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近紅外光譜儀原理、特點、應(yīng)用、類型及選型介紹
發(fā)布時間：
2025-05-14 14:50
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近紅外光譜儀是一種利用近紅外光（波長范圍通常為700～2500nm）與物質(zhì)相互作用，獲取物質(zhì)分子振動信息，從而進(jìn)行分析的儀器。以下從其原理、特點、應(yīng)用、類型及選型要點等方面展開介紹：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，記錄的主要是含氫基團(tuán)X - H（X = C、N、O）振動的倍頻和合頻吸收。不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，NIR光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C物質(zhì)的組成與性質(zhì)測量。不過，在NIR區(qū)域，吸收強度弱，靈敏度相對較低，吸收帶較寬且重疊嚴(yán)重，依靠傳統(tǒng)的建立工作曲線方法進(jìn)行定量分析十分困難，化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展為這一問題的解決奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。其工作原理是，如果樣品的組成相同，則其光譜也相同，反之亦然。建立光譜與待測參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系（分析模型）后，測得樣品光
近紅外光譜儀是一種利用近紅外光（波長范圍通常為700～2500nm）與物質(zhì)相互作用，獲取物質(zhì)分子振動信息，從而進(jìn)行分析的儀器。以下從其原理、特點、應(yīng)用、類型及選型要點等方面展開介紹：
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，記錄的主要是含氫基團(tuán)X - H（X = C、N、O）振動的倍頻和合頻吸收。不同基團(tuán)（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，NIR光譜具有豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息，非常適合用于碳?xì)溆袡C物質(zhì)的組成與性質(zhì)測量。不過，在NIR區(qū)域，吸收強度弱，靈敏度相對較低，吸收帶較寬且重疊嚴(yán)重，依靠傳統(tǒng)的建立工作曲線方法進(jìn)行定量分析十分困難，化學(xué)計量學(xué)的發(fā)展為這一問題的解決奠定了數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。其工作原理是，如果樣品的組成相同，則其光譜也相同，反之亦然。建立光譜與待測參數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系（分析模型）后，測得樣品光譜，通過光譜和對應(yīng)關(guān)系，就能得到所需的質(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。
特點
樣品無須預(yù)處理：近紅外光譜測量方式有透射、反射和漫反射多種形式，適合測量液體、固體和漿狀等形式的樣品，操作方便，幾秒鐘內(nèi)完成光譜掃描。例如，汽油可直接倒入測量杯中或?qū)⒐饫w探頭直接插入汽油中進(jìn)行測量。
可光纖遠(yuǎn)距離測量：近紅外光可以通過光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，實現(xiàn)距光譜儀以外的遠(yuǎn)距離測量。可將測量探頭或流通池直接安裝到生產(chǎn)裝置的管線，實現(xiàn)在線測量，或環(huán)境苛刻以及危險的地方的現(xiàn)場測量。一臺在線近紅外光譜儀可以外接多路（2 - 10路）光纖回路，實現(xiàn)同時對生產(chǎn)裝置的多個測量點的物料在線測量，在線測量數(shù)據(jù)可直接輸送到DCS或先進(jìn)控制系統(tǒng)，為生產(chǎn)的優(yōu)化及時提供油品的質(zhì)量參數(shù)。
環(huán)保無污染：與傳統(tǒng)的化學(xué)分析方法不同，近紅外光譜分析不涉及任何化學(xué)試劑，不會產(chǎn)生有害廢棄物，對環(huán)境友好。
應(yīng)用領(lǐng)域
農(nóng)業(yè)：可用于農(nóng)產(chǎn)品的品質(zhì)分析、產(chǎn)源地來源鑒別等。通過測量農(nóng)產(chǎn)品的近紅外光譜，可以快速、準(zhǔn)確地分析其蛋白質(zhì)、糖、脂肪、纖維、水分等含量，為農(nóng)產(chǎn)品的質(zhì)量控制和分級提供有力支持；還可進(jìn)行農(nóng)產(chǎn)品的產(chǎn)地鑒別，為農(nóng)產(chǎn)品的溯源和品牌建設(shè)提供重要依據(jù)。
食品：被廣泛應(yīng)用于食品添加劑、營養(yǎng)成分、水分含量等的檢測。其無損、快速的檢測特點使其成為食品品質(zhì)控制和安全檢測的重要工具，通過測量食品的近紅外光譜，可以準(zhǔn)確分析出食品中的成分含量，為食品的生產(chǎn)、加工和質(zhì)量控制提供可靠數(shù)據(jù)。
醫(yī)藥：用于藥物成分分析、藥品質(zhì)量控制等方面。通過測量藥品的近紅外光譜，可以快速、準(zhǔn)確地分析出藥品中的有效成分、組成和含量，為藥品的研發(fā)、生產(chǎn)和質(zhì)量控制提供有力支持；還可用于醫(yī)療診斷，如檢測人體組織中的化學(xué)成分變化等。
石化：用于測定油品的辛烷值、族組成、十六烷值、閃點、冰點、凝固點、餾程、MTBE含量等關(guān)鍵指標(biāo)，對油品的生產(chǎn)、加工和使用具有重要意義，通過快速檢測可確保油品的質(zhì)量和安全性。
環(huán)保：用于監(jiān)測大氣、水體和土壤中的污染物含量和分布。通過測量污染物的近紅外光譜，可以準(zhǔn)確分析出污染物的種類和濃度，為環(huán)境保護(hù)和監(jiān)測工作提供有力支持。
其他領(lǐng)域：廣泛應(yīng)用于紡織、造紙、化妝品、質(zhì)量監(jiān)督等領(lǐng)域，為這些行業(yè)的質(zhì)量控制和產(chǎn)品研發(fā)提供重要支持。
類型
濾光片型：采用濾光片進(jìn)行分光。
發(fā)光二極管（LED）型：采用多種不同波長的發(fā)光二極管作光源。
光柵色散型：又可分為掃描一單通道檢測器和固定光路一陣列檢測器兩種類型，利用光柵進(jìn)行分光。
傅里葉變換干涉儀型：利用干涉圖與光譜圖之間的對應(yīng)關(guān)系，通過測量干涉圖并對干涉圖進(jìn)行傅里葉積分變換的方法來測定和研究近紅外光譜。
聲光可調(diào)濾光片型（AOTF）：利用聲光效應(yīng)實現(xiàn)濾光。
多通道檢測型（二極管陣列PDA、電荷耦合器件CCD）：采用多通道檢測器進(jìn)行檢測。
選型要點
光譜范圍：取決于儀器的光路設(shè)計、檢測器的類型以及光源，通常分700～1100nm的短波近紅外光譜區(qū)域和1100～2500nm的長波近紅外光譜區(qū)域。
分辨率：取決于光譜儀器的分光系統(tǒng)，對用多通道檢測器的儀器，還與儀器的像素有關(guān)。分光系統(tǒng)的帶寬越窄，其分辨率越高，對光柵分光儀器而言，分辨率的大小還與狹縫的設(shè)計有關(guān)。
波長準(zhǔn)確性：對保證近紅外光譜儀器間的模型傳遞非常重要。在短波近紅外范圍要求好于0.5nm，長波近紅外范圍好于1.5nm。
波長重現(xiàn)性：體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的一個重要指標(biāo)，一般儀器波長的重現(xiàn)性應(yīng)好于0.1nm。
吸光度準(zhǔn)確性：直接影響測定結(jié)果的準(zhǔn)確性。
吸光度重現(xiàn)性：對近紅外檢測來說是一個很重要的指標(biāo)，一般應(yīng)在0.001～0.0004A之間。
吸光度噪音：體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。
吸光度范圍：指儀器測定可用的高吸光度與低能檢測到的吸光度之比，越大，可用于檢測樣品的線性范圍也越大。
基線穩(wěn)定性：對獲得穩(wěn)定的光譜有直接的影響。
雜散光：定義為除要求的分析光外其它到達(dá)樣品和檢測器的光量總和，是導(dǎo)致儀器測量出現(xiàn)非線性的主要原因，一般要求雜散光小于透過率的0.1%。
掃描速度：在一定的波長范圍內(nèi)完成1次掃描所需要的時間，不同設(shè)計方式的儀器完成1次掃描所需的時間有很大的差別。
此外，在選擇光譜儀器時還要結(jié)合分析任務(wù)的需要，有針對性地考察儀器的適用情況，考慮儀器的可維護(hù)性，以及和近紅外光譜儀器工作配套的軟件，包括采譜軟件和化學(xué)計量學(xué)軟件的功能和操作的難易程度。還要考慮儀器生產(chǎn)廠家能否為用戶提供及時、周到的技術(shù)支撐服務(wù)體系，包括儀器硬件的質(zhì)量維護(hù)、耗損器件更換和應(yīng)用模型的建立與維護(hù)，以及對操作者的培訓(xùn)等。
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