5分钟了解近红外：原理、市场和代表产品一览

　　分析测试百科网讯 在分析化学领域，现代近红外光谱（NIR）分析技术被誉为分析“巨人”，它的出现带来了又一次分析技术的革命。近红外光谱是一种快速、无损、可实现多组分同时测定的分析技术。在应用上，NIR无需对样品进行前处理，对待测物无破坏性，应用领域广泛，对环境无污染，方便快捷。

　　NIR发展的几个阶段

　　近红外光谱技术的发展大体分为5个阶段。在英国科学家William于1800年发现红外线（又称热线，包括近红外、红外、远红外）谱区后的150年中，近红外的应用极为有限，被业内人士称为“被遗忘的谱区”。

　　当人们采用摄谱方法获得有机化合物的近红外光谱，并对其相关光谱特征进行解析之后，这个“被遗忘的谱区”才在分析技术中占得一席之地。制造技术的提升和计算机技术的发展使得近红外分析技术得到飞跃。20世纪50年代，Kaye率先发明了透射式近红外光仪器。最早期的NIR采用紫外可见光谱仪添加近红外检测器部件扩展而成，但仪器噪声大，缺乏完善的数据处理系统。

　　60年代，Norris的研究工作极大地促进了近红外光谱仪器的发展，NIR技术首先在农产品品质快速分析中得到广泛应用。1971年，Dickey-John公司生产了第一台商用近红外光谱仪器并获得了美国ZL。1975年Dickey-John公司和Technicon公司联合推出了Infra An-alyzer25型近红外光谱分析仪。这时的近红外光谱仪器在稳定性和温度补偿功能上有了很大的进步。随着微处理器的应用，仪器的测量精确度更高，数据处理系统更完善。

　　80年代出现了高分辨率的傅里叶变换近红外光谱仪器，新技术层出不穷，计算机技术的飞速发展，带动了仪器数字化和化学计量学（Chemometrics）学科的发展，也使以弱信号和多元信息处理为基本特征的近红外光谱分析获得了技术支持和依靠。

　　90年代，声光可调滤光型近红外技术的出现，大大降低了仪器的成本。此时，光纤探头在近红外技术中也得到了应用。近红外光谱技术步入快速发展时期，计算机技术、数字化仪器和化学计量学方法的有机结合，形成了现代近红外光谱技术。化学计量学方法和分析软件成为现代近红外光谱技术的重要组成部分。在欧美等发达国家中近红外光谱分析仪已成为品管实验中必备的仪器。现代的近红外光谱分析技术越来越成熟，正朝着小型化、专业化和便捷化的方向发展。

　　在小型化方面，已经推出了很多新技术。新原理、新器件的微型近红外仪器不断出现，成本已跌破万元人民币，使得近红外进入社区家庭成为可能。但这同时给仪器开发和模型开发带来极大风险，如果技术选择错误，将导致所有精力和投资都打了水漂。

小型、微型化的近红外光谱

　　近红外光谱原理

　　 近红外（NIR）光谱区是指介于可见（VIS）和中红外（MIR）区之间的电磁波。根据美国实验和材料协会规定，其波长范围为800~2500nm，近红外光谱为分子振动光谱的倍频和组合频谱带，主要指含氢基团C-H，O-H，N-H，S-H的吸收，包含了绝大多数类型有机物组成和分子结构的丰富信息。朗伯-比尔吸收定律是近红外光谱分析的理论基础：样品光谱特征随其组成成分和内在结构变换而变化。由于不同基团或同一基团在不同化学环境中吸收波长有明显差别，因此可以作为获取有机化合物组成或性质信息的有效载体。对某些无近红外光谱吸收的物质（如某些无机离子化合物），也能够通过其对共存的本体物质的影响引起的光谱变化，间接地反应其信息。

近红外光谱为分子振动光谱的倍频和组合频谱带

　　近年来，近红外光谱法在仪器软件和应用技术上获得了高度发展，以高效和快速的特点异军突起，被誉为分析“巨人”。在事先建立好校正模型的基础上，一个人使用一台近红外光谱仪仅需两分钟即可完成一个样品全性质的测量，近红外光谱仪除消耗少量电能外，不消耗任何试剂、标准物质和设备零件，被测样品仅为几毫升，极为经济。一台近红外光谱仪用于控制分析，可以替代多台分析仪器，节省了大量设备、人力和物力。与传统分析方法相比，其工作效率大大提高。

　　近红外光谱分析技术被广泛用于石油化工、制药、农业等领域。这些行业具有现场分析的特点，所以更多的时候需要结构紧凑、体积小、重量轻的便携式近红外光谱分析仪。近红外分析技术是一门现代分析技术，它集合了化学计量学、光谱学和计算机应用等学科。

　　近红外光谱技术的特点

　　与传统化学分析方法相比，近红外光谱分析技术有鲜明的技术特点。

　　（1）分析速度快。扫描速度快，可在数十秒内获得一个样品的全光谱图，通过数学模型既可快速计算出样品的浓度。

　　（2）多种成分同时分析。一次全光谱扫描，可获得多种成分的光谱信息，通过建立不同的数学模型，就可定量分析样品的多种物质成分。

　　（3）无污染分析。样品不需特别的预处理，不使用有毒有害试剂。根据样品的物质状态和透光能力采用透射或漫反射方式测定，可直接测定不经预处理的液态、固态或气态样品。

　　（4）无损伤分析。测定过程不破坏或消耗样品，不影响外观、内在结构和性质。

　　（5）实时分析和远距离测定。实时在线分析特别适合工业生产上应用。利用光导纤维技术远离主机取样，将光谱信号实时传送回主机，直接计算出样品成分的含量。

　　（6）操作简单，分析成本低。除需要电能外，不需要任何耗材，大大地降低测试费用。操作上不需要专门技能和特别训练。

　　不过，近红外光谱是一种间接分析技术，它必须依赖常规的化学分析方法，测定出特定背景范围内多个标准样品成分的化学值，利用化学计量学方法建立数学模型，并通过数学模型计算待测样品的成分含量。数学模型预测的准确性与常规化学分析的准确性、建模样品的代表性、模型使用的合理性有很大关系。另外，近红外光谱分析的测试灵敏度较低，待测样品的成分含量一般不少于0.1%。

　　近红外光谱分析的主要的应用领域包括：石油及石油化工、基本有机化工、精细化工、冶金、生命科学、制药、医学临床、农业、食品、饮料、烟草、纺织、造纸、化妆品、质量监督、环境保护、高校及科研院所等。未来预期的应用还包括：医学对皮肤、健康状况等的检测；在线分析、质量分析与过程控制，许多场合近红外光谱几乎是唯一可行的在线分析方案，别无它选。大数据应用（非模型预测）与近红外进入社区家庭。近红外成像。

　　产品划分

　　近红外光谱仪器（NIR）的基本结构与一般光谱仪器一样，均由光源系统、分光系统、样品室、检测器、控制和数据处理系统及记录显示系统组成。根据光的分光方式，近红外光谱仪可分为滤光片型、色散型（光栅、棱镜）、傅里叶变换型（FT）、声光可调滤光型（AOTF）和固定光路多通道检测型五种类型。光栅色散型NIR又包括快速扫描型和二极管阵列检测器型，是市场上最受欢迎的NIR。从应用场景来看，分为实验室型和便携/手持近红外，预计未来几年便携式/手持近红外的需求将强劲增长，年增长率近10%。

　　近红外光谱分析技术由近红外光谱仪硬件、化学计量学软件和校正模型（或称定标模型或数据库）三部分构成。近红外光谱仪硬件用于测定样本，化学计量学软件用于建立校正模型，校正模型用于待测样本定量或定性的预测分析。在线近红外光谱分析系统往往还包括取样与预处理、数据通信等部分。近红外光谱仪器的附件形式多样，非常适合多种物态样本的测量。

　　近红外光谱仪市场和主要品牌

　　 全球近红外光谱（NIR）市场在2018年为4.6亿美元，预计到2025年底将达到5.6亿美元，在2019~2025年间以2.7％的复合年增长率增长。NIR市场的增长受到多种因素的驱动，例如食品和农业以及制药业的日益普及；然而，诸如高投资和安装成本等因素也正在阻碍该市场的增长。

　　中国、印度、亚太地区和世界其他地区对这些产品的需求将出现特别强劲的增长，部分原因是环境和食品行业的应用，预计未来五年将持续强劲增长。未来几年，亚太地区近红外分析仪市场的增长率预期为全球最高。

　　近红外（NIR）光谱仪涉及的主要品牌主要有赛默飞、布鲁克、FOSS、珀金埃尔默（波通）、瑞士万通、步琦、海洋光学、迅杰光远、谱育（聚光）、伟创英图、上海棱光、必达泰克等。

　　食品专用领域

　　专用于乳制品和谷物、粮油领域分析的，要属福斯FOSS、珀金埃尔默（波通）和布鲁克三家最为专业。三家厂商近两年均推出了新品。

　　以下对主要品牌的代表型号仪器做详细介绍：

　　布鲁克

布鲁克MPA II 多用途近红外，其中MPA II-D用于乳制品分析

　　MPA II 是布鲁克光谱集近 40 年设计和生产 FTIR 和 FT-NIR 光谱仪经验的结晶，具有强大的扩展灵活性和优越的性能，提供高性能的附件和灵活的操作性，满足方法开发和不同用户科研和生产 QA/QC 的需求。采用模块化设计，配置灵活。其采用的NIR前沿技术包括：耐用的长寿命光源和固态激光器。永久准直的RockSolidZL干涉仪，采用镀金处理的三维立体角镜技术，精度高、稳定性高。高灵敏InGaAs检测器，可以提供全波段的线性响应，保证最佳精确性和再现性。同时，MPA II配备的所有光学元件都得到在线诊断系统的永久监控，确保您的光谱仪正常运转。一旦有任何元件不符合参数标准，用户就能立刻收到通知。

　　其中MPA II-D 为乳品行业各种产品的质量控制提供了一种高精度的解决方案。仅用一台近红外仪器就能完成对液态、固态和性状均匀的半固态乳制品的快速质量控制，经济高效，而且所有相关的质量参数都可以进行分析。其优点包括：可应用于各种形态乳制品的质量控制；不到1分钟快速分析帮助减少生产损失；生产流程的优化确保产品的一致性；食用油或维生素预混料等辅料也都可以进行分析。其核心装置包括：可实现自动进样和均质化的LSM液体自动进样器，液体样品用透射法测量；分析固体和半固体样品用积分球漫反射测量。流通池为免维护设计，不会随着长时间的使用而磨损。

　　珀金埃尔默

珀金埃尔默DA 6200近红外分析仪

　　2019年5月，珀金埃尔默推出DA 6200近红外分析仪，该分析仪将帮助肉类和橄榄油食品加工企业进行更准确，轻松，快速的质量和过程控制。DA 6200分析仪基于新一代二极管阵列近红外透射光谱（NIR）技术，通过旋转样品进行测量，可在30秒内提供样品中脂肪，水分和蛋白质含量，以及胶原蛋白、盐和灰分的准确测试结果。这种准确度和速度也适用于大型非均匀介质样本检测。DA 6200近红外肉类分析仪可以帮助客户随时进行分析并提供实时分析结果。因此，肉糜、香肠、分割禽肉和其他肉类产品的生产商可以保证产品一致性，提高盈利能力和产品质量。橄榄油生产商亦可利用DA 6200来检验橄榄的品质，预测油品产量，优化采油工艺。

珀金埃尔默FT 9700 近红外分析仪

　　2019年9月发布的FT 9700系统基于久经考验的红外光谱技术，拥有Dynascan™干涉仪设计，系统无需通过动态校正来补偿动镜在运动中造成的的误差。通过实际验证和久经考验的干涉仪技术融合了可靠的旋转轴承，能在仪器的整个使用寿命中提供可靠的服务。绝对标准仪器（Absolute Virtual Instrument™）技术采用了以甲烷气体光谱为基准的标准化技术，能确保仪器准确校准，与传统的方法相比较，仪器的波数和线形能够更精确地实现标准化。有了AVI技术，即使更换仪器亦能得到同样的数据结果。

LAMBDA 1050+紫外-可见-近红外分光光度计

　　此外，珀金埃尔默2019年10月也推出了LAMBDA 1050+紫外-可见-近红外分光光度计，使用无格栅PMT检测器和Peltier冷却PbS检测器，在整个光谱范围内获得优异的测试性能，最大波长可达3300 nm。紫外-可见区域的波长精度可以达到0.025 nm，近红外区域的波长精度可以达到0.02 nm。此外，该仪器还可以配备一系列行业领先的、可控而且灵活的采样附件，包括：大体积双样品舱；通用反射附件；插入式积分球；万能光学平台。

　　福斯FOSS

　　2020年7月投入销售使用的NIRS™ DS2500 L采用近红外单色仪，400  -2500 nm 全光谱扫描，性能一致可确保定标的无缝转移。可快速检测油脂的多个参数，标准化的设备提供高度一致的结果，通过联网的支持服务对仪器进行监控和调整，避免意外损失并延长仪器寿命。简单易用，自动记录检测信息，提供有价值的检测结果，实现持续不断的油脂生产过程优化。特点包括：为实现最佳过程控制而设计，实现工厂标准化，让不同设备具有始终如一的性能。一致的性能和更高的质量标准，每次检测后自动进行参考样品分析，由专业技术人员远程监控仪器和定标状态。月度报告包括故障排除，保证质量并符合标准。简单易用，装入样品、选择样品类型、按下开始。无需人工控温，自动调节样品温度，快速达到目标温度。可追溯检测结果，确保操作符合标准程序。

Infratec 近红外谷物分析仪

　　2019年4月推出的Infratec 近红外谷物分析仪采用近红外透射技术，利用全息数字光栅进行全谱扫描，可获得丰富的光谱信息；光纤导光光路设计，保持仪器间高度一致性，保证定标传递的准确度；综合性ANN定标，基于FOSS 谷物行业30年丰富的谷物定标数据库，具有广泛的样品适用性和高精准度。可快速检测各类谷物、豆类等整粒谷物及面粉等粉状样品的多种参数。特点包括：快速检测，结果精准；无需化学试剂，整粒样品直接检测；按质论价，行业公认标准。

ProFoss 2在线近红外分析仪

　　2021年2月18日，FOSS宣布推出ProFoss™2，这是一款先进的在线近红外（NIR）分析仪，可帮助食品和农业生产者在黄油、豆粕、肉、新鲜奶酪等产品的生产中充分利用资源。ProFoss™2通过直接在过程中提供直接和连续的测量来帮助生产者。它可严密监控关键控制参数，从而对目标进行更严格的生产控制，例如豆粕中的蛋白质和水分，或黄油中的脂肪和水分。在上一代ProFoss™解决方案成功的基础上，ProFoss™2新品集成了近红外（NIR）技术以及相关软件和数字服务的最新进展，从而使发挥在线近红外分析的全部潜力变得前所未有的简单。

FoodScan 2近红外分析仪

　　2019年福斯推出FoodScan™ 2新款近红外分析仪，它让质量控制经理可以处理越来越复杂且时间要求严格的任务，其中包括奶酪、黄油和发酵乳制品等固体和半固体乳制品的分析。它利用最新的快速近红外技术，只需要15秒就能获得结果；可以在仪器中直接放入异型样品从而减少样品准备时间；直观的触摸屏界面更简单。它创新性地在同一设备中利用近红外透射和透反射技术获得了新的高性能；人工神经网络(ANN)定标的使用进一步节省了时间。通用定标模型基于大量全球数据，可以避免维护很多定标模型，因为与其他方法相比，需要的定标模型更少。FoodScan 2仪器标准化使新设备安装更加快速，而联网功能则通过FossAssure等新的远程支持服务节省了日常维护和汇报的成本。FoodScan 2包括3种型号：用于实验室操作的Lab TS型、用于生产环境的Pro型以及带键盘、供不需要触摸屏界面的用户使用的Lab型。

　　迅杰光远

IAS 5500

　　迅杰光远具有自主研发的、基于MEMS技术的近红外光谱仪核心模块，体积小，重量轻，但配置强大，只需配合简单的外部操控装置和采样附件，即可形成不同的产品形态：台式、便携式乃至手持式。

　　多年来迅杰光远借助近红外检测技术在粮食检测领域持续深耕迅杰光远其自主研发的在线式、离线式检测设备以其稳定的性能以及一贯的高性价比，在粮食检测用户中获得了广泛的口碑和认可。IAS 5500近红外光谱产品在大豆、油菜籽、高粱等行业的广泛应用，和对分析检测技术的不断经验积累，目前迅杰光远出品的近红外检测产品已经成为用户进行粮食评价或进行粮食加工过程监控的好助手。

　　2020年12月，由无锡迅杰光远新研发的IAS-3120便携式近红外光谱分析仪、IAS-Online-S100在线式近红外光谱分析仪、IAS-F100水果品质近红外快速无损分析系统等三款产品，通过了中国仪器仪表学会组织的专家鉴定。

　　制药、化工专用领域

　　近红外光谱技术在制药、化工、材料等原辅料的质量控制、以及生产过程中的质量控制等方面同样起到了不可替代的作用。本文仅针对实验室型近红外分析仪进行总结归纳。

　　珀金埃尔默

Spectrum 3™

　　PerkinElmer Spectrum 3™傅里叶变换红外(FT-IR)光谱仪在2020年4月上市。涵盖近、中、远红外区域，具有高度的采样灵活性和光谱性能。延续多个系列的高度模块化配置平台，多样的采样附件，可在长期使用中始终获得如一的可靠结果。从日常定性定量到高端研究应用，适用于几乎所有应用领域及行业。

　　瑞士万通

NIRS DS2500

　　NIRS DS2500 中使用的新型前置分光单色仪技术可在400 到2500 nm 全波段范围内实现通用性和稳定性的保障。NIRS DS2500 拥有很高的信噪比，只需不到 1 min 时间，即可完成苛刻低含量的高精度测量。仪器性能优秀，保证对所有生产阶段均可实施高水平的质量控制要求。光谱仪配备了用来控制光强、带宽和波长的内部标准。经验证，仪器的稳定性可以确保数据连续无缝转移，即使在长期使用之后也是如此。基于设计上的高性能，DS2500 单色仪一般不需要重新校准。不过，内部及外部标准可用于光谱仪的自动校准和质量控制。

XDS MasterLab

　　2013年，Metrohm瑞士万通在工业领域开始与Foss公司进行全球战略合作。Metrohm-NIRSystems为客户提供实验室型、旁线以及在线近红外解决方案。XDS系列近红外产品是新一代的光栅型扫描近红外分析仪，采用基于偏移技术数字全息光栅系统，其对应的NIIST可追溯的标准和方法保证了每台仪器的光度计，波长和带宽等重要技术参数的高度一致，保证了仪器之间定标模型无缝转移并且可实现网络控制操作。基于XDS近红外分析技术，Metrohm-NIRSystems开发了一系列过程分析仪、在线分析仪。

　　最新款XDS MasterLab 实验室近红外光谱分析仪为制药厂提供了涵盖各种固体剂型药品的快速可靠的试验方法：范围涵盖多层药片、糖衣药片或有核药片、胶囊、囊片和胶丸等。XDS MasterLab 近红外光谱分析仪的通用样品盘能对一系列样品或瓶装样品自动进行无人值守的反射或透射分析。样品放入样品盘后，将其插入 MasterLab 分析仪，样品盘自动定位并分析每个样品或瓶装样品。内置的光斑可调功能，可以根据药瓶直径调节样品的照度。选配的粗颗粒分析单元通过在一个较大面积上取平均值，把对非均质固体剂型的分析范围从精细粉末扩大到粗颗粒、球状颗粒和片状颗粒等。XDS NIR 技术不仅带来了优越的分析性能，提高了灵敏度，同时加快了定标方法的研发，缩短了实施时间，保证了定标的无缝转移。

　　NIRS DS2500分析仪与System II和Metrohm XDS分析仪之间可进行定标的无缝转移。其兼容性使得能以“直通车”的方式地使用System II和XDS仪器的数据，而不损失任何性能。

　　海洋光学

NanoQuest

　　NanoQuest在2020年初上市，是海洋光学最新近红外产品。它可以收集大范围的光谱数据。该传感器获得ZL的微机电系统（MEMS）技术允许在MEMS芯片上单片制作连续波迈克尔逊干涉仪。这样可以同时检测所有波长，并减轻运动对传感器稳定性的影响。每个NanoQuest均配有光纤和操作软件，并可与Ocean Insight光源和附件耦合以配置用于吸收/透射或反射率测量的系统。典型的NanoQuest NIR应用包括对假冒产品（包括纺织品）的身份验证；食物，土壤养分和工业原料的表征和定量；以及体液和其他生物标本的成分分析。

　　赛默飞

　　赛默飞的Antaris™ II FT-NIR分析仪，便于实验室开发出适用于工厂生产的分析方案和方法。Antaris II FT-NIR分析仪凭借着业内领先的模型转移性能，保证了旁线(at-line)，在线(online)，线内(in-line)的数据采集更佳稳定，可靠。可以对 Antaris II FT-NIR 分析仪进行自定义用于特殊应用，也可以选择 Antaris II MDS 方法建立采样系统，它将传输、光纤和球面漫反射分析整合在一个转钥系统内。

　　近红外发展趋势

　　近红外仪器的未来发展有几大趋势，首先是小型化如：实验室仪器的小型化如便携FT-NIR。其次是各种手持、专用化仪器、低成本的近红外光谱出现，如MEMS-NIR、微型FT-NIR、LVF-NIR。另一大趋势是用于研究领域的显微成像光谱仪和高光谱成像仪、时间分辨与空间分辨近红外光谱仪。此外工业上对于在线分析的近红外光谱仪使用也在增多。

推动近红外光谱进展的主要驱动力

　　上图显示了近红外光谱技术发展的驱动力，在未来部分打了一个问号，即尚难预测其中的新关键技术和分析能力。一种可能的推动力是已知的技术进展如微型化和成像。

　　此外，未来的投入也可能来自于NIR与其它分析技术进行信息的互补结合。例如，NIR反映样品的有机部分、提供基质信息，而如LIBS（激光诱导击穿光谱）等元素分析技术可利用这些信息校正基质效应。而随着拉曼光谱快速发展、便于使用和携带，有可能利用拉曼和NIR的互补光谱特性进行联用。在化学计量学程序的应用普适性方面也有待发展。

　　近红外成像将继续快速发展，只要HIS（高光谱成像）相机的价格下降，它将在越来越多的应用中出现，如食品质量。法医学方面，便携式HSI摄像机可以将NIR带到犯罪现场，适当的化学计量学可以帮助定位和识别几种类型的证据。

　　便携式、低成本、小型、独立的分光光度计通过无线技术进行通信已成现实。微型的NIR有望实现民用，普通市民可以免费使用其中一种仪器，比如在超市的蔬菜或水果区，甚至口袋里有自己便宜的近红外分光光度计，可以利用存储在数据云中的先前构建的模型来回答一些简单的日常问题，比如“这个苹果甜吗？”或者“这个布料是真丝的吗？”。然而，技术的民用化不应与技术的平庸化相混淆，必须坚守科学的严谨性和基本原则。若在未来支持NIR民用，必须建立定性和定量模型库，开发方便用户的实用软件。