1.2 近红外光谱技术的研究展望

1.降低近红外分析技术的使用难度

现代近红外光谱分析经过约半个世纪的发展，在理论和技术上已经趋于成熟。但应当指出，近红外化学计量方法是通过数学模型来预测未知样品的，由于种种复杂背景的变化、测量方法、测量条件的影响，因此近红外法不能保证预测的每一个样品都达到相同高的准确度，测定结果只能用统计方法给出测定结果的置信度，只能达到一定的准确率。对于广大的近红外技术用户，建立优秀的数学模型会有一定的困难，影响了该项技术的广泛应用。为了使近红外光谱分析技术成为一项“大众化”的分析手段，研究降低近红外光谱分析技术的使用难度是目前主要任务之一。当前近红外光谱分析技术的发展需要借助于光学、计算机（硬件技术、算法、软件技术、网络技术等）与电子等当代技术，继续改进硬软件技术，特别应侧重在应用领域的开拓，来解决实际应用中所遇到的各种问题。降低近红外光谱分析技术难度主要可以从以下几个方面来开展工作：①依靠软件技术和网络技术的支撑，建立、优化、维护、使用数学模型；②发展统一模型的标准化的专用仪器，以及云模型技术的近红外光谱仪器；③发展新的模型自学习算法；④发展智能化的分析软件等[2]。

2.近红外成像分析技术的研究展望

传统的光谱分析只能得到分析对象空间各点的平均光谱，从而得到对象空间的平均结构和组成，通常是用于均匀物质的分析。但是近红外成像技术将二维成像和光谱技术融为一体，能得到对象空间各个点的结构组成和分布信息，具有多波段、高分辨率和图谱合一的优点。近红外成像技术是近年来颇为活跃的一个研究热点，可应用于农业、工业、遥感、天文等领域[98, 127]。

果蔬品质检测对我国水果生产、消费及出口都十分重要，传统的检测方法需要破坏样品，产生的废弃物极易污染环境。高光谱成像技术包含光谱和图像信息，同时表征被测对象的外部特征和内部信息，可以实现果蔬品质的快速无损检测。国内外研究学者在果蔬品质的高光谱成像无损检测研究方面做了基础研究，如表1-2～表1-4所示[127]。

表1-2 高光谱图像技术在水果表面污染及损伤无损检测方面的应用

表1-3 高光谱图像技术在水果口感无损检测方面的应用

表1-4 高光谱图像技术在蔬菜品质无损检测中的应用

高光谱成像技术能获取待测样品较丰富的图像和光谱信息，同时对果蔬外部和内部品质进行无损检测，因而具有广阔的应用前景。高光谱信息丰富，但冗余信息多。要提高高光谱数据采集和处理的速度，研制便携式仪器，与GPS和无线传输技术结合，实现农业信息的精准获取、解析，是高光谱成像技术的重要发展方向。应大力开发面向高光谱的分析处理软件，研究高光谱数据建模算法，提高数学模型的鲁棒性，为高光谱成像技术的推广提供软件支撑。高光谱成像技术兼备可见光图像与光谱两者的优点，在精准农业方面有着重要的应用前景。

在生物医学领域，红外成像技术也是一种新的成像方法[98]。其基本原理是利用近红外光对人体组织的一定的穿透性和对血红蛋白的选择性吸收。近红外光谱技术最主要的应用当属脑血流量和脑功能的研究。当大脑受刺激时，近红外光谱能在体测量大脑额叶血流量变化，进而可用于脑功能参数的测量。使用近红外进行脑功能成像时，一些光纤头固定在研究对象的头皮上。光束透过颅骨由组织产生光散射后，有一些光束射出并被距光源几厘米远的光学传感器检测到，从而在计算机上成像。研究过程中，对象无需保持躺姿，因而更接近实际情况。此方法更具有价格低廉、非介入、实时连续等突出的优点，因而受到国际神经生物学界的广泛重视，被认为是对功能性磁共振成像（FMR1）、正电子发射断层扫描（PET）等方法的重要补充。

3.近红外过程分析技术的研究展望

将近红外用于工业的在线过程控制（Process Analytical Technology，PAT）也是一个热点问题。这是由近红外技术的特点所决定的。近红外分析技术不需要做样品制备而可以直接在复杂背景下进行无破坏、快速、多组分同时分析，它既可以分析物质的化学特性，也可以分析其物理性状。这些特点使得近红外分析可以对生产线上复杂背景下的样品不做预处理而直接进行原位瞬态分析，不干扰其生产过程。多组分同时分析的特点使得一台近红外光谱仪可以替代多种多台分析仪器，从而节省大量设备费用和维护费用，也节省大量人力和物力，因此近红外分析技术具有“分析巨人”的美誉。近红外分析因没有化学试剂的消耗和污染等副作用，被称为绿色分析技术，在人们生态环境保护意识和环保立法日益加强的现代社会中，近红外分析技术所带来的社会环境效益也是该技术得以被广泛重视的重要原因之一。

近红外光谱分析技术的迅速发展为其在过程分析中的广泛应用提供了可靠的技术保证。自1980年以来，已经有很多仪器厂商推出了各种类型的近红外在线分析仪器，这些仪器可以将分析得到的过程参数及时传输到用于过程控制的分散控制系统或现场总线系统，也可以通过以太网与信息管理系统集成。生产操作优化系统可根据这些参数调整装置控制条件，实现生产过程的平稳运行，获得可靠的质量保证。近10 年来光纤探头技术的快速发展和应用，更进一步促进了近红外在线分析技术的发展。使用光纤探头可以使光谱仪能从几百米外对生产线上的产品进行远距离测量，而对生产线上的物质流不产生任何干扰，因此可直接用于易燃、易爆、有毒环境下的快速在线检测，是一种非常安全的检测方法。总之，近红外分析方法是一种理想的过程分析技术，它为生产质量保证和质量控制提供了可靠的技术支持。从生产原材料的鉴定，到生产过程中各种参数的测定和中间产品的组分分析，直至最后的成品品质分析，近红外分析技术几乎可用于其中的每一个质量控制环节，实现对生产过程连续、实时的过程监控，确保原材料和生产过程的长期稳定和一致，获得稳定的高质量的产品[2, 10]。

近红外以其快速无损伤检测等诸多优点，被许多大型生产企业采用来作为过程质量监测的有力武器。近红外光谱仪用于在线过程分析，可及时反馈分析数据，实现装置的平稳运行和质量监控操作，可产生较大的经济效益和社会效益。

4.我国近红外光谱技术的研究展望

现代近红外光谱分析是20世纪中叶从农业分析开始发展起来的一项高新技术。随着光学、计算机数据处理技术、化学计量学理论和方法的不断发展，以及新型NIR仪器的不断出现和软件版本的不断翻新，近红外光谱技术的稳定性、实用性和准确性不断提高，其分析快速、简便、非破坏性及可同时测定多种成分的优点不断为人们所认识。与国外应用近红外光谱分析技术的情况相比，我国的近红外技术才只是刚刚起步。

我国已进入WTO，减员增效成为国内企业改革的重要措施之一，近红外分析技术的应用，可提高生产的自动化程度，节省大量人力。随着我国工业生产水平和生活水准的不断提高，最终近红外技术的应用也会同发达国家一样。正因为如此，目前国外各大近红外光谱分析仪器厂家都看好中国市场，纷纷投入了大量人力和物力，争夺中国的巨大市场。就炼油厂而言，常减压蒸馏、催化裂化、各种产品调和工艺，还有加氢和重整等工艺都非常需要在线NIR，每套装置至少需要一套在线近红外过程分析仪，按此预计我国石化需要几千套。同样，化工工业也有类似情况。而引进一台在线近红外过程分析仪一般在200～600 万人民币。对于农业粮食、食品和医药部门的需求从数量上讲更是巨大，因此，对这一技术我国具有巨大的潜在市场，在数量和规模上，其他国家无法与我国相比，属于关系到国计民生的关键技术。

由于近红外光谱包含了C-H，O-H，N-H及其他化学键的振动信息，近红外光谱测量方式包括透射、漫反射，可以测量液态和固态样品。所以，近红外应用的领域范围极其广泛。根据我国现代农业领域“十二五”规划的科学发展观，农业生产将从资源消耗型和粗放管理型向节约型和优化精确控制型转化，土壤、作物、粮食和食品等养分与产品质量分析管理占据重要地位。近红外分析技术作为质量管理所依靠的重要技术手段之一，在未来具有光明的应用前景。目前近红外分析作为新技术在我国的市场已经初步形成，目前每年近红外分析仪器（包括国产和进口产品）的销售量约近百台，年销售额约近亿万元左右，而且每年呈明显上升趋势。重要的是国内科研单位和仪器制造厂家已有了长期的成功合作，初步形成了近红外分析技术研究开发和制造的基地，具备了小批量生产能力，培养了一批专业技术人才队伍，积累了丰富的实践经验。虽然目前国产近红外产品品种不多，但是，无论实验室型分析仪还是在线分析仪都在工业上得到了较为广泛的应用，特别是在石化工业的重整、汽油调和、乙烯工业等大型炼油和化工装置上获得了应用。从仪器生产、技术应用，到售后技术服务初步形成了一套合理的发展模式，为近红外分析技术可持续发展创造了良好的氛围。在我国已经形成了近红外分析技术产业的雏形，具有良好的发展趋势。

综上所述，近红外光谱分析技术应当首先列入我国今后重点开发的分析技术计划之中。国家和相关行业应当对技术开发给予足够的资金和政策进行必要的支持。支持的重点包括两个方面：①技术平台开发，即光谱仪的核心技术，如阵列检测技术、傅里叶分光技术、声光调制技术、光纤耦合技术、样品前处理技术、测样附件技术、电子控制技术、化学计量学软件技术、模型库应用网络技术等；②模型库建立，与其他分析技术不同，近红外光谱分析技术的成套性很强，即硬件、软件和应用模型三部分必须有机结合，缺一不可。近红外光谱分析技术开发属于涉及多学科（光谱学、化学、数学、计算机和精密仪器等）和跨多行业（精密仪器制造、软件、分析研究和应用单位）的大型科学研究开发工程，所以近红外光谱分析技术发展应考虑其技术自身的特点。

随着计算机技术、光学技术等的不断发展，近红外光谱技术必将在更多领域中得到实际应用，发挥出更大潜力。