近紅外光譜是什么？

近紅外光譜分析的應(yīng)用在中國(guó)的發(fā)展較為緩慢，所以大部分人都應(yīng)該不是很了解這項(xiàng)早在19世紀(jì)就被德國(guó)科學(xué)家威廉·赫歇爾發(fā)現(xiàn)的一種使用電磁光譜（從780 nm到2526 nm）的近紅外區(qū)域的光譜。

為了幫助各位讀者能快速認(rèn)識(shí)它，這里作者會(huì)盡量避免術(shù)語(yǔ)的使用來(lái)為大家介紹這神奇的近紅外光譜。

首先給大家看一下我們生活中常見(jiàn)的液體乙醇的近紅外光譜圖，它的橫軸代表的是光波的波數(shù)，而縱軸代表的是透射率（Transmittance）。這是紅外光譜的其中一種表示方法，另外一種使用的是吸光度（Absorbance）作為圖像的縱軸。

我們從初高中的化學(xué)課程的學(xué)習(xí)中，就了解到了物體是由分子構(gòu)成的，而分子都會(huì)不同程度的吸收紅外光，而當(dāng)某一波長(zhǎng)的光被分子吸收得越多，透射率也會(huì)隨之降低，同時(shí)圖像的”峰“也會(huì)增強(qiáng)。當(dāng)物體的分子吸收了很多不同波長(zhǎng)的光時(shí)，在最后測(cè)得的紅外光譜就會(huì)出現(xiàn)不同的”峰“，我們一般將這種”峰“稱(chēng)為吸收峰。

而近紅外光譜實(shí)際上是分子的振-轉(zhuǎn)光譜，是由于分子在吸收了近紅外光之后發(fā)生的振動(dòng)能級(jí)躍遷與轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)躍遷之后測(cè)得的光譜。

能級(jí)躍遷：是由于分子運(yùn)動(dòng)遵循量子力學(xué)規(guī)律，當(dāng)分子在吸收光子之后，分子就有足夠的能量向較高的能級(jí)進(jìn)行躍遷，同樣分子在釋放光子之后也能從較高的能級(jí)躍遷到較低的能級(jí)。值得指出的是，分子的電子運(yùn)動(dòng)、振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)都是量子化的。（利用能級(jí)間的選律也能分辨紅外光譜與拉曼光譜的區(qū)別，本文暫不做過(guò)多論述）

而每個(gè)分子或分子團(tuán)的紅外光譜都是不盡相同的，所以通過(guò)檢測(cè)紅外光譜，就能達(dá)到不用任何化學(xué)試劑，不用接觸被測(cè)物體，就能夠?qū)崿F(xiàn)精確檢測(cè)被測(cè)物的各種分子性質(zhì)，就像本文給出的乙醇的紅外光譜圖一樣，簡(jiǎn)單的說(shuō)，只要紅外光譜圖長(zhǎng)得像這樣的，被測(cè)物就一定是乙醇溶液。所以紅外光譜的發(fā)展前景和市場(chǎng)是十分可觀的。

近紅外光譜檢測(cè)儀的作用簡(jiǎn)述

說(shuō)了這么多近紅外光譜，我們來(lái)講一講人類(lèi)用來(lái)觀察近紅外光譜的“眼睛”，近紅外光譜檢測(cè)儀，現(xiàn)在最常用的檢測(cè)儀是基于傅里葉變換所研制的傅里葉變換紅外（Fourier transform infrared，F(xiàn)TIR）光譜儀，本文也只介紹這一種光譜儀。

首先光譜儀中會(huì)使用紅外光源（干涉儀）來(lái)發(fā)生連續(xù)波長(zhǎng)的紅外光，在連續(xù)波長(zhǎng)的光源照射到被測(cè)樣品后，樣品中的分子會(huì)吸收某些波長(zhǎng)的光（吸收方式如上小節(jié)所述）。而沒(méi)有被分子吸收的光則會(huì)到達(dá)檢測(cè)器，檢測(cè)器會(huì)將檢測(cè)到的光信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在通過(guò)傅里葉變換后就可以得到被測(cè)物的單光束光譜，而實(shí)際上這個(gè)光譜還包括了空氣與儀器中零部件的信息，需要扣除掉這些噪音光譜，才能最后得到被測(cè)物的紅外光譜。

而儀器中的各種干涉儀與零部件也導(dǎo)致了這種儀器十分的笨重且難以移動(dòng)，只能進(jìn)行固定的分子檢測(cè)

而為什么作者我會(huì)說(shuō)近紅外光譜分析是大數(shù)據(jù)時(shí)代冉冉升起的一顆新星呢？這種只會(huì)在實(shí)驗(yàn)室出現(xiàn)的笨重的檢測(cè)儀器完全與大數(shù)據(jù)搭不上邊呀！

近紅外光譜分析與大數(shù)據(jù)分析的碰撞！

與全球近紅外的發(fā)展相比，中國(guó)近紅外光譜學(xué)科的發(fā)展處在急劇上升的階段，相關(guān)的新技術(shù)、新應(yīng)用基本上每年都會(huì)有新花樣，不僅如此，中國(guó)的光譜學(xué)學(xué)者在近紅外的前沿研究方面也取得了突出的成果。而現(xiàn)在近紅外光譜分析也遇上了大數(shù)據(jù)與物聯(lián)網(wǎng)的黃金時(shí)代！

隨著光譜儀中所使用的檢測(cè)器的物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用和拓展，近紅外光譜的個(gè)性化建模也可望成為現(xiàn)實(shí)。它必將大幅提高終端的分析能力，同時(shí)，又可以提高基于大數(shù)據(jù)的近紅外光譜的數(shù)據(jù)的質(zhì)量以及精確度。

而與物聯(lián)網(wǎng)的結(jié)合，也使紅外光譜分析能夠與工業(yè)環(huán)境下的各種其他機(jī)器進(jìn)行交互，比如：一條生產(chǎn)線(xiàn)，使用傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)行產(chǎn)品的質(zhì)量檢測(cè)（或是別方面的檢測(cè)），當(dāng)質(zhì)量出現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，由于得到的信息更多更精確，甚至連生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)修復(fù)產(chǎn)品質(zhì)量的功能都能夠報(bào)以希望！實(shí)現(xiàn)真正的工業(yè)4.0現(xiàn)代化無(wú)人生產(chǎn)線(xiàn)！

利用大數(shù)據(jù)與深度學(xué)習(xí)的力量，我們可以設(shè)想一下，將全世界所有的分子的光譜圖都儲(chǔ)存到一個(gè)服務(wù)器中，然后通過(guò)類(lèi)似人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、偏最小二乘、主成分分析的算法對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行精確檢測(cè)及識(shí)別，從而從復(fù)雜的光譜圖中一一分離出它所蘊(yùn)涵的分子，從而不用接觸的迅速得到它的所有信息。

因此，新的基于大數(shù)據(jù)的光譜建模及分析技術(shù)的發(fā)展將會(huì)成為中國(guó)近紅外光譜學(xué)的下一個(gè)重要突破方向，或?qū)⒋龠M(jìn)近紅外光譜技術(shù)在工業(yè)/農(nóng)業(yè)/食品甚至是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮其獨(dú)特的作用。

畢竟，這可是一個(gè)可以不用接觸物體就能把它全部的化學(xué)性質(zhì)看光光的神奇玩意啊！

文章小結(jié)

中國(guó)的近紅外光譜的發(fā)展雖然前面相比世界的近紅外光譜發(fā)展是落后的，但作者相信，中國(guó)近紅外光譜技術(shù)一定會(huì)迅速發(fā)展，形成中國(guó)特色的近紅外光譜領(lǐng)域！其實(shí)第19屆國(guó)際近紅外光譜會(huì)議(NIR2019)于2019年9月15-20日在澳大利亞黃金海岸(Gold Coast)國(guó)際會(huì)議中心召開(kāi)。來(lái)自36個(gè)國(guó)家的347位代表參加了此次會(huì)議，其中中國(guó)代表團(tuán)有30余位代表，同時(shí)還有9位中國(guó)海外留學(xué)生及華人代表。

這也證明了中國(guó)在國(guó)際近紅外光譜的領(lǐng)域的影響力也越來(lái)越大，向中國(guó)的近紅外光譜研究學(xué)者們致以感謝！希望中國(guó)的高新技術(shù)發(fā)展能夠越來(lái)越往世界科技前沿邁進(jìn)！