近红外光谱实战宝典

近红外光谱分析技术是一种实践性和实用性很强的现代快速分析技术，本书采用理论基础知识与实际应用相结合的编写方式，阐述了近红外光谱分析技术的原理、仪器结构、试验方法、实际应用，并针对应用过程中遇到的各种常见问题，给出实战性的解决方法，使读者能够抓住近红外光谱分析技术应用的技巧和要点。全书共7 章，包括概述、近红外光谱分析仪器、测量附件与实验方法、在线近红外光谱分析技术、化学计量学方法与建模、近红外光谱技术的应用、近红外光谱成像技术等。全书收集了200 多个在近红外光谱实际应用中的常见问题，并作出了详细的解答。
《近红外光谱实战宝典》可作为近红外光谱及相关科研领域从业人员的专业用书和培训教材，也可作为高等学校单位相关专业师生的参考读物。

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在过去的几十年，国内外学者先后撰写了几十本与近红外光谱分析技术相关的专著，涉及近红外光谱原理、仪器、方法、以及在各个领域的应用等内容，这些书籍的出版为传播和推广近红外光谱分析技术起到了积极的促进作用。近红外光谱是一门实用性和实践性极强的分析技术，涉及光学仪器、光谱学、化学计量学、软件工程和应用等诸多学科。本书的编写目的是针对近红外光谱使用者在实际应用过程中遇到的技术问题，给出实战性的实用解决方法，在近红外光谱理论知识与实践技术之间搭起桥梁，是已有近红外光谱相关书籍的必要补充。

现代近红外光谱分析技术（near infrared spectroscopy，NIRS）起源于20世纪50 年代末期，经过半个多世纪的发展，目前已达到较为成熟的水平，被广泛用于农业、食品、石化和制药等领域，并在一些领域取得了规模化的应用成效。近年来，随着仪器制造水平的提升、化学计量学方法和软件的开发，以及各种样品测定附件研制的不断进步，近红外光谱分析技术作为现代过程分析技术的主力军，凭借其独特的技术优势，在我国得到了迅猛的发展，取得了骄人的应用业绩，为我国科技和经济发展做出了贡献。
近些年，近红外光谱已逐渐成为与时代发展特征（如人工智能、大数据、云计算和物联网等）紧密相关的一项分析技术。微电子机械系统（MEMS）制造工艺、大数据、深度学习算法、云计算平台、物联网等技术的发展对近红外光谱分析技术的提升起到了积极的推动作用，工农业生产、服务业和人们日常生活等方面的发展对近红外光谱分析技术的需求起到了积极的牵引作用，在这两方面的作用下，可以预见，在未来一段时期内，近红外光谱分析技术将会得到加速发展，以近红外光谱为技术核心的商业化产品将在不同业务领域进一步提供深化和细化的服务。
在过去的几十年，国内外学者先后撰写了多部与近红外光谱分析技术相关的专著，涉及近红外光谱原理、仪器、方法以及在各个领域的应用等内容，这些书籍的出版为传播和推广近红外光谱分析技术起到了积极的促进作用。近红外光谱是一门实用性和实践性极强的分析技术，涉及光学仪器、光谱学、化学计量学、软件工程和应用等诸多学科。本书的编写目的是针对近红外光谱使用者在实际应用过程中遇到的技术问题，给出实战性的解决方法，在近红外光谱理论知识与实践技术之间搭起桥梁，是已有近红外光谱相关书籍的必要补充。
本书的撰写模式是各章节首先系统、纲要性地介绍相关知识框架，然后通过问答的形式，以实际应用过程中遇到的实用性技术为重点，从使用者的角度有针对性地提问和解答，使读者能够抓住使用近红外光谱仪的技巧和要点。参与本书撰写的编者都是工作在近红外光谱研究、应用和技术推广一线的专家和学者，他们具有深厚的理论水平和丰富的实践经验。书中的很多内容都是他们多年来通过刻苦钻研和勤于实践获得的宝贵经验与技巧。本书在编写过程中，得到了北京化工大学袁洪福教授的悉心指导，对近红外光谱分析技术的应用实践方面，袁教授给本书的编写提出了很多宝贵的建议。在此表示衷心的感谢！
本书由褚小立、李亚辉主编，王家俊、李文龙副主编，全书共分为7 章，编写人员分工如下：第1 章孙通、李博岩、王家俊；第2 章周新奇、缪同群、李文龙；第3 章闫晓剑、李文龙；第4 章李文龙；第5 章卞希慧、张进、杨越、王家俊；第6 章韩娅红、李跑、邹振民、李文龙、王艳斌、王家俊、黄越、孙通、褚小立、李亚辉、杨春芳、叶建、陈磊；第7 章吴静珠、张沐。
由于编者水平有限，书中疏漏之处，请广大读者批评指正。期望本书的出版能为近红外光谱分析技术在我国深入推广和普及应用贡献一份力量。

编者
2023年2月

第1章 概述 1
第一节 近红外光谱发展简史h 1
第二节 近红外光谱的基本原理 3
一、光谱产生机理 3
二、光谱谱带归属简述 5
三、氢键效应 5
四、问题与解答 9
·为什么近红外光谱主要包含的是含氢基团的信息？ 9
·为什么吸收强度弱反而是近红外光谱的一种技术优势？ 9
·近红外漫反射光谱与物质的浓度是线性关系吗？ 9
·哪段近红外光的穿透性较强？如何利用？ 10
·近红外光谱区域中哪段光谱包含的化学信息更丰富？ 10
·为什么氢键（效应）在近红外光谱中很重要？ 11
·为什么近红外光谱的吸收谱带较宽？ 11
·为什么环境温湿度、样品温度和含水率对近红外光谱重现性有明显的影响？ 11
第三节 近红外光谱分析与化学计量学方法 11
一、样品的分组方法及选择标准 12
二、光谱预处理方法 12
三、光谱变量选择方法 13
四、建模方法 14
五、异常值识别与模型优化方法 14
六、模型传递方法 15
七、问题与解答 16
·为什么近红外光谱定量或定性分析大多需要化学计量学方法？ 16
·校正样品在建模中的作用是什么？ 16
·近红外光谱数据预处理的常用算法有哪些？ 16
·在实际应用中导数及平滑预处理应注意什么？ 17
·在实际应用中光谱变量（波段）选择应注意什么？ 17
·近红外光谱定性、定量建模的常用算法有哪些？ 17
·波长变量、主成分分析法（PCA）的主成分数及偏最小二乘法（PLS）潜变量三者有什么差别？ 17
·近红外光谱定量、定性分析从哪些基本数据处理方法和建模方法入手？ 18
第四节 近红外光谱分析的基本流程与特点 18
一、近红外光谱分析的基本流程与特点 18
二、问题与解答 21
·近红外光谱与中红外光谱相比，各有哪些技术优势？ 21
·近红外光谱与拉曼光谱相比，各有哪些技术优势？ 21
·近红外光谱与太赫兹光谱相比，各有哪些技术优势？ 21
·近红外光谱与低场核磁相比，各有哪些技术优势？ 22
·近红外光谱与激光等离子体光谱相比，各有哪些技术优势？ 22
·短波和长波近红外各有什么特点？ 22
·哪些场合不适合采用近红外光谱分析技术？ 22
·近红外光谱分析擅长哪些应用场景？ 23
·以近红外光谱分析为例，如何理解无损分析？ 23
第五节 现代过程分析技术与近红外光谱技术 23
一、现代过程分析技术简介 23
二、在线近红外分析系统 24
三、问题与解答 26
·为什么将近红外光谱列为现代过程分析技术的主要手段之一？ 26
·使用近红外光谱分析技术需要具备哪些条件？ 26
第六节 近红外光谱分析技术展望 26
一、近红外光谱仪的微型化 27
二、近红外光谱仪的智能化 29
三、近红外光谱仪的标准化 30
四、光谱分析技术的现代化 31
参考文献 34

第2章 近红外光谱分析仪器 37
第一节 近红外分析仪器基本构成 37
一、光源系统 38
二、分光系统 39
三、样品室 39
四、检测器 39
五、控制和数据处理系统 40
第二节 近红外光谱仪器的分光类型 41
一、滤光片型近红外分析仪 42
二、光栅分光系统 42
三、傅里叶型分光系统 43
四、阿达玛变换型系统 46
五、声光可调滤光器分光系统 46
六、基于DLP 技术的分光系统 47
七、显微成像近红外技术 48
八、高光谱成像近红外技术 49
第三节 实验室用仪器 50
第四节 便携式和微小型仪器 51
一、便携式仪器 51
二、MOEMS 微小型仪器 52
三、微小型近红外光谱仪器展望 52
第五节 仪器的性能指标 55
一、波长范围 55
二、分辨率（光谱带宽） 56
三、波长准确度 57
四、波长精密度（重复性） 57
五、吸光度噪声（信噪比） 58
六、吸光度稳定性 59
七、吸光度准确性 59
八、杂散光 60
九、问题与解答 60
·影响近红外光谱仪器噪声的主要因素有哪些？ 60
·衡量近红外光谱仪器之间一致性的主要指标有哪些？ 61
·为什么近红外光谱仪器的长期稳定性很重要？ 61
·《中国药典》对近红外光谱仪器的性能指标有何要求？ 61
第六节 近红外光谱仪器的测量软件 61
一、仪器控制与管理 62
二、测量分析 62
三、数据管理 62
第七节 仪器的维护及校准 62
一、仪器的维护 62
二、仪器的校准与IQ、OQ 和PQ 63
三、问题与解答 65
·实验室型近红外光谱仪器日常维护有哪些？ 65
·需要间隔多长时间进行一次近红外光谱仪器的校准？ 66
·氟化钙分束器与石英分束器的性能有何差异？ 66
·氦氖激光器与半导体激光器的性能有何差异？ 66
·近红外光谱分析常用的光源有哪些？ 66
·微型CCD 近红外光谱仪的狭缝如何选择？与分辨率的关系如何？ 66
·在近红外定性定量分析中，为什么近红外光谱仪器的性能稳定性、同类型近红外光谱仪器之间的光学性能一致性很重要？ 66
参考文献 67

第3章 测量附件与实验方法 68
第一节 近红外光谱的测量方式 68
一、漫反射测量 69
二、透射测量 70
三、透反射测量 70
四、问题与解答 71
·液体样本的近红外光谱通常采用哪些测量方式？ 71
·固体样本的近红外光谱通常采用哪些测量方式？ 71
第二节 常见的测量附件 71
第三节 多种类型样品的采样及误差来源 74
一、采样及误差来源 74
二、问题与解答 76
·水果测量时应注意哪些问题？ 76
·漫反射测量时应注意哪些问题？ 76
·近红外光谱能测量气体吗？ 76
·使用光纤测量附件应注意哪些问题？ 77
·透射测量时应注意哪些问题？ 77
·采样杯、比色池光学材料对光谱重现性有什么影响？ 77
·固体粉末粒径对光谱重现性有何影响？如何提高光谱的重现性？ 77
第四节 光谱采集参数设置 78
一、光谱采集参数的设置 78
二、问题与解答 78
·光谱采集参数如何优化？ 78
·漫反射和透射测量时，参比光谱如何选取？ 79
·近红外光谱测量时，吸光度为什么会出现负数？ 79
参考文献 79

第4章 在线近红外光谱分析技术 80
第一节 在线近红外光谱分析仪的构成 80
一、硬件 81
二、软件 82
第二节 取样与样品预处理系统 84
一、取样点 84
二、取样探头和样品输送 84
三、样品预处理系统 85
第三节 在线测量方式 86
一、液体样品 87
二、固体样品 88
三、悬浮液与乳状液样品 89
四、问题与解答 89
·在线分析必须使用样品预处理吗？ 89
·选择光纤探头或流通池应注意哪些问题？ 89
·采用液体插入式漫反射探头应注意哪些问题？ 90
·探头的安装位置应如何选取？ 90
·在线取样固体时应注意哪些问题？ 90
·如何取到与光谱测量对应的在线样品？ 91
·如何实现一台在线仪器测量多个检测点？ 91
·在线分析校正模型是如何建立的？ 91
·光纤的有效传输距离有多长？ 92
·选择在线近红外光谱仪应考虑哪些问题？ 92
·制药企业对在线分析仪器有哪些特殊要求？ 93
·在传递带上对物料进行漫反射测量应注意哪些问题？ 93
第四节 在线工程项目的实施 93
第五节 在线分析系统的管理与维护 96
一、在线分析系统的管理 96
二、在线分析系统的验证及其维护 97
三、问题与解答 99
·国内外涉及近红外光谱分析技术的标准有哪些？ 99
·对温湿度变化大、粉尘大的环境条件，在线或现场近红外光谱分析应注意什么？ 99
参考文献 100

第5章 化学计量学方法与建模 101
第一节 化学计量学历史沿革 101
第二节 样本分组方法 102
一、随机分组方法 103
二、KS 分组方法 103
三、SPXY 分组方法 103
四、最优K 相异性方法 104
第三节 奇异样本识别方法 104
一、经典识别方法 105
二、稳健识别方法 105
三、基于统计学的识别方法 109
第四节 光谱预处理方法 111
一、背景扣除方法 112
二、散射校正方法 114
三、噪声去除方法 116
四、尺度缩放方法 118
第五节 波长选择方法 118
一、波长点的选择方法 119
二、波长区间的选择方法 126
三、变量加权的方法 126
第六节 化学模式识别方法 128
一、主成分分析 128
二、系统聚类分析 128
三、独立簇类软模式130
四、偏最小二乘-判别分析130
五、人工神经网络130
六、支持向量机131
七、极限学习机131
八、集成化学模式识别132
第七节 多元校正方法132
一、多元线性回归133
二、主成分回归133
三、偏最小二乘回归134
四、支持向量回归134
五、人工神经网络134
六、极限学习机135
七、深度学习算法135
八、集成多元校正方法135
第八节 定量分析建模的主要步骤136
一、样本的选择136
二、可行性模型的建立138
三、光谱预处理138
四、波长选择139
五、校正模型的建立139
六、定量模型性能的评价139
七、问题与解答140
·建模的样本越多越好吗？ 140
·何为有代表性的样本？如何选取？ 140
·什么是奇异样本？ 141
·如何识别建模过程中的奇异样本？ 141
·建模过程中光谱预处理方法如何选择？ 141
·建模时先进行光谱预处理还是先选择波长（波段）？ 142
·建模过程中光谱波长（波段）变量如何选择？ 142
·同一方法进行（波段）波长选择，每次（波段）波长选择结果不一致，如何处理？ 142
·采用小波分析处理近红外光谱，常用的小波基函数是哪些？ 142
·一般情况下，建模所用的波长变量数与样本数之间需要满足什么条件？ 143
·影响近红外光谱分析模型的主要因素有哪些？ 143
·近红外光谱预测结果的准确性能够超过参考方法吗？ 143
·建模时，何时选用非线性校正方法？如何选取非线性校正方法？ 144
·选择PLS 校正的最佳（适宜）因子数的方法有哪些？ 144
·提高模型预测准确性的方法有哪些？ 145
·提高模型预测稳健性的方法有哪些？ 145