近红外光谱仪的原理

　　1.近红外光谱仪的原理

       近红外光谱的产生, 是由于分子振动的非谐振性, 使分子振动从基态向高能级的跃迁成为可能。在近红外光谱范围内, 主要研究的是含氢基团振动的倍频及合频吸收。不同的分子具有表征其结构特性的振动频率, 即对应特有的红外吸收光谱, 这是红外光谱定性分析的物理基础。近红外光谱仪器主要由光源、测样部件、光色散和检测器四部分组成。产品主要类型分为傅立叶变换、固定光路和扫描式三种。 近红外光谱仪结构示意图如图1.1所示。

　　从卤素钨灯发出的光经过准直镜l 变为平行光源光, 被反射镜1 改变方向后, 通过透镜1 汇聚于样品池的ZX, 透镜2 将光束汇聚于狭缝后达到反射镜, 改变方向后射到准直镜2 后变为平行光, 经光栅色散得到各波长的光, 这些波长的光经球面镜汇聚到线型CCD焦面上,CCD的不同象元对应着相应的不同波长, 经CCD 驱动电路将同时完成各波长的光电转换, 并通过电荷藕合方式输出, 经放大处理后, 通过16BIT的A/D转换板。将电子信号转化为数字化光谱信号，输入计算机(内存32兆以上，主频155MHZ以上)。光谱的测量是通过编写的Windows应用软件-仪器操作软件自动进行采集和存储, 也可以和定量定性软件以动态函数形式连接, 进行实时在线近红外光谱定量分析。

　　较新型的傅立叶近红外光谱仪器一般采用光偏振技术对干涉仪做了改进, 使之不易受振动、温度和湿度等因素的影响。固定光路光谱仪具有造价低、仪器结构简单、无可动部件及抗干扰性强等优点, 适合常规分析、现场分析和在线分析。现代新型的固定光路近红外光谱仪, 使用了全息光栅分光, 可以获得很好的分辨率, 可以满足绝大多数分析要求。它使用多道阵列检测器对所有波长的单色光同时检侧, 扫描速度比傅立叶光谱仪还快几个数量级, 在瞬间内可以完成几十次或上百次扫描, 用信号累加平均使噪音降低, 检测器也具有很高的灵敏度, 因此可以获得很好的信噪比。由于它无可动部件, 抗干扰性强, 所以适合现场分析及在线控制分析。还有一种较新型的仪器是声光近红外光谱仪, 它利用二氧化锑晶体分光, 通过微波作用晶体进行光谱扫描, 整个仪器无机械可动部分, 适合现场分析。现代近红外光谱仪有的还具有灵活的样品测定部件, 使用光纤和光纤探头组件使远程在线检测成为可能, 对样品和工艺装置物流的在线分析极其方便。

　　2.近红外光谱分析技术的特点

　　近红外光谱分析技术主要有以下几个优点:

　　( 1)分析速度快。光谱的测量过程一般可在1分钟内完成, 通过校正模型可迅速测定出样品的组成;

　　( 2)分析效率高。通过一次光谱的测量和已建立的相应的校正模型, 可同时对样品的多个组成或性质进行测定。在工业分析中, 可实现由单项目操作向车间化多指标同时分析的飞跃, 在不增加分析人员的情况下可以保证分析频次和分析质量;

　　(3)分析成本低。近红外光谱分析在分析过程中不消耗样品, 自身除消耗一点电外几乎无其他消耗, 与常用的标准或参考方法相比, 测试费用可大幅度降低;

　　(4)易于制样和便于测量。由于近红外光较强的穿透能力和散射效应, 根据样品物态和透光能力的强弱可选用透射或漫反射测谱方式, 通过相应的测样器件可以直接测量液体、固体、半固体和胶状类等不同物态的样品;

　　(5)测试重现性好。由于光谱测量的稳定性, 测试结果很少受人为因素的影响, 近红外光谱显示出更好的重现性;

　　(6)可实现在线分析。由于近红外光在光纤中良好的传输特性, 通过光纤可以使仪器远离采样现场, 实现远距离在线测量。通过光纤也可在线测量恶劣环境中的样品;

　　(7)非化学性质的测量。近红外光谱包含了大量的关于样品结构组成的信息, 而样品的性质与其结构组成密切相关, 因此可以应用近红外光谱预测样品的有关性质,这也是近红外光谱在石油产品品质分析中Z具特色的地方。

　　近红外光谱分析也有一定的缺点: 

       (1)测试灵敏度相对较低。这主要是由于近红外光谱作为分子振动的非谐振吸收跃迁几率较低;

　　(2)是一种间接分析技术, 方法所依赖的模型必须事先用标准方法或参考方法对一定范围内的样品测定出组成或性质数据, 模型的建立需要一定的化学计量学知识, 需要一定的费用和时间, 另外分析结果的准确性与模型建立的质量和模型的合理使用有很大的关系。