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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X - H（X = C、N、O）振動的倍頻和合頻吸收。不同基團（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團在不同化學(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，非常適合用于碳氫有機物質(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X - H（X = C、N、O）振動的倍頻和合頻吸收。不同基團（如甲基、亞甲基、苯環(huán)等）或同一基團在不同化學(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，非常適合用于碳氫有機物質(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行測量。
可光纖遠距離測量：近紅外光可以通過光纖進行遠距離傳輸，實現(xiàn)距光譜儀以外的遠距離測量。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、耗損器件更換和應(yīng)用模型的建立與維護，以及對操作者的培訓(xùn)等。
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