近红外高光谱成像技术在药物分析中的研究进展

作者：杨超月

作为遥感监测手段的高光谱成像技术，最早的起源可追溯到其在航空成像领域中的应用[]。随着光谱技术和计算机技术的飞速发展，高光谱成像技术的应用领域现已拓展至农业、工业及医药科学等领域[]。高光谱成像作为一种新型的光谱测量方法，相比传统的光谱测量技术有其显著的优势，即可同时获得被测样品的光谱信息及空间信息。用于采集高光谱数据的测量系统被称为高光谱成像系统，与传统光谱仪器只采集光源照射点位置的光谱信息不同，该系统是以测量范围内被测试样所覆盖面积的像素点为单位采集光谱信息，而且相比于传统成像技术仅采集光谱维度上R、G、B 3个通道的信息而言，高光谱成像技术是在光谱维度上设置N个通道（例如800~1 500 nm内，隔2 nm设置1个采集通道，共计351个通道），将光谱维度进行拓展，其结果是高光谱成像系统不仅可以获取被测试样表面上每个点的光谱数据，还可以获取测量波长范围内任何1个波长的影像信息，这使其测量结果中包含的数据量非常庞大，所以测量结果可以更加全面地反映与被测试样整体性质和属性相关的特征。高光谱成像的上述特点对于需要全面了解与被测试样整体性质（如成分分布）相关的研究而言是非常有利的，但是另一方面，信息量的增大必然使得所采集到的光谱数据量增大，这对于接下来的数据解析过程是一个新的挑战。而且由于高光谱成像系统的数据采集特点，系统获得的直接数据必须通过相应的光谱转换和校正处理之后才可用于进一步的数据解析。所以，对于高光谱成像技术而言，对测量数据进行合理的数据处理是非常重要，且是必不可少的过程。

根据测量用光谱波段和测量原理的差异，可将高光谱成像分为拉曼、紫外、可视、红外及近红外高光谱成像。其中，近红外波段的光谱域较宽，测量方式简单，测量结果中包含的关于被测试样的信息量大，所以近红外高光谱成像作为应用最广泛的高光谱成像系统，已应用于包括环境监测、食品药品安全监管及质量控制在内的研究领域[-]。由于近红外高光谱成像属于无损检测技术，即测量前后被测试样的物理化学性质不发生任何变化，且无需对被测试样进行预处理，所以其作为在线检测手段，对生产过程及最终产品进行质量控制和监测的潜在应用是各领域研究者共同关注的焦点。本文将从近红外高光谱成像系统的构造、数据采集方式、数据结构、数据处理方法等方面进行综合阐述，并总结其在药物分析领域内的应用现状，对高光谱成像技术在该领域内的应用前景进行展望。

1 近红外高光谱成像系统及数据采集方式

近红外高光谱成像系统一般由光源、光谱相机（包含镜头或滤光片、单色器、入/出射狭缝、检测器）、计算机系统、移动式样品台等构成[]。光源是能提供近红外辐射的部件，由于卤素灯发射光的波长范围较宽，可覆盖可视及近红外波段，所以卤素灯是应用最为普遍的光源。由光源发射出的光，被样品表面反射后，经由滤光片或镜头进入到光谱相机里，再经过特定宽度的入射狭缝后被单色器（一般为光栅式分光器）分光，经出射狭缝被检测器按不同波长记录信号。计算机系统负责将上述光电信号转换成数字信号，并予以记录和保存。而样品台是用于放置被测试样的部件，但其具体形式（移动式或固定式）取决于近红外高光谱成像系统的数据采集方式。

近红外高光谱成像系统的数据采集方式可分为2种，分别为凝视采集和扫描采集[]。凝视采集是通过利用光谱相机前置的滤光片（可通过调节滤光片，从而控制进入光谱相机内的入射光的波长）过滤波长，从而获得各个像素点位置的不同波长处的光谱信息。以该方法采集数据时，光谱相机和被测试样的位置都是固定的，无需进行移动，所以称之为凝视采集。而扫描采集是通过将光谱相机与被测试样进行相对移动，以点或线为单位获得被测试样的光谱信息。由于以点为单位采集光谱数据时，消耗时间过长，且易受到噪音的影响，所以以线为单位的采集方式最为常见。本文将以该采集方式的应用作为前提，进行以下叙述。

近红外高光谱成像系统的构造如。通过固定光谱相机，以水平方向移动载有被测试样的样品台，以线为单位逐一采集整个被测试样各个像素点对应的光谱数据，即每1次扫描获得的是垂直于样品台移动方向上的1条直线所对应的各个像素点的光谱信息。由于该系统是基于扩散反射原理进行的光谱数据采集，所以为了获取被测试样的相对反射率，必须用相应的标准反射板作为标准，事先采集背景光谱，进而计算相对反射率。在计算相对反射率时，检测器的噪音、不同像素点光源照射强度的差异等因素是无法被忽略的，即需要进行相应的光谱校正。