14、生物材料的近红外光谱技术解析

生物材料的近红外光谱技术解析

1. 引言

1.1 历史视角

1666 年，艾萨克·牛顿首次用棱镜证明“白光”由多种颜色组成。直到 1800 年，威廉·赫歇尔才首次观察到可见光谱红色部分以外辐射的热效应，这可能是近红外（NIR）区域的发现。1881 年，兰利发明了测辐射热计，将光谱测量扩展到红外区域。但近红外区域用于分析测量的潜力在近 80 年才被认识到。现代化学计量学自 1980 年以来逐渐成熟，提升了近红外技术的吸引力。

二战推动了中红外（MIR）技术的商业发展。早期分析光谱学家因难以解释近红外光谱，直到 20 世纪 50 年代，珀金埃尔默将可见光和近红外光谱结合到一台商业仪器中，近红外技术才逐渐发展。20 世纪 50 年代末至 60 年代初，卡尔·诺里斯开始深入研究致密光散射材料的光学性质。到 1975 年，美国多个研究中心建立了近红外扫描技术。如今，有超过 30 家制造商为近红外领域提供硬件和软件。

1.2 生物样本

生物样本来源广泛，包括生物体、植物或动物（含人类），涵盖农业、食品和动物应用等。植物和动物材料的光谱特性取决于其化学成分，包含碳、氢、氧等多种元素，宏观上由蛋白质、碳水化合物等复杂分子组成，这些分子又由简单化合物构成，非纤维部分在纤维基质中排列复杂，性质难以预测。

1.3 定性近红外光谱学

对生物样本光谱进行定性分析可实现以下四点：
1. 识别或分类未知物质；
2. 比较已知吸收带的相对强度；
3. 检测杂质的存在；
4. 确定混合物中成分的存在与否。

这些都依赖化学计量学，需计算机进行计算。文章将从主要化学成