随着我国经济的不断发展，汽、柴油和航空燃油等油品已经与人们的生活密不可分。从2002年开始，我国原油的年进口量逐年递增，并且在2019年，该数量已突破5亿吨。然而，某些不法厂商为获取高额利润，通常会在油品中添加低廉的化工原料，这严重影响了油品质量。因此，在应急情况下，通过快速方法检测油品的质量和种类尤其重要。
作为一种快速、高效、低廉的分析方法，近红外光谱技术已在石油化工领域得到较为广泛地应用。并且，为实现近红外光谱技术在不同场景中对油品的快速分析，近年来已经有多种类型的近红外光谱仪问世，比如台式近红外光谱仪、光纤近红外光谱仪、手持型近红外光谱仪、袖珍式近红外光谱仪等。针对这个现状，本文综述了近红外光谱分析方法和仪器的发展现状，并重点介绍了便携式光纤光谱仪和光纤探头式近红外光谱仪器的发展及其在燃油分析方面的应用，最后对探头式近红外光谱仪器的发展进行了展望。
1 近红外光谱分析技术
近红外光是指谱段为（780～2526) nm的电磁波，是人类历史上最早发现的不可见光。近红外光谱是介于紫外可见光谱和中红外光谱之间的一种分子吸收光谱，是英国物理学家Herschel在对太阳光谱进行研究时发现的。因此，为了纪念这位伟大的物理学家，通常把（780～1100) nm这个谱段称之为Herschel谱段。二战期间，科学家们开始利用近红外光谱技术分析石油和橡胶的品质，但在随后的几十年中，由于机械加工水平较低，无法生产高性能的光谱仪器，以及样品在近红外光谱区域谱带较宽，无特征吸收峰，难以实现定性或定量分析，严重限制了该技术的应用。直到20世纪70、80年代，随着工业水平的提高和化学计量学的发展，近红外光谱技术才开始重新受到关注。
近红外光谱技术已在石油化工、生物医药、环境监测和农业生产中得到广泛应用，这与其自身的特点有着密不可分的关系。下面将具体分析近红外光谱技术在分析应用中的优点与缺点：
1.1 近红外光谱的优点
(1）可对大多数的实验样品直接进行分析，无需复杂的预处理，如高温加热、高压或经过特定化学反应等。
(2）所需的样品量较少，尤其适用于微量或痕量样品分析，且在使用过程中不会产生污染，是一种绿色分析技术。
(3）能够实现各种形态的样品分析。近红外光谱中的短波穿透性很好，该技术不仅可用于分析常见的液体物质，也可用于测定胶体、半固体或胶体物质。
(4）近红外光谱分析仪的操作简单，对实验人员的要求不高，大多数具有相关化学背景的人员只需进行简单的培训即可胜任此类操作。
(5）分析时间短、成本很低，且分析效率高。该技术在几分钟或十几分钟内即可实现样品多种性质的同时分析，适用于大量数据的检测分析，具有较高的经济效益。
(6）该技术几乎不会对样品造成损伤，适用于临床医学上的活体检测等领域。
(7）大多数近红外光谱分析仪器结构通常较为简单，便于维修维护。
(8）可实现危险或复杂环境下的样品分析，当需要检测分析具有危害的物质或不便于操作人员接近时，利用光纤式近红外光谱设备可实现样品的远距离测试。
1.2 近红外光谱的缺点
(1）由于近红外光谱分析技术是基于含氢基团的倍频和合频吸收，信号较弱，检测灵敏度较低，无法检测含量较低的样品成分。
(2）近红外光谱的数据量较大，需要有合适的化学计量方法进行建模，而建模分析往往需要专业技术人员才能完成。
因此，在实际应用和科学研究中，需充分考虑近红外光谱技术的特点，使其能够更好地服务于社会生产活动。
2 近红外光谱仪的发展概况
20世纪50年代，在美国农业部的支持下，Karl Norris等人研制出了世界上第一台近红外光谱仪。该仪器是在Cary 14单色仪的基础上通过改进而成，不仅具备近红外光谱扫描功能，还具有与当时微型计算机进行数据传输的功能。随后，近红外光谱仪器得到较大的发展。相较于国外早已趋近成熟的近红外光谱仪研制技术，国产化的近红外光谱仪器开发较为滞后，直到20世纪90年代初期，伴随着近红外光谱技术在分析化学中的广泛利用，我国才开始投入大量的人力物力从事近红外光谱仪的研究。20世纪90年代后期，国产化近红外光谱仪器研究逐步取得一定的成果，并在石油化工、生物医药和农业生产等领域得到了较多的应用。
2.1 近红外光谱仪的种类及特点
经过几十年的发展，国内外科研工作者已研制出了多种类型的近红外光谱仪，根据分光系统的不同，可以分成滤光片型近红外光谱仪、光栅色散型近红外光谱仪、傅立叶变换型近红外光谱仪和声光调制滤光器型近红外光谱仪4种类型。这4类近红外光谱仪各自的特点具体如下：
(1）滤光片型近红外光谱仪光通量大，记录信号速度快，但由于受滤光片数量的限制，在分析复杂样品体系时不具备优势。
(2）光栅色散型近红外光谱仪分辨力较高。但这类仪器由于光栅和反光镜的轴承需要一直转动，产生的摩擦会使仪器零部件更容易损耗，从而导致测量数据不够精确。因此，该类型设备故障率较高，需经常检修和更换零部件。
(3）傅立叶变换型近红外光谱仪最大的特点是可以同时记录并且测量全部近红外波长区域的信号，而且波长准确度、分辨力和信噪比会比其他类型的光谱仪更高。但该类型仪器对于环境和操作要求较高，环境稍有改变就会导致测量数据产生偏差。另外，其受操作者使用习惯的影响也较大。
(4）声光调制滤光器型近红外光谱仪的波长切换速度较快，对环境和操作的要求不高，具有良好的光谱测量重复性。但相较于其他类型的近红外光谱仪，该设备的分辨力较低，并且价格较贵，限制了该类型设备的应用。
2.2 近红外光谱仪发展趋势
为促进近红外光谱分析技术在多个领域中的更好应用，科研工作者也在持续不断地从事近红外光谱仪的研究。近年来，部分便携或微型近红外光谱仪器也得到发展，并且在生产生活中得到应用，如三星电子在2019年研制出了一种具有近红外光谱仪功能的智能手机。该手机后部的摄像系统中集成了多个光源，照射物品后，手机镜头会接收反射信号，生成光谱数据，通过分析这些光谱数据，该设备就可以实现生鲜产品新鲜度和味道的测量。此外，该设备还可通过内部的模型软件进一步分析生鲜产品的营养价值（如脂肪、蛋白质和碳水化合物含量等）。这种具备近红外光谱仪功能的智能手机有望用于医疗诊断（如测量人体皮肤的水油平衡状态等）。
便携式近红外光谱仪具有携带方便、易于实现样本现场检测和快速分析的优点，因此成为了近红外光谱分析仪器发展的一个重要发展方向，中国计量科学研究院（以下简称“中国计量院”）研发了高性能的便携式近红外油品分析仪，该仪器波长准确度达±0.5 nm，重复性优于0.5 nm。结合中国计量院自主开发的高准确性快速分析方法，该仪器可实现汽、柴油30余项性质指标的高效分析。
为了能在复杂环境下实现远距离样品测量的要求，研究人员将光纤与近红外光谱技术进行结合，发展了通过光纤传播光源入射光和样品吸收后透射光等的近红外光纤光谱技术。
在探头式近红外光纤光谱仪器中，由光源发出光通过光导纤维传输到探头，再由另一根光导纤维将未被样品吸收的近红外光传输至检测器。探头式光纤近红外光谱最大的优点是可以通过光纤实现远程控制操作，目前该技术的最大传送距离可达1000 m。
中国计量院也从事了探头式近红外光纤光谱仪的研究工作，所研发的仪器体积较小，光谱仪尺寸仅为10 cm×7 cm×5 cm，光纤长度可以灵活控制在（0.5～10) m，携带方便，且能满足远距离测样分析。该光纤光谱仪采用了石英钨卤素灯（QTH）红外光源和铟镓砷（In Ga As）探测器，具体参数如表1所示。
表1 中国计量院研制的光纤探头式近红外光谱仪性能参数表
表格图
搭载基于有效特征光谱谱段的近红外光谱快速分析方法，上述光纤探头式近红外光谱仪设备已实现柴油和航空煤油的判别，准确率达99.03%，并实现了航空煤油的密度和闪点等11项关键性质的准确分析，满足标准方法再现性的要求。光纤是近红外光纤光谱仪的重要组成部分，随着光纤制造技术的不断提高，探头式近红外光纤光谱仪器也将得到更好的发展和应用。
3 近红外光谱分析技术在石油化工领域的应用
近年来，近红外光谱技术已应用于生产、生活的各方面，如食品、医学、农业、林业、化工、药学等，其在油品性质的快速分析应用也是一个热点。有学者提出了采用近红外光谱技术结合偏最小二乘法（PLS）的方法快速测量裂解汽油及加氢产物中的双烯值，取得了较好的结果。还有学者将近红外光谱技术结合主成分分析和偏最小二乘-判别模型算法开发了一种检测和量化优质95号汽油掺假91号汽油的快检方法，结果显示，偏最小二乘-判别模型能够准确判断优质95号汽油中是否掺假。此外，还有很多研究也报道了近红外光谱技术使用到的化学计量学方法，在此不一一赘述。
王进旗团队针对原油中水分子的碳氢键与原油其他成分的碳氢键在近红外光谱区域具有不同吸收峰的现象，建立了基于近红外光纤光谱技术的用于原油中微量含水测量的方法。该方法能够实现微量水分的高准确性分析，分析速度快，且可用于生产过程的在线质量控制。
李荣团队使用近红外光纤光谱仪实现了甲烷的检测，通过检测入射光和透射光的强度变化，即可知道待测物质的浓度变化。该研究发现，波长在（1.6～1.7）μm范围内的甲烷光谱吸收峰可在钻井液中不受其他组分的干扰，可用于定量分析，在此基础上建立了用于烷烃等烃类组分分析的近红外光纤光谱分析方法。此外，李荣团队还比较了光纤探头式和直接浸入测量方式在原位测量中的特点。发现两种方法应用在甲烷的现场分析中均可获得较好的分析结果，因此，光纤探头式和直接浸入式近红外光纤光谱技术均具有良好的应用前景。
近红外光纤光谱技术在石油化工领域已得到部分应用，随着光纤探头式近红外光谱仪器的不断改进和完善，该技术将在成品油质量抽检和管道运输油品的质量分析中得到应用。
4 展望
随着我国分析化学与仪器科学的快速发展，近红外光谱仪器和快速检测方法得到了较大的发展和应用。以探头式近红外光纤光谱仪为代表的便携式近红外光谱仪器也逐渐得到应用和发展。未来，探头式近红外光谱仪器和技术以其易于实现远距离在线检测的特点，将会应用于更多领域。为促进探头式近红外光纤光谱技术的良好运用与发展，需重点考虑以下问题：
(1）国家层面需制定相关政策，以促进探头式近红外光纤光谱仪器及技术的发展。
(2）需研制更加便携的探头式近红外光纤光谱仪。
(3）近红外光纤光谱仪测量过程中的信噪比和稳定性有待提高，这关乎光谱数据质量及后续的数据处理。
(4）价格成本需进一步降低。
(5）仪器操作需更简单便捷，降低操作门槛。
