現(xiàn)代近紅外光譜分析儀工作原理

1、現(xiàn)代近紅外光譜分析儀工作原理現(xiàn)代近紅外光譜分析儀工作原理 2011年02月08日 20世紀(jì)90年代初,外國廠商開始在我國銷售近紅外光譜分析儀器產(chǎn)品,但在很長時間內(nèi)，進(jìn)展不大，其原因主要是：首先，近紅外光譜分析要求光譜儀器、光譜數(shù)據(jù)處理軟件（主要是化學(xué)計量學(xué)軟件）和應(yīng)用樣品模型結(jié)合為一體，缺一不可。但被分析樣品會由于樣品產(chǎn)地的不同而不同，國內(nèi)外的樣品通常有差異，因此，進(jìn)口儀器的應(yīng)用模型一般不適合分析國內(nèi)樣品。如果自己建立模型，就需要操作人員了解和熟悉化學(xué)計量學(xué)知識和軟件，而外商在中國的代理機構(gòu)缺乏這方面的專業(yè)人才，不能有效地根據(jù)用戶的需要組織培訓(xùn)，因此，用戶對這項技術(shù)缺乏全面了解，影響到了它的推

2、廣使用。其次，進(jìn)口儀器價格昂貴，售后技術(shù)服務(wù)費用也往往超出大多數(shù)用戶的承受能力。 現(xiàn)代近紅外光譜分析技工作原理 近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態(tài)向高能級躍遷時產(chǎn)生的。近紅外光譜記錄的是分子中單個化學(xué)鍵的基頻振動的倍頻和合頻信息，它常常受含氫基團(tuán)X-H（X-C、N、O）的倍頻和合頻的重疊主導(dǎo)，所以在近紅外光譜范圍內(nèi)，測量的主要是含氫基團(tuán)X-H振動的倍頻和合頻吸收。 由于倍頻和合頻躍遷幾率低，而有機物質(zhì)在NIR光譜區(qū)為倍頻與合頻吸收，所以消光系數(shù)弱，譜帶重疊嚴(yán)重。因此從近紅外光譜中提取有用信息屬于弱信息和多元信息，需要充分利用現(xiàn)有的光機技術(shù)、電子技術(shù)和計算機技術(shù)進(jìn)行處理。計算

3、機技術(shù)主要包括光譜數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)。光譜數(shù)據(jù)處理是消除儀器因素（燈及測量方式等）環(huán)境因素（如溫度等）和樣品物態(tài)（如顏色、形態(tài)等）等對光譜的影響。常采用的方法有平滑、微分、基線漂移扣減、多元散射校正（MSC）和有限脈沖響應(yīng)濾波（FIR）等也可以用小波變換來 進(jìn)行部分處理。 數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)技術(shù)主要是化學(xué)計量學(xué)方法。 化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展使多組分分析中多元信息處理理論和技術(shù)日益成熟，解決了近紅外光譜區(qū)重疊的問題。 通過關(guān)聯(lián)技術(shù)可以實現(xiàn)近紅外光譜的快速分析。 在近紅外光譜的應(yīng)用中我們所關(guān)心的是被測樣品的組成或各種物化性質(zhì)，因此，如何提取這些有用信息是近紅外光譜分析的技術(shù)核心。現(xiàn)在的許多研究與應(yīng)用表明，利用

4、化學(xué)計量學(xué)方法進(jìn)行近紅外光譜分析是非常有效的?；瘜W(xué)計量學(xué)理論在近紅外光譜儀器中的應(yīng)用對儀器的實用化是非常關(guān)鍵的。 獲得近紅外光譜主要應(yīng)用兩種技術(shù)透射光譜技術(shù)和反射光譜技術(shù)。透射光譜（波長一般在7801100nm范圍內(nèi)）是指將待測樣品置于光源與檢測器之間，檢測器所檢測的光是透射光或與樣品分子相互作用后的光（承載了樣品結(jié)構(gòu)與組成信息）， 若樣品是混濁的，樣品中有能對光產(chǎn)生散射的顆粒物質(zhì)，光在樣品中經(jīng)過的路程是不確定的，透射光強度與樣品濃度之間的關(guān)系不符合Beer定律。對這種樣品應(yīng)使用漫透射分析法。 反射光譜（波長一般在11002526nm 范圍內(nèi)）是指將檢測器和光源置于樣品的同一側(cè)，檢測器所檢測的

5、是樣品以各種方式反射回來的光。物體對光的反射又分為規(guī)則反射（鏡面反射）與漫反射。 規(guī)則反射指光在物體表面按入射角等于反射角的反射定律發(fā)生的反射，漫反射是光投射到物體后（常是粉末或其它顆粒物體），在物體表面或內(nèi)部發(fā)生方向不確定的反射。應(yīng)用漫反射光進(jìn)行的分析稱為漫反射光譜法。此外，還有把透射分析和漫反射分析結(jié)合在一起的綜合漫反射分析法和衰減全反射分析法等。 在近紅外光譜分析中被測物質(zhì)的近紅外光譜取決于樣品的組成和結(jié)構(gòu)。樣品的組成和結(jié)構(gòu)和近紅外光譜之間有著一定的函數(shù)關(guān)系。使用化學(xué)計量學(xué)方法確定出這些重要函數(shù)關(guān)系，即經(jīng)過校正，就可以根據(jù)被測樣品的近紅外光譜，快速計算出各種數(shù)據(jù)。 現(xiàn)在常用的校正方法主要

6、有：多元線性回歸（MLR）主成分分析（PCA），偏最小二乘法（PLS）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）和拓?fù)洌═opological）方法等。 1995年以來，國內(nèi)許多科研院所和大專院校開始積極研究和開發(fā)適合國內(nèi)需要的近紅外光譜分析技術(shù)，并且做了大量技術(shù)知識的普及工作，為我國在這一技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)，開創(chuàng)了嶄新的局面。 近紅外光（near infrared,NIR）是介于可見光（VIS）和中紅外光（MIR或IR）之間的電磁波美國材料檢測協(xié)會（ASTM）將近紅外光譜區(qū)定義為波長780-2526nm的光譜區(qū)（波數(shù)為12820-3959cm-1）習(xí)慣上又將近紅外區(qū)劃分為近紅外短波（780-1100

7、nm）和近紅外長波（1100-2526nm）兩個區(qū)域。從20世紀(jì)50年代起，近紅外光譜技術(shù)就在農(nóng)副產(chǎn)品分析中得到廣泛應(yīng)用，但是由于技術(shù)上的原因，在隨后的20多年中進(jìn)展不大。進(jìn)入20世紀(jì)80 年代后，隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，以及化學(xué)計量學(xué)方法在解決光譜信息提取和消除背景干擾方面取得的良好效果，加之近紅外光譜在測試技術(shù)上所獨有的特點，人們對近紅外光譜技術(shù)的價值有了進(jìn)一步的了解從而進(jìn)行了廣泛的研究。數(shù)字化光譜儀器與化學(xué)計量學(xué)方法的結(jié)合標(biāo)志著現(xiàn)代近紅外光譜技術(shù)的形成。數(shù)字化近紅外光譜技術(shù)在20 世紀(jì)90年代初開始商品化。近年來，近紅外光譜的應(yīng)用技術(shù)獲得了巨大發(fā)展，在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用，對推進(jìn)生產(chǎn)和科研領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步發(fā)揮了巨大作用。近紅外光譜技術(shù)是90年代以來發(fā)展最快、最引人注目的光譜分析技術(shù)，測量信號的數(shù)字化和分析過程的綠色化使該技術(shù)具有典型的時代特