近红外土壤有机质检测
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班 级 12级测 专 业 测控技术与仪器 指导教师 完成日期 2013年12月18日
摘要
土壤是农业生产的基础，采用近红外光谱技术实现对土壤养分的快速分析，研制分立波长型近红外土壤养分测量系统，指导农业生产过程，有助于改变现有农业的粗放经营状态。
红外光谱技术在土壤学中已得到较广泛的应用，它能够综合地反映土壤体系的物质组成及其相互作用，为研究土壤中物质循环及其作用过程提供了新的手段。本文回顾了近年来红外光谱技术在土壤学中的应用，包括透射光谱在土壤定性分析中的应用，并重点介绍红外反射光谱技术发展情况及其在土壤定量分析中的应用。
关键字：土壤、近红外、光谱、有机质
目录
一、 近红外光谱技术的背景、发展历史及意义 ......................................................................... 1
（一）近红外光谱的发展背景 ............................................................................................... 1 （二）国外NIR 技术应用状况 ............................................................................................. 1 （三）我国近红外光谱技术研究状况 ................................................................................... 2 二、近红外光谱法的特点 ............................................................................................................... 2 三、工作原理 ................................................................................................................................... 3 四、定量分析的过程 ....................................................................................................................... 5 结束语 .............................................................................................................................................. 6 参考文献........................................................................................................................................... 7
一、近红外光谱技术的背景、发展历史及意义
（一）近红外光谱的发展背景
从20世纪50年代起，近红外光谱技术就在农副产品分析中得到广泛应用，但是由于技术上的原因，在随后的20多年中进展不大。进入20世纪80 年代后，随着计算机技术的迅速发展，以及化学计量学方法在解决光谱信息提取和消除背景干扰方面取得的良好效果，加之近红外光谱在测试技术上所独有的特点，人们对近红外光谱技术的价值有了进一步的了解从而进行了广泛的研究。数字化光谱仪器与化学计量学方法的结合标志着现代近红外光谱技术的形成。数字化近红外光谱技术在20 世纪90年代初开始商品化。近年来，近红外光谱的应用技术获得了巨大发展，在许多领域得到应用，对推进生产和科研领域的技术进步发挥了巨大作用。近红外光谱技术是90年代以来发展最快、最引人注目的光谱分析技术，测量信号的数字化和分析过程的绿色化使该技术具有典型的时代特征。由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性，使近红外光谱技术在实时在线分析领域中得到很好的应用。在工业发达国家，这种先进的分析技术已被普遍接受，例如1978年美国和加拿大采用近红外法代替凯氏法，作为分析小麦蛋白质的标准方法。
20世纪90年代初,外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析仪器产品,但在很长时间内，进展不大，其原因主要是：首先，近红外光谱分析要求光谱仪器、光谱数据处理软件（主要是化学计量学软件）和应用样品模型结合为一体，缺一不可。但被分析样品会由于样品产地的不同而不同，国内外的样品通常有差异，因此，进口仪器的应用模型一般不适合分析国内样品。如果自己建立模型，就需要操作人员了解和熟悉化学计量学知识和软件，而外商在中国的代理机构缺乏这方面的专业人才，不能有效地根据用户的需要组织培训，因此，用户对这项技术缺乏全面了解，影响到了它的推广使用。其次，进口仪器价格昂贵，售后技术服务费用也往往超出大多数用户的承受能力。
1995年以来，国内许多科研院所和大专院校开始积极研究和开发适合国内需要的近红外光谱分析技术，并且做了大量技术知识的普及工作，为我国在这一技术领域的发展奠定了良好的基础，开创了崭新的局面。 （二）国外NIR 技术应用状况
目前大约有40 多个国家和地区开展NIR 的研究和应用工作, 特别是一些发达国家如美国、英国、德国、日本、加拿大、澳大利亚等表现得尤为突出, 这些国家都拥有大量的各种类型的NIRS 分析仪器分布在各行各业, 有研究型、专用型、有供巡回检测用的流动车, 还有直接安装在生产线的某个环节进行生产过程的质量检验或产品分捡。如日本现有数量已超过3 000 台, 是我国现有量的10 倍, 而且都在实际应用中发挥作用。特别是近红外光谱技术用于分析农牧产
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品和食品中的蛋白质、水分、含油量(或脂肪) 、纤维素、淀粉等养成分在国外已是十分成熟的技术, 在农业品质育种、农牧产品品质评价、食品品质和加工过程控制中已广泛应用,许多方法已经成为AOAC , AACC , ICC 的标准方法。 （三）我国近红外光谱技术研究状况
我国从20 世纪80 年代开始涉足近红外光谱技术的研究, 首先由北京农业大学用于农产品的品质分析。“七五”期间我国把近红外定标软件的研制列入国家攻关计划, 组织20多家研究所联合完成了饲料和农产品的上百个项目的定标工作 , 之后又开发研制了滤光片式NIR 分析仪 , 这些工作为我国的NIR 研究奠定了一定的基础。但是由于其硬件系统和软件技术还不够完善方便, 建成的模型也未能广泛的推广应用, NIR 的研究一度处于停滞状态, 大量NIR 光谱仪闲置起来, 造成很大浪费。直到20 世纪90 年代中期, 北京蔬菜研究中心在蔬菜、水果的品质分析方面做了大量的工作, 研究出40 多个数学模型, 在大白菜和西红柿品质育种中发挥了重要作用。金同铭等还利用近红外光谱通过模式识别, 判别蚕茧的性别。近年来, 中国石油化工科学院又将NIR 技术成功用于原油组成和炼油过程中多个指标(辛烷值、密度、馏程等) 的同时监控, 在对现有NIR 光谱仪充分调研的基础上, 还提出采用固定光路, CCD 器件做检测器的技术路线, 研制出样机并形成自己的专利技术。NIR 技术的研究和应用从新得到应有的重视。目前虽然我国NIR 技术的研究在某些方面已达到国际先进水平, 但总体情况与国际水平还有大的差距。只有加强协作, 全国一盘棋, 建立NIR 研发中心, 集中具有丰富经验的专家学者, 充分利用有限的资金和样品资源, 一方面充实完善模型据库, 另一方面开发价廉便携式的可用于现场检测的近红外光谱仪, 通过现代网络技术, 使建立的数学模型更广泛地与终端用户共享, 并利用丰富的终端样品信息, 不断修正完善现有模型, 才能使NIR 技术真正成为分析的巨人, 在各个领域发挥作用。
二、近红外光谱法的特点
近红外光谱具有的优势为:
（1）分析速度快，测量过程大多可在1min内完成。
（2）分析效率高，通过一次光谱测量和已建立的相应校正模型，可同时对样品的多个组分或性质进行测定提供定性、定量结果。
（3）适用的样品范围广，通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状体等不同物态的样品光谱测量方便。
（4）样品一般不需要预处理，不需要使用化学试剂或高温、高压、大电流等测试条件，分析后不会产生化学、生物或电磁污染。
（5）分析成本较低（无需繁杂预处理，可多组分同时检测）。 （6）测试重现性好。
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近红外土壤养分检测
