一、近紅外光譜分析技術簡介

    近紅外（Near Infrared, NIR）光是指波長介于可見光區(qū)與中紅外區(qū)之間的電磁波，其波長范圍約為780~2500 nm，波數(shù)范圍約為12500~4000 cm^-1。近紅外光譜分析（NIRSA）是指利用近紅外譜區(qū)包含的物質信息，主要用于有機物質及部分無機物質定性和定量分析的一種分析技術。近紅外光譜分析兼?zhèn)淞丝梢妳^(qū)光譜分析信號容易獲取與紅外區(qū)光譜分析信息量豐富兩方面的優(yōu)點，加上該譜區(qū)需要依靠化學計量學方法提取信息等特點，使近紅外光譜分析成為一類應用廣泛的分析技術。

二、近紅外光譜的基本原理

1.分子與光譜

    分子具有不同類型的運動，大致包括：分子內各種電子運動，分子作為整體的平動和轉動，分子內各原子的振動，原子核的振動等。按量子力學的觀點，分子運動所具有的能量是量子化的，稱為分子的能級。原子或分子在與光作用時，只有當光子的能量等于原子或分子中的某些電子的能量級差時才產生光的吸收，一個光子的全部能量將一次被一個電子所吸收，不需要積累能量的時間。原子中電子吸收光子的現(xiàn)象稱為原子吸收光譜，分子中電子吸收光子的現(xiàn)象稱為分子吸收光譜。原子或分子能級躍遷時吸收光量子的頻率可用玻爾頻率方程式來描述：

    上式也適用于光量子發(fā)射的情形（從高能級向低能級躍遷）。光量子所具有的能量E_光和其頻率成正比（即E_光=hv_光）。分子運動類型不同其相應的能級差也各不相同，因此需要吸收不同頻率光量子能量使它們躍遷，由此產生不同的波譜吸收。表1-1是分子各運動類型對應的能級差及波譜吸收。

2.近紅外光譜的產生

    物質近紅外光譜的產生主要是分子振動的非諧振性，使分子振動從基態(tài)向高能級的躍遷成為可能。分子的非諧振性將出現(xiàn)倍頻振動，其頻率大致為（但不等于）基頻頻率的整數(shù)倍。依據(jù)量子力學的觀點，當分子吸收紅外光引起分子的簡諧振動時，其能級的躍遷要滿足一定的量子化條件（選律）：Dv= ±1，即振動能級只能在相鄰的位置之間躍遷。若振動量子數(shù)由v=0→1改變，則其對應的能級躍遷能量差：

    v_0→1稱為基本振動頻率，簡稱基頻，對應的吸收譜帶稱為基頻吸收帶或基本振動譜帶。分子也可以按基頻的整數(shù)倍2v_0→1、3v_0→1頻率發(fā)生振動，這種頻率稱為分子振動的一、二級倍頻。若分子中存在幾種頻率的振動，則在一定的條件下兩種頻率的振動可以發(fā)生偶合，形成頻率相當于兩種頻率之和的合頻振動。此外，還有從高于v=0的能級開始躍遷，對應的譜帶稱為熱頻吸收帶。

    由于近紅外光譜區(qū)是紅外光譜區(qū)能量較高的部分，分子振動的倍頻、合頻、熱頻能級躍遷的吸收都有可能出現(xiàn)在近紅外區(qū)，但熱頻是從激發(fā)態(tài)開始的躍遷，發(fā)生的幾率極小，譜帶非常微弱，因此近紅外區(qū)主要是分子倍頻、合頻吸收帶^[48]。正是分子的倍頻振動形成了分子的近紅外光譜。從基頻到第一倍頻，譜帶吸收程度約減小10倍以上，更高級倍頻帶的強度更加微弱。近紅外區(qū)在4000 cm^-1以上（即波長2.5 mm以下），這意味著只有在4000～2000 cm^-1(2.5～5 mm)范圍內的基頻吸收帶才可能在近紅外光譜區(qū)形成有適當吸收強度（可檢測）的倍頻與合頻吸收。根據(jù)實際分子基頻譜帶的分布可推知只有與氫有關的功能團，主要是O-H、C-H、N-H等基團的伸縮振動才能在近紅外區(qū)形成適當強度的倍頻、合頻吸收譜帶。因此，幾乎所有的有機物的一些主要結構和組成都可以在它們的近紅外光譜中找到特征信號；且圖譜穩(wěn)定，獲取光譜容易。由于食品與農產品的組分以及大多數(shù)有機物都由這些基團構成，基團的吸收頻譜表征了這些組分的化學結構，因此根據(jù)這些基團的近紅外吸收頻譜出現(xiàn)的位置、吸收強度等信息特征，可以對這些組分作定性、定量分析。