近红外光谱常被用于含氢有机物质等的物化参数测量, 可以提供丰富的结构和组成信息在复杂溶液的光谱定量分析中更是被广泛应用。 然而在人体血液等复杂溶液的近红外光谱分析中, 强大的背景信息造成的噪声干扰和冗余变量的存在, 严重影响着样品的光谱测量和分析, 影响着分析的效率和准确度。 如何消除背景噪声等的干扰来提高分析准确度已经引起高度重视, 近几年来, 国内外学者提出了许多基于化学计量学方法的相关方法。 从光谱预处理、 变量优化和建模分析三方面, 以传统的化学计量学方法出发, 总结和分析这些方法在人体血液等复杂溶液的近红外光谱定量分析的应用和各自的特点, 为提高光谱定量分析准确度的研究提供参考。

为解决近红外光谱法分析物质浓度过程中缺乏可测度分析而导致测量过程存在一定盲目性问题, 研究在已知测量条件、 样品种类、 被测组分以及建模分析方法的条件下, 利用近红外光谱谱线特性作为参数, 在大量样品近红外光谱采集和标准法测得浓度数据等工作前, 对被测物质浓度的分析误差做大致估算。 经过大量尝试和试验提出等效信噪比（ESNR）和谱线重叠系数（OC）两个重要参数, 其中ESNR反映待测组分吸光度占总吸光度的比重, 而OC则反映待测组分近红外光谱曲线间的重叠程度。 通过理论仿真得到光谱分析中用经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时谱线特性与物质浓度分析误差的关系, 分别计算ESNR和OC与被测组分浓度分析误差（RMSE）的关系, 并且研究两个谱线参数的独立性。 利用理论分析得到结果对浓度为8%~12%乙醇水溶液进行可测度分析, 并与近红外光谱法分析的实际结果进行比较。 研究通过理论仿真得到使用光谱分析中经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时谱线特性与物质浓度分析误差的关系, 其中ESNR与RMSE成反比关系, 而OC与被测组分分析误差成非线性的单调关系, 并且验证了ESNR和OC两个参数的独立性。 通过理论计算和乙醇水溶液近红外光谱检测实验对等效信噪比和谱线重叠系数与光谱分析浓度误差的定量关系进行讨论, 通过理论分析得到的乙醇浓度RMSE预估值为0.30%, 近红外光谱分析实际RMSE为0.32%, 相对误差6.67%, 二者结果相符。 实现了在测量条件、 样品种类、 被测组分以及建模分析方法已知的条件下基于近红外光谱分析的待测组分含量理论误差的定量计算和实验验证。 该研究明确了对近红外光谱法分析物质浓度有明确定量关系的两个谱线参数, 给出了使用光谱分析中经典的偏最小二乘回归建立定量分析模型时的分析误差经验曲线, 以及利用曲线进行近红外光谱法待测组分浓度可测度分析方法。 结果表明所提出的ESNR和OC两个谱线特性参数的有效性, 以及分析误差预估方法的有效性。 为近红外光谱法待测组分浓度定量分析提供了有效、 快捷的预估方法, 完善了近红外光谱法成分含量可测度分析理论, 对近红外光谱法物质浓度定量分析研究具有一定指导意义。

近红外光密度差异法检测创伤性硬膜血肿具有快速、 无创等优点, 是近几年组织光学的研究热点, 在急救临床上有着重要应用。 为了进一步提高对颅脑外伤患者血肿程度的检测精度, 采用多通道差分吸光度方法获得头部左右对称吸光度数据, 即利用与近红外光源距离不同的5个检测器采集颅脑对称位置的光密度信息, 计算对称位置的差分吸光度, 利用偏最小二乘法建立脑部光学吸收系数与差分吸光度数据之间的校正模型, 实现对颅内硬膜血肿程度的预测。 可以检测具有不同头皮颅骨厚度患者是否出现硬膜血肿, 也可预测脑血肿程度。 模型仿真预测结果显示, 所建立预测模型对硬膜血肿部分的光学吸收系数预测平均相对误差为11.16%, 对血肿发生深度预测平均相对误差小于1%, 基本满足创伤性硬膜血肿程度的无创检测需求。 将多通道差分吸光度法引入到脑部血肿近红外光谱无创检测中来, 可以明显消除个体差异对检测结果的影响, 有效提高脑血肿检测精度, 并能实现对患者脑血肿程度的预测, 该方法为近红外光谱脑部检测研究提供了新的思路和重要参考。

基于近红外光谱法对组织内的异质体进行无创检测时, 光源-探测器(S-D)相对于异质体的位置对检测效果有着重要影响。 为实现对组织内异质体的快速定位, 该研究基于一源多探的检测结构针对不同水平位置、 不同深度和不同直径的异质体进行光密度分布有限元分析, 计算各探测器之间的差分光密度差异。 仿真实验结果表明, 根据多探测器形成的差分光密度差异曲线可快速定位组织内异质体的水平位置。 曲线的高斯拟合特征量与异质体的水平位置、 深度和直径有着强相关性。 基于差分光密度差异曲线可以实现组织内感兴趣区域的快速定位, 对采用近红外光谱法的组织肿瘤检测、 光学脑功能成像等领域的源-探位置放置提供重要参考, 提高其检测精度。

膜片钳测量过程中实时监测离体细胞生存环境温度, 控制生理溶液温度值对提高测量的准确性, 消除温度不确定性具有重要的意义。 采用近红外光谱结合化学计量学法来研究生理溶液中不同离子不同浓度对温度模型精度的影响。 通过配制CaCl2, KCl和NaCl各四种浓度的12份溶液样本, 分别采集不同溶液样本在20~40 ℃温度范围内的光谱, 波数范围为9 615~5 714 cm-1, 并将每种溶液不同温度光谱数据按照三种方式划分训练集和预测集, 采用间隔偏最小二乘方法选择有效波段, 并建立与温度数值之间的定量校正模型。 实验结果显示, 浓度为0.25 g·mL-1的CaCl2溶液模型的RMSEP最大, 三次实验结果为0.386 3, 0.303 7和0.337 2 ℃, 浓度为0.005 g·mL-1的NaCl溶液模型的RMSEP最小, 实验结果分别为0.220 8, 0.155 3和0.145 2 ℃。 总体实验结果表明细胞生理溶液中Ca2+对建立温度模型的精度影响最大, K+其次, Na+最小, 当三种离子浓度均增大时, 各离子对模型精度影响均为增大。 因此在建立细胞生理溶液的温度模型时, 有必要在合理范围内改变细胞生理溶液中三种主要离子的配比, 来校正不同离子浓度对测量生理溶液温度的影响, 从而提高近红外光谱温度测量的精度。