近红外光谱（Near-Infrared Spectroscopy, NIR） 是一种基于电磁波中近红外区域（700 nm 至 2500 nm）光吸收特性进行分析的技术。近红外光谱主要用于研究样品中分子的振动信息，特别是包含氢键的化合物，如水、蛋白质、脂肪和碳水化合物等的含量。NIR 技术因其非破坏性、快速和能够对复杂样品进行多组分分析的特点，在农业、食品、医药等领域得到了广泛应用。
原理
近红外光谱技术的核心原理是分子中与氢原子（如 C-H、O-H、N-H 键）有关的伸缩振动和弯曲振动。当样品吸收了近红外区域的光时，这些分子键的振动会发生特定的跃迁和变化，产生特征的吸收峰。通过分析这些吸收峰的强度和位置，可以推断出样品中某些成分的含量。
NIR 的吸收峰通常是基频吸收（主要在中红外区）的倍频或组合频率，因此吸收光谱往往较为宽泛，不如中红外光谱（MIR）那样具有精确的单一吸收峰。然而，通过复杂的数学方法（如多元线性回归或偏最小二乘法，PLS），可以将这些吸收信号解读为样品成分的定量信息。
光谱范围
近红外光谱区：通常定义为波长 700 nm 到 2500 nm，即频率范围为 4000 cm⁻¹ 至 14,000 cm⁻¹。这个波段位于可见光（380-700 nm）和中红外区（2500-25,000 nm）之间。
NIR 测量过程
光源发射近红外光：光源通常为卤素灯等，可以发出覆盖近红外范围的宽带光。
样品吸收光：近红外光通过样品时，样品中的分子对特定波长的光进行吸收。
检测器记录光信号：通过检测器测量穿过样品后的透射光或反射光的强度变化，生成光谱数据。
光谱分析：通过软件分析光谱的特征吸收峰，结合化学计量学模型（如偏最小二乘回归），对样品成分进行定量分析。
测量模式
NIR 光谱仪可以通过多种方式进行测量，主要模式包括：
透射光谱（Transmission NIR）：近红外光通过样品后，测量穿透样品的光强。适用于液体和薄层样品。
反射光谱（Reflectance NIR）：测量从样品表面反射的光强，适用于固体或颗粒状样品，尤其在食品和农业领域应用广泛。
漫反射光谱（Diffuse Reflectance NIR）：适合多孔固体样品，光被样品表面和内部散射和反射。
近红外显微技术（NIR Microscopy）：用于对样品进行局部分析，结合显微镜技术，可以对样品中的微区成分进行精确测定。
NIR 的应用
由于 NIR 具备快速、非破坏性和适合多组分分析的特点，在多个领域中有着广泛的应用：
1. 农业和食品
水分、蛋白质、脂肪、碳水化合物含量测定：NIR 广泛用于谷物、肉类、乳制品等的成分分析，尤其是水分、蛋白质、脂肪的快速测定。
粮食质量控制：可以在生产线中实时检测农产品的质量，如小麦、玉米、米的水分和蛋白质含量。
2. 制药
药品成分分析：NIR 被用于药品的有效成分和辅料含量分析，帮助监测生产过程中的均匀性和质量控制。
片剂一致性检测：NIR 可以非破坏性地分析片剂中有效成分的分布和浓度。
3. 化学与石油
化学成分分析：NIR 可以对石油、化工原料中的水分、挥发性成分、油分等进行快速分析。
聚合物分析：NIR 可用于监测聚合反应，测定聚合物中的单体含量和聚合程度。
4. 医学
非侵入式生物分析：NIR 可用于测定人体组织中的成分，如氧饱和度、血糖浓度等。NIR 的穿透性较好，能够深入生物组织，因此在生物医学成像和诊断中也有潜力。
5. 环境科学
土壤分析：NIR 被用于快速分析土壤中的有机质、氮、磷等元素含量，帮助农业生产者评估土壤肥力。
污染物检测：NIR 可用于水质、空气中的某些污染物含量分析。
NIR 的优缺点
优点
快速且非破坏性：NIR 分析通常在几秒钟至几分钟内即可完成，且不会对样品造成破坏，适用于在线监测和过程控制。
无需复杂的样品制备：样品可以直接测量，减少了复杂的前处理步骤。
多组分分析：NIR 可以同时测量多个成分，如水分、蛋白质、脂肪等，通过化学计量学模型解读光谱数据。
适用于各种样品形态：NIR 可用于液体、固体、气体、粉末等多种形态的样品。
缺点
吸收峰较宽，特异性差：NIR 吸收峰往往较为宽泛，容易受到其他成分的干扰，导致定量分析时需要复杂的数学建模。
对水分敏感：由于 O-H 键的吸收特性，NIR 对水分变化非常敏感，这在某些情况下可能影响分析结果。
需要校准模型：NIR 分析依赖于化学计量学模型，每种样品类型都需要建立并验证相应的校准模型，这需要时间和数据积累。
总结
近红外光谱（NIR）是一种灵敏、快速、非破坏性的分析技术，适合多种样品的成分分析。它在农业、食品、制药、化学等领域中得到了广泛应用，尤其在实时在线监测和质量控制方面有着巨大的优势。虽然 NIR 的吸收峰较宽、特异性较差，但通过化学计量学技术的辅助，NIR 仍然是一种非常强大的多组分分析工具。
