近紅外（Near Infrared，簡稱NIR）光是指介于可見光與中紅外之間的電磁波，譜區(qū)范圍是780~2526nm (12820~3959cm-1)，通常又將此波長范圍劃分為近紅外短波區(qū)（780~1100 nm）和近紅外長波區(qū)（1100~2526 nm）。與中紅外相比，該區(qū)域主要是O-H，N-H，C-H，S-H等含氫基團(tuán)振動光譜的倍頻及合頻吸收，譜帶寬，重疊較嚴(yán)重，而且吸收信號弱，信息解析復(fù)雜，所以盡管該譜區(qū)被發(fā)現(xiàn)較早，但分析價值一直未能得到足夠的重視。近年來，由于計算機(jī)與化學(xué)統(tǒng)計學(xué)軟件的發(fā)展，特別是化學(xué)計量學(xué)的深入研究和廣發(fā)應(yīng)用，使近紅外成為發(fā)展最快、最引人注目的光譜技術(shù)。與傳統(tǒng)的分析方法比較，近紅外光譜分析技術(shù)擁有許多獨(dú)到之處。但和其它析方法一樣，近紅外分析方法也存在不足之處。首先，它是一種間接的分析技術(shù)，需要通過收集大量具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)樣品，通過嚴(yán)格細(xì)致的化學(xué)分析測出必要的數(shù)據(jù)，再通過計算機(jī)建立數(shù)學(xué)模型，才能預(yù)測未知樣品的結(jié)果。而模型的建立需耗用大量的人力、物力和財力；其次，由于NIR譜區(qū)為分子倍頻與合頻的振動光譜，信號弱，譜峰重疊嚴(yán)重，所以目前還僅能用于常量分析，被測定組分的量一般應(yīng)大于樣品重量的0.1%；此外，在進(jìn)行近紅外光譜分析時，應(yīng)考慮樣品的特征、分析實驗的設(shè)計及數(shù)據(jù)處理等多方面的問題，才能取得正確的分析結(jié)果，建立可靠的校正模型是利用近紅外實現(xiàn)成功分析的關(guān)鍵。

二、原理及分析方法

由于一張近紅外光譜既可以給出活性成分、輔料的化學(xué)結(jié)構(gòu)信息、還可以給出活性成分的工藝信息（如晶型、旋光度、密度等）以及制劑的工藝特征信息（如制粒的大小、硬度等）和部分包裝材料的結(jié)構(gòu)信息，所以利用近紅外光譜，我們既可以做定性分析也可以做定量分析，但與常規(guī)的分析方法不同，近紅外光譜技術(shù)不是通過觀察供試品或測量供試品譜圖參數(shù)直接進(jìn)行定性或定量分析，而是首先通過測定樣品校正集的光譜、組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)（組成或性質(zhì)數(shù)據(jù)需通過其他認(rèn)可的標(biāo)準(zhǔn)方法測定），采用合適的化學(xué)計量學(xué)方法建立校正模型，再利用建立的校正模型與未知樣品進(jìn)行比較，從而實現(xiàn)定性或定量分析。

1．定性分析

近紅外光譜譜帶較寬，特征性不強(qiáng)，因此很少像其他光譜（如紫外和紅外光譜）那樣用于化合物基團(tuán)的識別及結(jié)構(gòu)的鑒定。近紅外光譜的定性分析一般是用于被分析樣品在已知樣品集中的位置。常用的方法包括：

（1）判別分析法：分析是經(jīng)典的定性識別方法，其基本思路是相同樣品在相同波長下具有相近的光譜吸收，這種光譜間的比較可以是原始光譜也可以是經(jīng)過處理的光譜。

（2）主成分分析（Principal Component Analysis PCA）法：利用PCA方法將多種波長下的光譜數(shù)據(jù)壓縮到有限的幾個因子空間內(nèi)，再通過樣品在各個因子空間的得分確定其歸屬類別，但PCA對樣本與校正集間的確切位置缺乏定量的解釋。其缺點是當(dāng)真藥與劣藥的含量相當(dāng)接近時此法容易判錯。

（3）馬氏距離（Mahalanobis Distance MD）法：該方法的核心是通過多波長下的光譜距離定量描述出測量樣本離校正集樣本的位置，因而在光譜匹配、異常點檢測和模型外推方面都很有用。但應(yīng)用該方法時，波長位置的選擇非常重要，波長點過少，光譜得不到合理得描述；波長點過多，計算量大，為此，也有人提出將PCA與馬氏距離相結(jié)合解決模型得適用性問題，可以充分利用PCA對大量光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行降維處理，也較好地解決了馬氏距離計算時波長點的選擇問題，避免了大量光譜數(shù)據(jù)直接進(jìn)行馬氏距離計算出現(xiàn)的共線性或計算量大等問題，且克服了采用PCA自身進(jìn)行判斷界限不易量化的問題。

2．定量分析

近紅外光譜測量時一般不需對樣品進(jìn)行預(yù)處理，但測定的光譜可能受到各種干擾因素的影響。利用單一波長下獲得的光譜數(shù)據(jù)很難獲得準(zhǔn)確的定量分析結(jié)果。NIR光譜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，譜圖重疊較多，所以在進(jìn)行定量分析時，一般采用多波長下獲得的數(shù)據(jù)并進(jìn)行一定的數(shù)據(jù)處理才能獲得準(zhǔn)確可靠的分析結(jié)果。常用如下：

（1）主成分回歸（Principal Component，PCR）；原理與PCR在解釋光譜數(shù)據(jù)時起著重要作用，從主成分權(quán)重中能夠確定主成分與哪個組份有關(guān)，但確切而全面地解釋每個主成分代表什么含義迄今仍是最難解決的問題。

（2）偏最小二乘法（Partial Least Square，PLS）：該法是一種全光譜分析方法，充分利用多個波長下的有用信息，無需刻意的選擇波長，并能濾去原始數(shù)據(jù)噪音，提高信噪比，解決交互影響的非線性問題，很適合在NIR中使用。實驗證明，PLS法同近紅外漫反射光譜法結(jié)合，直接分析很多固態(tài)藥品如磺胺甲基異唑、安體舒通、安乃近、磺胺脒等是可行的。

（3）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法（Artificial Neural Networks，ANN）：近年來興起的ANN法研究，根據(jù)樣品各組分的光譜數(shù)據(jù)建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測未知樣品并討論影響網(wǎng)絡(luò)的各參數(shù)。采用ANN法的最大優(yōu)點是其抗干擾、抗噪音及強(qiáng)大的非線性轉(zhuǎn)換能力，對于某些特殊情況ANN會得到更小的校正誤差和預(yù)測誤差，并且它的預(yù)測結(jié)果要稍優(yōu)于PLS（t檢驗無顯著差異）。這可能是由于ANN法具有更強(qiáng)的非線性處理能力所致。

此外還有多元線性回歸（Multiple Linear Regression，MLR）、拓?fù)洌═opology，TP）等方法也在近紅外光譜分析中得到應(yīng)用。

三、采樣原理與技術(shù)

近紅外光譜分析的采樣技術(shù)具有相當(dāng)大的選擇彈性，可依不同樣品性質(zhì)或環(huán)境而改變。一般近紅外光譜儀主要有三種采樣方式（圖1） 。其中以漫反射式較為常用。

如圖2所示，當(dāng)光束入射到粉末狀的晶粒層時，一部分光會在各晶粒面產(chǎn)生鏡面反射，另一部分會折射入表層晶粒內(nèi)部，經(jīng)部分吸收后射至內(nèi)部晶粒界面，再發(fā)生反射，折射吸收，如此反復(fù)多次，最后由粉末表層朝各個方向輻射出來，此輻射光稱為漫反射光。

四、應(yīng)用范圍近紅外分光光度法具有快速、準(zhǔn)確、對樣品無破壞的檢測特性，不僅可用于對“離線”供試品的檢驗，還能直接對“在線”樣品進(jìn)行檢測，可廣泛地應(yīng)用于藥品的理化分析。

（一）化學(xué)分析

1．定性分析

可對藥品的活性成分、輔料、制劑、中間產(chǎn)物、化學(xué)原料以及包裝材料進(jìn)行鑒別。

2．定量分析

可定量測定藥品的活性成分和輔料；測定某些脂肪類化合物的化學(xué)值，如羥值、碘值和酸值等，水分的測定，羥基化程度測定以及溶劑量的控制。

3．過程控制

（二）物理分析

1．晶型和結(jié)晶性、多晶性、假多晶性和粒度測定。

2．溶出行為、崩解模式、硬度測定。

3．薄膜包衣性質(zhì)檢測。

4．制劑過程控制，如對混合和制粒過程的監(jiān)測。

五、溶劑

除了2.7~3.0μm區(qū)域外大多數(shù)溶劑都可以在近紅外區(qū)使用，幾種代表性溶劑的光譜區(qū)如圖6.2所示，同時附有最佳使用光程。因為分子間鍵合作用存在，近紅外光譜帶受溶劑影響很大，因此在進(jìn)行未知物分析時，標(biāo)準(zhǔn)物與樣品必須使用同一種溶劑。

六、儀器和儀器性能指標(biāo)的控制

（一）儀器

近紅外分光光度計的記錄波長范圍為780~2500nm（按波數(shù)計算為12800~4000 cm-1）。所有近紅外光譜的測定分為透射和反射兩種類型。近紅外分光光度計由光源、單色器（或干涉儀）、檢測器、數(shù)據(jù)處理和評價系統(tǒng)等組成。常用的單色器有聲光可調(diào)型、光柵型和棱鏡型。高強(qiáng)度的光源石英殼鎢燈，如石英鹵素鎢燈光源較為穩(wěn)定。檢測器常用的材料有硅、硫化鉛、砷化銦、銦鎵、汞鎘碲和氘代硫酸三甘肽。常規(guī)的普通樣品池、光纖探頭，液體透射池、積分球是一些常用的采樣裝置。需根據(jù)供試品的類型選擇合適的檢測器和采樣系統(tǒng)。

（二）儀器性能指標(biāo)的控制

1．波長使用在780~2500nm （按波數(shù)計算為12800~4000 cm-1）范圍內(nèi)具有特征吸收的合適的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)（例如含鏑、鈥、鉺等稀土氧化物）進(jìn)行波長的校驗，在校驗的波長范圍內(nèi)至少需檢查三個波長。對于傅立葉變換型的儀器，可以使用一個已被證明過的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的狹窄譜線進(jìn)行驗證。可接受的波長不確定度為：1200nm±1nm(830 cm-1±8 cm-1),1600 nm±1nm(6250 cm-1±4 cm-1), 2000 nm±1.5nm(5000 cm-1±4 cm-1)。

2．光線度性用一組透光率或反射率已知標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢查分光光度計的線性。使用標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)檢查儀器相應(yīng)值的穩(wěn)定性。

3．儀器的分辨率近紅外光譜儀的分辨率是指儀器對于緊密相鄰的峰可以分辨的最小波長間隔，表示儀器實際分開相鄰兩的能力，它是最重要的儀器指標(biāo)之一，也是儀器質(zhì)量的綜合反映。

儀器的分辨率主要取決于儀器分光系統(tǒng)的性能，對于色散型儀器而言，其分辨率取決于分光后狹縫截取的波段精度，狹縫越小截取的波段越窄，分辨率越高。但隨之而來的是能量急劇下降，靈敏度不斷降低，為了兼顧檢出靈敏度，就不能讓狹縫無限制的縮小來提高分辨率，因此，要讓色散型的儀器分辨率達(dá)到0.1 cm-1，又能得到一張質(zhì)量良好的譜圖是很困難的事。而對于傅立葉型的近紅外光譜儀，有多路通過的特點，無狹縫的限制，儀器的分辨率僅僅取決于干涉采樣數(shù)據(jù)點的多少，即取決去動鏡移動的距離，而動靜的移動由激光控制，因此可以很輕松的得到一張高質(zhì)量，高分辨的譜圖。

4．波長準(zhǔn)確度

波長的準(zhǔn)確度是指儀器所顯示的波長值和分光系統(tǒng)實際輸出單色光的波長值之間相符的程度。波長準(zhǔn)確度可用波長誤差，即上述兩值之差來表示。保證波長準(zhǔn)確度是近紅外光譜儀器能夠準(zhǔn)確測試樣品的前提，是保證分析結(jié)果準(zhǔn)確的前提。近紅外分析結(jié)果是通過用已知化學(xué)值的標(biāo)準(zhǔn)樣品的建立的模型來分析待測樣品，如果波長準(zhǔn)確度不能保證，整組數(shù)據(jù)就會因波長的移動（即X軸發(fā)生了平移）而使每個數(shù)據(jù)產(chǎn)生偏差，造成分析結(jié)果的誤差。同時，模型傳遞也會受到影響。波長準(zhǔn)確度主要取決于光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，此外還受到溫度的影響。傅立葉近紅外光譜儀因內(nèi)部裝有波長校正系統(tǒng)，儀器的光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單，干涉儀只有一個動鏡是運(yùn)動部件，且運(yùn)動速度又受到高穩(wěn)定的氦－氖干涉系統(tǒng)的監(jiān)視，加之在傅立葉儀器中使用了單色性能極好的氦－氖干涉系統(tǒng)作為采樣標(biāo)尺，因此測量的重復(fù)性和準(zhǔn)確度都非常高。而色散型儀器和濾光片型的儀器需要使用已知波長且性質(zhì)穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)經(jīng)常進(jìn)行校正，因此波長準(zhǔn)確度較低。

5．波長精密度波長精密度又被稱為波長重復(fù)性，是指對同一樣品進(jìn)行多次掃描，光譜峰位置間的差異程度或重復(fù)性，通常用多次測量某一譜峰所得波長的標(biāo)準(zhǔn)差來表示。波長精密度是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定的一個重要指標(biāo)，取決于光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，與波長準(zhǔn)確度一樣，也會影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。儀器的光學(xué)系統(tǒng)可動部件越少則儀器的波長精密度越高。

6．信噪比信噪比就是樣品吸光度與儀器吸光度噪聲的比值。儀器吸光度噪聲是指在一定的測試條件下，在確定的波長范圍內(nèi)對樣品進(jìn)行多次測量，得到光譜吸光度的標(biāo)準(zhǔn)差，儀器的噪聲只要取決于儀器光源的穩(wěn)定性、電子系統(tǒng)的噪聲、檢測器產(chǎn)生的噪音以及環(huán)境產(chǎn)生的噪聲，比如電子系統(tǒng)設(shè)計不良、儀器接地不良、外界電磁干擾等因素都會使儀器的噪聲增大。信噪比使近紅外光譜儀非常重要的指標(biāo)之一，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確度和精確度；因為近紅外光譜分析是一門弱信號的提取技術(shù)，在一個很強(qiáng)的背景信號下提取出相對較弱的有用信息，得到分析結(jié)果，所以信噪比顯得尤為重要。一般測試信噪比的方法分為兩種，一種是峰－峰值，另一種是均方根值（RMS），其中峰－峰值更能客觀的反映出信噪比。

7．雜散光強(qiáng)度

雜散光是指分析光以外被檢測器接收的光，主要是由于光學(xué)期間表面的缺陷、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計不良以及機(jī)械零件表面處理不佳等因素引起的，尤其是色散型近紅外光譜儀器的設(shè)計中，雜散光的控制非常關(guān)鍵，往往是導(dǎo)致儀器測量出現(xiàn)非線性的主要原因。雜散光對分析測量的影響在分析高吸光度樣品時更為明顯�？闺s散光能力越強(qiáng)，儀器的靈敏度越高。傅立葉型近紅外光譜儀檢測器上檢測到的信號，不是光的實際信號，而是按照f=2vυ（其中f－調(diào)制頻率；v－動鏡移動速度；υ－波數(shù)）調(diào)制的聲頻信號，故外界高雜散光不會干擾檢測，可當(dāng)作直流分量處理。一般情況下，傅立葉型儀器的雜散光信號可以忽略不計，同時其優(yōu)秀的抗干擾能力也保證了它有良好靈敏度和高的信噪比。只有在考察光柵型儀器時才需要考慮這個指標(biāo)。

8．軟件功能以及數(shù)據(jù)處理能力

軟件是現(xiàn)代近紅外光譜儀器的主要組成部分，軟件一般有光譜采集軟件和化學(xué)計量學(xué)處理軟件兩部分組成。不同公司的軟件差異較大，光譜化學(xué)計量學(xué)軟件一般由譜圖的預(yù)處理、定性或定量校正模型的建立和未知樣品的預(yù)測三大部分組成。有些公司的軟件的只能化程度較高，可以推薦最佳主成分維數(shù)等指標(biāo)，適于初學(xué)者和經(jīng)驗豐富的科學(xué)工作者使用；有些軟件的只能化程度則差些，僅僅適合經(jīng)驗豐富的使用者。

七、影響近紅外光譜的主要因素

影響近紅外光譜的主要因素有樣品溫度、樣品的含水量和殘留溶劑、樣品厚度、樣品的光學(xué)性質(zhì)、多晶型和樣品的實際儲存時間等。

八、應(yīng)用近紅外分光光度法進(jìn)行定性、定量分析的基本要求

（一）定性分析

首先建立參考譜庫，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理和數(shù)據(jù)評估，最后對數(shù)據(jù)庫的專屬性和耐用性進(jìn)行驗證。

1．參考譜庫的建立

記錄適宜數(shù)量批數(shù)的某物質(zhì)的譜圖，這批物質(zhì)必須按照建立好的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)已進(jìn)行了全面的測試，并包含了該物質(zhì)的各種信息（如生產(chǎn)企業(yè)、物理形態(tài)、粒度等的不同）。該套光譜包含了各種鑒別信息，據(jù)此可用該譜庫對被測物質(zhì)進(jìn)行鑒別。

2．?dāng)?shù)據(jù)預(yù)處理

建立一個分類或校正模型前，必須對譜圖進(jìn)行某種數(shù)學(xué)預(yù)處理，典型的方法有多元散射校正、Kubelka-Munk變換，能使噪音降低的譜圖壓縮技術(shù)以及譜圖一階或二階導(dǎo)數(shù)的數(shù)學(xué)計算法，在某些情況下可采用歸一化法。做任何數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換時必須防止基礎(chǔ)信息丟失或人為信息的引入，因此在所有情況下使用數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換的合理性必須用文件闡明。

3．?dāng)?shù)據(jù)評估

數(shù)據(jù)評估時將被測物質(zhì)的譜圖在數(shù)學(xué)相關(guān)性或其他向平的算法基礎(chǔ)上直接與譜庫中單一或平均參考譜圖比較，有多種不同的計算方法；主成分分析與聚類分析連用、SIMCA（soft independent modeling by class analogy）及近紅外儀器中使用的其他軟件。

4．?dāng)?shù)據(jù)庫的驗證

（1）專屬性

專屬性的驗證系指利用數(shù)據(jù)庫鑒別陽性化合物時能給出正確的結(jié)果，并足以區(qū)分陰性化合物。應(yīng)使用一些與譜庫中的物質(zhì)在化學(xué)結(jié)構(gòu)上相近的物質(zhì)進(jìn)行挑戰(zhàn)性驗證，驗證結(jié)果應(yīng)能將這些物質(zhì)與譜庫中的物質(zhì)區(qū)分。對譜庫中有代表性而未用于建庫（如不同批次、混合樣）的同類樣品，進(jìn)行驗證時應(yīng)能給出陽性結(jié)果。

（2）耐用性

在預(yù)處理和校正算法的參數(shù)沒有改變的情況下，考查分析中正常操作條件有微小變化的影響；

①不同操作者、環(huán)境條件（如實驗室中的溫度、濕度）變化的影響。

②樣品溫度、樣品在光學(xué)窗口的位置、探頭的深度以及被測物質(zhì)的包裝狀況的影響。

③儀器部件或進(jìn)樣裝置的更換。

（二）定量分析

首先建立一個校正模型的參考譜庫，然后進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，最后進(jìn)行方法學(xué)驗證。

1．校正模型的參考譜庫的建立

首先記錄某指標(biāo)含量已知、適宜數(shù)量樣品的光譜集，然后建立近紅外光譜與樣品某指標(biāo)含量聯(lián)系起來的數(shù)學(xué)模型�？梢允褂萌魏我粋�經(jīng)過校正、能夠清楚而確切地由數(shù)學(xué)表達(dá)并給出正確結(jié)果的定量校正方法，常用的方法由多元線性回歸法、主成分回歸法和偏最小二乘法等。

2．?dāng)?shù)據(jù)的預(yù)處理

系指近紅外譜圖數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)變換，目的室在建立校正模型前增強(qiáng)光譜特征和（或）去除（或降低）不需要的變異源。根據(jù)應(yīng)用目的可選擇適宜的數(shù)據(jù)預(yù)處理和校正算法。

3．方法學(xué)驗證

近紅外定量分析的方法學(xué)驗證與其它分析方法的要求相似。對于每一個被驗證的參數(shù)，其可被接受的限度范圍必須與該方法應(yīng)用的目的一致。通常應(yīng)考慮專屬性、線性、范圍、準(zhǔn)確度、精密度、耐用性和界外點。

九、近紅外模型的經(jīng)常性評價當(dāng)被測物質(zhì)物理性質(zhì)發(fā)生改變，或物質(zhì)的來源改變時均有必要對已建立的定性模型進(jìn)行再驗證。當(dāng)樣品組成發(fā)生變化、生產(chǎn)工藝發(fā)生改變及原料的來源（或級別）發(fā)生改變時，則需要對已建立的定量模型進(jìn)行再驗證。

十、近紅外模型的傳遞

當(dāng)近紅外模型傳遞到另一臺儀器上時，必須考慮儀器型號、數(shù)據(jù)格式、光譜范圍、數(shù)據(jù)點數(shù)量、光譜分辨率等。必須用有代表性的樣品（樣品數(shù)量依據(jù)模型確定）在一臺儀器上建立模型，這批樣品分別在建立模型儀器和另一臺儀器掃描光譜，用建立模型儀器上所建立的模型分別預(yù)測兩臺儀器掃描的光譜，對兩臺儀器測定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計驗證，以確證該模型在另一儀器上是否有效，否則另一臺儀器所使用的模型應(yīng)予重建。