一、近紅外光譜儀的基本結(jié)構(gòu)

一臺(tái)近紅外光譜儀一般由六個(gè)部分組成：光源系統(tǒng)、分光系統(tǒng)、樣品室、檢測器、控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)及記錄顯示系統(tǒng)等。

(1)光源系統(tǒng)近紅外光譜儀器的光源系統(tǒng)主要由光源和光源穩(wěn)壓電路組成。常用光源為鎢燈和溴鎢燈，它們的光譜覆蓋整個(gè)近紅外譜區(qū)，強(qiáng)度高，性能穩(wěn)定，壽命也較長。為提高光源的穩(wěn)定性，光源供電必須有高性能穩(wěn)壓電路，另外，可通過調(diào)制光源、監(jiān)測光源強(qiáng)度反饋補(bǔ)償或增加參比光路來提高光強(qiáng)測量的準(zhǔn)確性，從而提高儀器的信噪比。

(2)分光系統(tǒng)將光源發(fā)射的連續(xù)光轉(zhuǎn)變成單色光，要求單色光波長準(zhǔn)確、單色性好。它關(guān)系到近紅外光譜儀器的分辨率、波長準(zhǔn)確性和波長重復(fù)性，是近紅外光譜儀器的核心部分之一。

(3)樣品室樣品室又稱試樣容器，是用來放置樣品的。樣品池材料一般用玻璃或有機(jī)玻璃即可，形狀根據(jù)具體樣品而定。此外，根據(jù)需要可加恒溫、低溫、旋轉(zhuǎn)或移動(dòng)裝置等。

(4)檢測器一般由光敏元件構(gòu)成，作用是把光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，因此檢測器將性能直接影響儀器的信噪比。

(5)控制和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)前者控制儀器各個(gè)部分的工作狀態(tài)，如控制光源系統(tǒng)發(fā)光狀態(tài)、調(diào)制或補(bǔ)償，控制分光系統(tǒng)的掃描波長、掃描速度，控制檢測器的數(shù)據(jù)采集、A/D轉(zhuǎn)換，有時(shí)還控制樣品室旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)或溫度。后者主要對(duì)所采集的光譜進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)定性或定量分析。近紅外光譜儀器的數(shù)據(jù)處理軟件通常由光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、校正模型建立和未知樣品分析三大部分組成。

(6)記錄顯示系統(tǒng)顯示或打印樣品光譜或測量結(jié)果。

二、近紅外光譜儀的分類

(一)根據(jù)分光系統(tǒng)分類

根據(jù)分光系統(tǒng)，近紅外光譜儀器可分為濾光片型、光柵色散型、傅里葉變換型(FT)和聲光可調(diào)濾光型(AOTF)等四種類型。

1、濾光片型

濾光片型近紅外光譜儀器可分為波長固定濾光片和波長可掃描濾光片兩種形式，其利用濾光片作為儀器的分光系統(tǒng)。該類儀器的特點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡單、成本低、光通量大、信號(hào)記錄快、堅(jiān)固耐用；且可根據(jù)需要在固定幾個(gè)波長下進(jìn)行測量，靈活方便；但這類儀器單色光的帶寬較寬，波長分辨率差，如遇樣品基體或溫濕度變化較大時(shí)，往往會(huì)引起較大的測量誤差，且所選濾光片的波長也需通過掃描型儀器對(duì)樣品的全譜掃描分析才能確定。隨著濾光片性能的提高和校正技術(shù)發(fā)展，這類儀器已廣泛用于專用或便攜式儀器上，也是近紅外光譜技術(shù)普及應(yīng)用的重要發(fā)展方向。

2、光柵色散型

光柵色散型近紅外光譜儀器根據(jù)使用檢測器的差異又分為掃描式和固定光路兩種，其利用光柵作為分光元件，通過旋轉(zhuǎn)光柵，在所覆蓋的波長范圍，依次獲取各種單色光。光柵掃描型儀器的分辨率較高，價(jià)格適中，應(yīng)用面較廣，市場份額也比較大。由于儀器光路固定，整個(gè)儀器內(nèi)無移動(dòng)性部件，儀器波長精度和重現(xiàn)性得到保證，使用的耐久性和可靠性得到提高。因此，這類儀器也很適合作為現(xiàn)場分析儀器和在線分析儀器使用。

3、傅里葉變換型

快速傅里葉變換型近紅外光譜儀器，利用干涉圖和光譜圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過測量干涉圖和對(duì)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。它的掃描速度比較快，分辨率和信噪比更高，波長準(zhǔn)確且重復(fù)性好、穩(wěn)定性好，因而常作為研究型儀器的首選。

4、聲光調(diào)諧型

聲光調(diào)諧型近紅外光譜儀器，利用超聲波與特定晶體作用產(chǎn)生單色光，即通過連續(xù)改變超聲射頻實(shí)現(xiàn)一定波長范圍的快速掃描。常用的雙折射晶體有TeO₂晶體、石英晶體、鍺晶體等。該儀器的最大特點(diǎn)是無機(jī)械移動(dòng)部件，測量速度快、精度高、分辨率高、準(zhǔn)確性好，提高了工作可靠性，減少了維修費(fèi)用，可以長時(shí)間穩(wěn)定地工作，適于在線分析和現(xiàn)場分析。

(二)根據(jù)用途分類

根據(jù)用途，近紅外光譜儀器被分為在線的過程監(jiān)測儀器、專用儀器、通用儀器和圖像儀器等。通用型以美國Perkin—Elmer、Thermo Nicolet和德國Bruker公司生產(chǎn)的近紅外光譜儀器為代表，性能優(yōu)越，處于世界領(lǐng)先地位，常作為獲得標(biāo)準(zhǔn)光譜圖的儀器來使用，主要適用于實(shí)驗(yàn)室和大型企業(yè)，對(duì)用戶的操作水平要求較高。專用型以丹麥：FOSS公司生產(chǎn)的近紅外光譜儀器為代表，主要是針對(duì)某個(gè)方面的應(yīng)用專門開發(fā)的，例如牛奶成分測定專用儀及水果內(nèi)部品質(zhì)測定儀。

三、近紅外光譜儀的主要性能指標(biāo)

(一)波長范圍

儀器的波長范圍指該近紅外光譜儀器所能記錄的光譜范圍，主要取決于儀器的光源種類、分光系統(tǒng)、檢測器類型和透光材料。

(二)儀器的分辨率

近紅外光譜儀器的分辨率是指儀器對(duì)于緊密相鄰的峰可分辨的最小波長間隔，表示儀器實(shí)際分開相鄰兩譜線的能力，往往用儀器的單色光帶寬來表示，它是儀器最重要的性能指標(biāo)之一，也是儀器質(zhì)量的綜合反映。

(三)波長的準(zhǔn)確度

波長準(zhǔn)確度是指儀器所顯示的波長值和分光系統(tǒng)實(shí)際輸出單色光的波長值之間的相符程度。波長準(zhǔn)確度可用上述兩值之差來表示，即波長誤差。保證波長準(zhǔn)確度是近紅外光譜儀器能夠準(zhǔn)確測定樣品光譜的前提，是保證分析結(jié)果準(zhǔn)確的前提。

(四)波長的精確度

波長精確度又稱波長重復(fù)性，是指對(duì)同一樣品進(jìn)行多次掃描，光譜譜峰位置間的差異程度或重復(fù)性，通常用多次測量某一譜峰所得波長的標(biāo)準(zhǔn)差來表示。波長精確度是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，取決于光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，與波長準(zhǔn)確度一樣，也會(huì)影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

(五)光度準(zhǔn)確度

光度準(zhǔn)確度是指儀器對(duì)某物質(zhì)進(jìn)行透射或漫反射測量時(shí)，所測光度值與該物質(zhì)真實(shí)值之差。主要是由檢測器、放大器、信號(hào)處理電路的非線性引起。

(六)信噪比

信噪比就是樣品吸光度與儀器吸光度噪聲的比值。儀器吸光度噪聲是指在一定的測量條件下，在確定的波長范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行多次測量，得到光譜吸光度的標(biāo)準(zhǔn)差。

儀器的噪聲主要取決于光源的穩(wěn)定性、放大器等電子系統(tǒng)的噪聲、檢測器產(chǎn)生的噪聲及環(huán)境噪聲。

(七)雜散光強(qiáng)度

雜散光是指分析光以外被檢測器接收的光，主要是由于光學(xué)器件表面的缺陷、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不良或機(jī)械零部件加工不良與位置不當(dāng)?shù)纫鸬?，尤其是光柵型近紅外光譜儀器的設(shè)計(jì)中，雜散光的控制非常關(guān)鍵，往往是導(dǎo)致儀器測量出現(xiàn)非線性的主要原因。

(八)分析速度

近紅外光譜儀器往往被用于實(shí)時(shí)、在線檢測或監(jiān)測，分析樣品的數(shù)量往往較多，所以分析速度也是值得注意的一項(xiàng)重要指標(biāo)。儀器的分析速度主要由儀器的掃描速度決定。儀器的掃描速度是指在儀器的波長范圍內(nèi)，完成一次掃描、得到一個(gè)光譜所需要的時(shí)間。

(九)軟件功能及數(shù)據(jù)處理能力

軟件是近紅外光譜儀器的主要組成部分。近紅外光譜儀器的軟件一般由兩部分組成，一部分是儀器控制平臺(tái)軟件，它控制儀器的硬件，進(jìn)行光譜數(shù)據(jù)采集，另一部分是數(shù)據(jù)處理軟件，近紅外光譜儀器的數(shù)據(jù)處理軟件通常由光譜數(shù)據(jù)預(yù)處理、校正模型建立和未知樣品分析三大部分組成，其核心是校正模型建立部分軟件，它是光譜信息提取的手段，將直接影響到分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。

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