近红外( NIR) 光谱

NIR 是“近红外光谱法” （Near Infrared spectroscopy ）的缩写，是指利用近红外辐射分析样品成分或特性的分析技术。是一种兼具定性和定量应用的分析方法。NIR 光谱仪测量红外范围内分子振动。所得数据可用于测定物质浓度和识别原材料等。

NIR 光谱是一种吸收光谱法，通过测量化合物或溶液吸收的近红外辐射量来帮助确定化合物或溶液的化学成分。

顾名思义，近红外光谱法是在近红外电磁波谱中操作的。近红外辐射波比可见光的波长略长，覆盖700nm至2500nm的光谱。

与中波长和长波长红外辐射不同，近红外光谱不具有热能。换句话说，你从明火或阳光中感受到的热量并非由近红外辐射造成。

突出显示近红外波段的电磁波谱

️工作原理

包括近红外光谱在内的各种光谱法背后的主要原理是比尔-朗伯定律。根据该定律，溶液中某种化合物的浓度决定了该溶液吸收多少光（无论是可见光还是红外光）。

️浓度越高，特定波长的辐射吸收越多。然而，近红外光谱与其他光谱方法的不同之处在于其吸收机制。

例如，在紫外可见光谱中，化合物对可见光的吸收是根据构成该化合物的电子对电磁辐射的吸收来测量的。

当电子吸收辐射时，它会进入所谓的激发态，此时电子会比其正常状态（“基态”）携带更多的能量。然而，电子不会长时间处于激发态，很快就会衰减到基态，释放出与吸收能量等量的能量。这个过程也称为️电子跃迁。

由于不同化学元素的电子进入激发态所需的能量不同，因此紫外可见光谱可以通过测量能量的大小来确定它们的性质。

NIRS 的工作原理与此不同，因为它与近红外辐射与物质之间存在独特的相互作用。近红外辐射并非激发化学元素原子内的电子，而是影响整个分子。更具体地说，它影响的是分子的振动运动——即使分子内原子结合在一起的键。

当分子暴露于近红外辐射时，它会吸收电磁光子，并开始所谓的️振动跃迁——拉伸、收缩、弯曲、前后摇摆等等。由于这种机制，近红外光谱通常被称为️振动吸收光谱。

️但是这种分子振动如何帮助通过近红外光谱确定物质的化学成分呢？

这与分子在振动跃迁状态下的行为有关。根据构成分子的化学元素，它会具有特定的振动模式。

以水分子为例。一个水分子由两个部分带正电的氢原子和一个部分带负电的氧原子连接而成。当暴露于特定频率的红外辐射时，水分子会被激发，并产生以下高能振动模式之一：

• ️不对称拉伸，其中一个氢键收缩，而另一个氢键伸展
• ️对称拉伸，在此期间两个氢键都收缩或拉伸
• ️剪刀弯曲，此时两个氢原子相互来回摆动，就像被一把剪刀刺穿一样

确定分子在暴露于红外辐射时进入的振动模式，以及激发分子进入更高振动状态所需的辐射频率，是 NIRS 背后的工作原理。

一个水分子由两个氢原子和一个氧原子组成。因此，水分子由氢键结合在一起，而近红外光谱仪（NIRS）在检测过程中会探测到氢键

️近红外光谱应用 [实际案例]

由于其非破坏性、高速和准确性，近红外光谱法被广泛用于各种科学和工业应用。

大部分此类应用都得益于 NIRS 出色的检测能力，能够检测样品中是否存在水或其他有机化学物质。以下仅列举几个例子。

石油化学分析

原油及其副产品其实就是按特定数量和比例排列的碳氢化合物和有机化合物的集合。 这使得近红外光谱检测成为石油精炼不同阶段的石化分析的理想应用。

️近红外光谱在石化分析中最常见的应用是在生产过程中实时测定精炼汽油的辛烷值。汽油辛烷值定义为精炼汽油混合物中2,2,4-三甲基戊烷（异辛烷）与庚烷的比例。

这两种物质都是基于碳氢键（C—H）的烷烃，对900nm至1700nm波长范围内的近红外辐射具有极强的接收能力。这同样适用于石油和石油基燃料的其他成分，例如PIONA（石蜡、异构烷烃、烯烃、环烷烃和芳烃）。

与传统的发动机内测试相比，使用近红外光谱法测定精炼汽油的辛烷值更快、更便宜、侵入性更小。

饮料生产

近红外辐射和碳氢键之间的独特相互作用使得近红外光谱可用于确定两种特定化合物——糖和乙醇——的存在和数量。

️因此，近红外光谱检测通常用于含糖、乙醇或两者兼有的饮料生产过程中的质量控制。后者的最佳例子是啤酒。在啤酒酿造过程中，最终产品的质量取决于酒精、可发酵糖、不可发酵糖、双乙酰和α酸（这些物质是啤酒苦味的根源）的正确比例。

所有这些成分都是有机化合物，可以在发酵和酿造过程中的任何时间点使用 NIR 测试进行准确测量。

粮食生产

考虑到 NIR 测试在饮料生产中的作用，它在食品质量控制中同样有用也是合情合理的。

这是因为️近红外光谱能够识别和测量必需的食物成分和营养素，从我们提到的糖到脂肪、蛋白质、碳水化合物等等。

近红外光不会被玻璃等半透明材料阻挡或干扰。这与紫外可见光谱法或其他类型的红外光谱法不同。因此，️近红外光谱法可用于评估食品质量，而不会影响最终包装。

️总结

近红外光谱利用不同化合物的分子键如何与近红外辐射相互作用和吸收来准确确定化学物质的性质和成分。

近红外光谱法在识别和/或测量分子结构中含有氢键的有机化合物方面尤其有效。这使得近红外光谱法在石化分析、饮料生产和食品制造中作为质量控制手段尤为有用。