一文了解近红外光谱技术



时间   大事纪  
17世纪初   近红外谱区被天文学家William Herschel所发现。  
19世纪初   在经典定量、定性分析方面已经得到一定的发展,但是当时无论是理论水平还是技术水平都较低,很难将近红外谱区的有效信息提取出来。  
20世纪50年代   美国的Norris等人从农业分析领域中开始了用近红外谱区分析农产品的工作,但是因为这些方法与传统的光谱分析方法有很大不同,因此,当时这一领域的工作没有受到分析界的足够重视。  
20世纪80年代   仪器分析界的有关专家,尤其是光谱分析领域方面的专家开始重视近红外光谱技术的发展和应用范围。从此,在多方合作和探讨的前提下,近红外光谱分析技术开始应用化学计量学中的多元校正等方法,再加上现代光学、计算机数据处理技术的引入,使近红外光谱分析技术开始快速发展,逐渐形成了现在被大家广泛应用的现代近红外光谱分析技术。  
1987年   挪威召开了第1届近红外光谱分析国际会议;经大会探讨推广后,近红外光谱的应用领域变得更加广泛。  
20世纪90年代   国际分析界应用近红外光谱进行分析的高峰期,我国开始了近红外光谱仪器的研制,但是由于建立定量分析数学模型很困难,因此极大的影响了近红外光谱技术在我国各行各业中的广泛应用。  

近红外光谱仪器的一般结构

近红外光谱仪器种类繁多,主要由光源、分光元件、样品室、检测器和计算机组成。目前市场上多为傅里叶近红外光谱仪。傅里叶变换近红外光谱仪可一次获得全波段光谱信息,具有高光通量,低噪声,测量速度快等一系列优点。

近红外光谱仪器的一般结构  
光源   钨灯或卤钨灯,LED,高亮度LED  
波长选择器   滤光片(固定波长、可变波长)、平面透射光栅,闪烁光栅,凹面全息光栅,声光调制型(AOTF),迈克尔逊干涉等  
检测器   常用的检测器有PbS、InSb、InAs、Si、Ge、InGaAs,扩展DTGS等  

近红外光谱仪器的主要性能指标

面对种类繁多的近红外光谱仪器,用户在选购、使用近红外光谱分析仪器时,充分了解和掌握仪器的主要技术指标是非常有必要的。分析测试结果的准确性,与近红外光谱仪器的单色光带宽、波长准确度、波长精确度、吸光度准确性、信噪比、杂散光强度等有关。此外,近红外光谱仪器都有一定的工作波长范围。

性能指标   定义   简述  
波长范围   短波区域的光透射性强,多使用长光程,与长波区域相比,短波区域的信息量相对少一些,较适用于工业常规分析、现场分析和一些专用仪器分析。长波近红外光谱区域光谱信息丰富,较适用于科研院所以及一些复杂体系中低含量组分的常规分析。  
分辨率   光谱的分辨率取决于光谱仪器的分光系统。   一般要求仪器的分辨率为测量峰宽的1/10。由于近红外吸收峰多重叠严重且为宽峰,因此在近红外定量分析时一般不要求较高的仪器分辨率。对于一些需要得到准确分析结果的分析内容,所要求的仪器分辨率一般也不会超过4cm-1  
波长准确性   光谱仪器的波长准确性是指仪器测定某一标准物质特定谱峰的波长与该谱峰的标准波长之差。   一般通过三种标准物质来测量近红外光谱仪的波长准确性,即高压汞灯、1,2,4-三氯苯和稀土氧化物玻璃,如SRM1920a、SRM2035和SRM2065。还可采用聚苯乙烯薄膜来评价近红外光谱仪的波长准确性。对校正模型的建立以及模型的传递均有较大影响  
波长重复性   波长重复性是指对标准物质进行多次扫描所得谱峰位置间的差异。通常波长重复性用多次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏差来表示。   同样对校正模型的建立以及模型的传递均有较大影响,也是体现仪器稳定性的一个重要指标。测量光谱仪的波长重复性可选用测量波长准确性的标准物质,如SRM2065。一般要求FT-NIR的波长重复性应优于0.02cm-1  
吸光度准确性   吸光度准确性是指仪器所测某一标准物质的吸光度与该物质标准定值之差。   若需将一台仪器上建立的校正模型直接应用于另一台仪器,吸光度的准确性则成为至关重要的指标。测量光谱仪的吸光度准确性可选择合适的标准物质,在规定的波长点,连续取若干个吸光度的平均值,与标准吸光度之差即为吸光度准确度。  
吸光度重复性   吸光度重复性是指在同一条件下对同一样品连续进行多次光谱测量之间的差异。通常用某一特征谱峰或整个光谱区间的吸光度标准偏差来表示。   可选用标准物质如SRM2065来测量吸光度重复性,亦可选用某些纯化合物如正庚烷等。该项指标是近红外应用中的一项极其重要的指标,它直接影响模型建立的质量和测量的准确性。一般要求吸光度重复性优于0.0004A。  
信噪比   吸光度噪声是影响吸光度准确性和重复性的主要因此之一。信噪比就是样品吸光度与仪器吸光度噪声的比值。   信噪比是近红外光谱仪器非常重要的一项指标,直接影响分析结果的准确度与精确度。一般要求高端仪器的信噪比应达到105  
扫描速度   仪器的扫描速度是指在仪器的波长范围内,完成一次扫描得到一个光谱所需要的时间。   近红外仪器常被用于实时监测,所以扫描速度也是值得注意的重要指标。不同设计方式的仪器完成1次扫描所需的时间有很大的差别。在保证仪器稳定可靠的前提下,扫描速度快的优势在于多次光谱累加测量可显著提高信噪比。  
杂散光   杂散光是指未透过样品而到达检测器的光,或虽通过样品但不是用于对样品进行光谱扫描的单色入射光。   对于近红外光谱仪器来说,杂散光是影响吸光度和浓度之间线性关系的主要因素之一。对于光栅型近红外光谱仪,杂散光的控制尤为重要。杂散光对仪器噪音、基线以及光谱的稳定性均有不同程度的影响。  

近红外光谱分析方法




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