檢測后自動進行參考樣品分析，由專業技術人員遠程監控儀器和定標狀態。月度報告包括故障排除，保證質量并符合標準。簡單易用，裝入樣品、選擇樣品類型、按下開始。無需人工控溫，自動調節樣品溫度，快速達到目標溫度。可追溯檢測結果，確保操作符合標準程序。

Infratec 近紅外谷物分析儀

　　2019年4月推出的Infratec 近紅外谷物分析儀采用近紅外透射技術，利用全息數字光柵進行全譜掃描，可獲得豐富的光譜信息；光纖導光光路設計，保持儀器間高度一致性，保證定標傳遞的準確度；綜合性ANN定標，基于FOSS 谷物行業30年豐富的谷物定標數據庫，具有廣泛的樣品適用性和高精準度。可快速檢測各類谷物、豆類等整粒谷物及面粉等粉狀樣品的多種參數。特點包括：快速檢測，結果精準；無需化學試劑，整粒樣品直接檢測；按質論價，行業公認標準。

ProFoss 2在線近紅外分析儀

　　2021年2月18日，FOSS宣布推出ProFoss?2，這是一款先進的在線近紅外（NIR）分析儀，可幫助食品和農業生產者在黃油、豆粕、肉、新鮮奶酪等產品的生產中充分利用資源。ProFoss?2通過直接在過程中提供直接和連續的測量來幫助生產者。它可嚴密監控關鍵控制參數，從而對目標進行更嚴格的生產控制，例如豆粕中的蛋白質和水分，或黃油中的脂肪和水分。在上一代ProFoss?解決方案成功的基礎上，ProFoss?2新品集成了近紅外（NIR）技術以及相關軟件和數字服務的最新進展，從而使發揮在線近紅外分析的全部潛力變得前所未有的簡單。

FoodScan 2近紅外分析儀

　　2019年福斯推出FoodScan? 2新款近紅外分析儀，它讓質量控制經理可以處理越來越復雜且時間要求嚴格的任務，其中包括奶酪、黃油和發酵乳制品等固體和半固體乳制品的分析。它利用最新的快速近紅外技術，只需要15秒就能獲得結果；可以在儀器中直接放入異型樣品從而減少樣品準備時間；直觀的觸摸屏界面更簡單。它創新性地在同一設備中利用近紅外透射和透反射技術獲得了新的高性能；人工神經網絡(ANN)定標的使用進一步節省了時間。通用定標模型基于大量全球數據，可以避免維護很多定標模型，因為與其他方法相比，需要的定標模型更少。FoodScan 2儀器標準化使新設備安裝更加快速，而聯網功能則通過FossAssure等新的遠程支持服務節省了日常維護和匯報的成本。FoodScan 2包括3種型號：用于實驗室操作的Lab TS型、用于生產環境的Pro型以及帶鍵盤、供不需要觸摸屏界面的用戶使用的Lab型。

　　迅杰光遠

IAS 5500

　　迅杰光遠具有自主研發的、基于MEMS技術的近紅外光譜儀核心模塊，體積小，重量輕，但配置強大，只需配合簡單的外部操控裝置和采樣附件，即可形成不同的產品形態：臺式、便攜式乃至手持式。

　　多年來迅杰光遠借助近紅外檢測技術在糧食檢測領域持續深耕迅杰光遠其自主研發的在線式、離線式檢測設備以其穩定的性能以及一貫的高性價比，在糧食檢測用戶中獲得了廣泛的口碑和認可。IAS 5500近紅外光譜產品在大豆、油菜籽、高粱等行業的廣泛應用，和對分析檢測技術的不斷經驗積累，目前迅杰光遠出品的近紅外檢測產品已經成為用戶進行糧食評價或進行糧食加工過程監控的好助手。

　　2020年12月，由無錫迅杰光遠新研發的IAS-3120便攜式近紅外光譜分析儀、IAS-Online-S100在線式近紅外光譜分析儀、IAS-F100水果品質近紅外快速無損分析系統等三款產品，通過了中國儀器儀表學會組織的專家鑒定。

　　制藥、化工專用領域

　　近紅外光譜技術在制藥、化工、材料等原輔料的質量控制、以及生產過程中的質量控制等方面同樣起到了不可替代的作用。本文僅針對實驗室型近紅外分析儀進行總結歸納。

　　珀金埃爾默

Spectrum 3?

　　PerkinElmer Spectrum 3?傅里葉變換紅外(FT-IR)光譜儀在2020年4月上市。涵蓋近、中、遠紅外區域，具有高度的采樣靈活性和光譜性能。延續多個系列的高度模塊化配置平臺，多樣的采樣附件，可在長期使用中始終獲得如一的可靠結果。從日常定性定量到高端研究應用，適用于幾乎所有應用領域及行業。

　　瑞士萬通

NIRS DS2500

　　NIRS DS2500 中使用的新型前置分光單色儀技術可在400 到2500 nm 全波段范圍內實現通用性和穩定性的保障。NIRS DS2500 擁有很高的信噪比，只需不到 1 min 時間，即可完成苛刻低含量的高精度測量。儀器性能優秀，保證對所有生產階段均可實施高水平的質量控制要求。光譜儀配備了用來控制光強、帶寬和波長的內部標準。經驗證，儀器的穩定性可以確保數據連續無縫轉移，即使在長期使用之后也是如此。基于設計上的高性能，DS2500 單色儀一般不需要重新校準。不過，內部及外部標準可用于光譜儀的自動校準和質量控制。

XDS MasterLab

　　2013年，Metrohm瑞士萬通在工業領域開始與Foss公司進行全球戰略合作。Metrohm-NIRSystems為客戶提供實驗室型、旁線以及在線近紅外解決方案。XDS系列近紅外產品是新一代的光柵型掃描近紅外分析儀，采用基于偏移技術數字全息光柵系統，其對應的NIIST可追溯的標準和方法保證了每臺儀器的光度計，波長和帶寬等重要技術參數的高度一致，保證了儀器之間定標模型無縫轉移并且可實現網絡控制操作。基于XDS近紅外分析技術，Metrohm-NIRSystems開發了一系列過程分析儀、在線分析儀。

　　最新款XDS MasterLab 實驗室近紅外光譜分析儀為制藥廠提供了涵蓋各種固體劑型藥品的快速可靠的試驗方法：范圍涵蓋多層藥片、糖衣藥片或有核藥片、膠囊、囊片和膠丸等。XDS MasterLab 近紅外光譜分析儀的通用樣品盤能對一系列樣品或瓶裝樣品自動進行無人值守的反射或透射分析。樣品放入樣品盤后，將其插入 MasterLab 分析儀，樣品盤自動定位并分析每個樣品或瓶裝樣品。內置的光斑可調功能，可以根據藥瓶直徑調節樣品的照度。選配的粗顆粒分析單元通過在一個較大面積上取平均值，把對非均質固體劑型的分析范圍從精細粉末擴大到粗顆粒、球狀顆粒和片狀顆粒等。XDS NIR 技術不僅帶來了優越的分析性能，提高了靈敏度，同時加快了定標方法的研發，縮短了實施時間，保證了定標的無縫轉移。

　　NIRS DS2500分析儀與System II和Metrohm XDS分析儀之間可進行定標的無縫轉移。其兼容性使得能以“直通車”的方式地使用System II和XDS儀器的數據，而不損失任何性能。

　　海洋光學

NanoQuest

　　NanoQuest在2020年初上市，是海洋光學最新近紅外產品。它可以收集大范圍的光譜數據。該傳感器獲得ZL的微機電系統（MEMS）技術允許在MEMS芯片上單片制作連續波邁克爾遜干涉儀。這樣可以同時檢測所有波長，并減輕運動對傳感器穩定性的影響。每個NanoQuest均配有光纖和操作軟件，并可與Ocean Insight光源和附件耦合以配置用于吸收/透射或反射率測量的系統。典型的NanoQuest NIR應用包括對假冒產品（包括紡織品）的身份驗證；食物，土壤養分和工業原料的表征和定量；以及體液和其他生物標本的成分分析。

　　賽默飛

　　賽默飛的Antaris? II FT-NIR分析儀，便于實驗室開發出適用于工廠生產的分析方案和方法。Antaris II FT-NIR分析儀憑借著業內領先的模型轉移性能，保證了旁線(at-line)，在線(online)，線內(in-line)的數據采集更佳穩定，可靠。可以對 Antaris II FT-NIR 分析儀進行自定義用于特殊應用，也可以選擇 Antaris II MDS 方法建立采樣系統，它將傳輸、光纖和球面漫反射分析整合在一個轉鑰系統內。

　　近紅外發展趨勢

　　近紅外儀器的未來發展有幾大趨勢，首先是小型化如：實驗室儀器的小型化如便攜FT-NIR。其次是各種手持、專用化儀器、低成本的近紅外光譜出現，如MEMS-NIR、微型FT-NIR、LVF-NIR。另一大趨勢是用于研究領域的顯微成像光譜儀和高光譜成像儀、時間分辨與空間分辨近紅外光譜儀。此外工業上對于在線分析的近紅外光譜儀使用也在增多。

推動近紅外光譜進展的主要驅動力

　　上圖顯示了近紅外光譜技術發展的驅動力，在未來部分打了一個問號，即尚難預測其中的新關鍵技術和分析能力。一種可能的推動力是已知的技術進展如微型化和成像。

　　此外，未來的投入也可能來自于NIR與其它分析技術進行信息的互補結合。例如，NIR反映樣品的有機部分、提供基質信息，而如LIBS（激光誘導擊穿光譜）等元素分析技術可利用這些信息校正基質效應。而隨著拉曼光譜快速發展、便于使用和攜帶，有可能利用拉曼和NIR的互補光譜特性進行聯用。在化學計量學程序的應用普適性方面也有待發展。

　　近紅外成像將繼續快速發展，只要HIS（高光譜成像）相機的價格下降，它將在越來越多的應用中出現，如食品質量。法醫學方面，便攜式HSI攝像機可以將NIR帶到犯罪現場，適當的化學計量學可以幫助定位和識別幾種類型的證據。

　　便攜式、低成本、小型、獨立的分光光度計通過無線技術進行通信已成現實。微型的NIR有望實現民用，普通市民可以免費使用其中一種儀器，比如在超市的蔬菜或水果區，甚至口袋里有自己便宜的近紅外分光光度計，可以利用存儲在數據云中的先前構建的模型來回答一些簡單的日常問題，比如“這個蘋果甜嗎？”或者“這個布料是真絲的嗎？”。然而，技術的民用化不應與技術的平庸化相混淆，必須堅守科學的嚴謹性和基本原則。若在未來支持NIR民用，必須建立定性和定量模型庫，開發方便用戶的實用軟件。