近紅外光譜儀簡介

近紅外光譜技術(NIR)是90年代以來發(fā)展Z快、Z引人注目的分析技術之一。隨著 NIR 分析方法的深入應用和發(fā)展，已逐漸得到大眾的普遍接受和官方的認可。1978年美國和加大就采用近紅外法作為分析小麥蛋白質的標準方法，1998 年美國材料試驗學會制訂了近紅外光譜測定多元醇(聚亞安酯原材料)中羥值含量的ASTM D6342 標準方法。2003年，在我國也正式實施了近紅外光譜方法測定飼料中水分、粗蛋白質、粗纖維、粗脂肪、賴氨酸、蛋氨酸的國家標準 GB/T 188682002。

由于近紅外光在常規(guī)光纖中有良好的傳輸特性，且其儀器較簡單、分析速度快、非破壞性和樣品制備量小、幾乎適合各類樣品(液體、粘稠體、涂層、粉末和固體)分析、多組分多通道同時測定等特點，成為在線分析儀表中的一枝奇葩。近幾年，隨著化學計量學、光纖和計算機技術的發(fā)展，在線近紅外光譜分析技術正以驚人的速度應用于包括農牧、食品、化工、石化、制藥、煙草等在內的許多領域，為科研、教學以及生產過程控制提供了一個十分廣闊的使用空間。

近紅外光譜儀從分光系統(tǒng)可分為固定波長濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換、聲光可調濾光器和陣列檢測五種類型。濾光片型主要作專用分析儀器，如糧食水分測定儀。

近紅外光譜儀的使用步驟

(1)將煙葉樣品全部經60目旋風磨處理，待測；

(2)開機(要求在18—24℃范圍內啟動)，持續(xù)預熱1.5小時；

(3)掃描背景，一般要求四次樣品掃一次背景。在環(huán)境要求變化不大時可適當放寬要求；

(4)用燒杯量取待測樣品約75ml(僅對粉末而言)放入樣品杯，樣品裝填均勻，用壓緊器(可做成銅塊)壓緊樣品，要求底部沒有裂縫；

(5)將樣品杯放入樣品室，開始掃描；

(6)掃描結束后，取出樣品杯，清掃樣品；

(7)重新裝樣，進行第二個樣品的掃描；

(8)樣品全部掃描結束后，分析結果；

(9)試樣測試完成后，首先應退出FT-IR軟件，關閉電腦，Z后關閉主機電源。

近紅外光譜儀使用的注意事項：

1 、保持室內環(huán)境相對濕度在50%以下。KBr窗片和分束器很容易吸潮，為防止潮解，務必保持室內干燥。同時操作的人員不宜太多，以防人呼出的水氣和CO2影響儀器的工作。

2 、維持室內溫度相對穩(wěn)定。溫差變化太大，也容易造成水氣在窗片上凝結。

3 、如果條件允許，建議定期對儀器用N2進行吹掃。

4 、盡量不要搬動儀器，防止精密儀器的劇烈震動。

近紅外光譜儀分析原理

近紅外光(Near Infrared，NIR)是介于可見光(VIS)和中紅外光(MIR)之間的電磁波， ASTM 定義的近紅外光譜區(qū)的波長范圍為 780~2526nm (12820～3959cm1)，習慣上又將近紅外區(qū)劃分為近紅外短波(780~1100nm)和近紅外長波(1100~2526nm)兩個區(qū)域。

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。不同團(如甲基、亞甲基，苯環(huán)等)或同一基團在不同化學環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差別，NIR 光譜具有豐富的結構和組成信息，非常適合用于碳氫有機物質的組成與性質測量。但在 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重。

因此，依靠傳統(tǒng)的建立工作曲線方法進行定量分析是十分困難的，化學計量學的發(fā)展為這一問題的解決奠定了數學基礎。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。如果我們建立了光譜與待測參數之間的對應關系(稱為分析模型)，那么，只要測得樣品的光譜，通過光譜和上述對應關系，就能很快得到所需要的質量參數數據。

分析方法包括校正和預測兩個過程：

(1)在校正過程中，收集一定量有代表性的樣品(一般需要80個樣品以上)，在測量其光譜圖的同時，根據需要使用有關標準分析方法進行測量，得到樣品的各種質量參數，稱之為參考數據。通過化學計量學對光譜進行處理，并將其與參考數據關聯(lián)，這樣在光譜圖和其參考數據之間建立起一一對應映射關系，通常稱之為模型。

雖然建立模型所使用的樣本數目很有限，但通過化學計量學處理得到的模型應具有較強的普適性。對于建立模型所使用的校正方法視樣品光譜與待分析的性質關系不同而異，常用的有多元線性回歸，主成分回歸，偏Z小二乘，人工神經網絡和拓撲方法等。

顯然，模型所適用的范圍越寬越好，但是模型的范圍大小與建立模型所使用的校正方法有關，與待測的性質數據有關，還與測量所要求達到的分析精度范圍有關。實際應用中，建立模型都是通過化學計量學軟件實現(xiàn)的，并且有嚴格的規(guī)范(如ASTM6500標準)。

(2)在預測過程中，首先使用近紅外光譜儀測定待測樣品的光譜圖，通過軟件自動對模型庫進行檢索，選擇正確模型計算待測質量參數。

近紅外光譜分析技術包括定性分析和定量分析，定性分析的目的是確定物質的組成與結構，而定量分析則是為了確定物質中某些組分的含量或是物質的品質屬性的值。與常用的化學分析方法不同，近紅外光譜分析法是一種間接分析技術，是用統(tǒng)計的方法在樣品待測屬性值與近紅外光譜數據之間建立一個關聯(lián)模型(或稱校正模型，Calibration Model)。

近紅外分析技術的一個重要特點就是技術本身的成套性，即必須同時具備三個條件：

(1)各項性能長期穩(wěn)定的近紅外光譜儀，是保證數據具有良好再現(xiàn)性的基本要求；

(2)功能齊全的化學計量學軟件，是建立模型和分析的必要工具；

(3)準確并適用范圍足夠寬的模型。

這三個條件的有機結合起來，才能為用戶真正發(fā)揮作用。因此，在購買儀器時必須對儀器提供的模型使用性有足夠的認識，特別避免個別商家為推銷儀器所做的過度宣傳的不良誘導，為此付出代價的廠家有之，因此，一定要對廠家提供模型與技術支持情況有詳細了解。

近紅外光譜儀分析技術優(yōu)勢

樣品無須預處理可直接測量：

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，因此，用途很廣。Zda的優(yōu)點就是無須對樣品進行任何預處理，如汽油可直接倒入測量杯中或將光纖探頭直接插入汽油中進行測量，操作非常方便，幾秒鐘內完成光譜掃描。

光纖遠距離測量：

近紅外光可以通過光纖進行遠距離傳輸，可以實現(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)同時對生產裝置的多個測量點的物料在線測量。在線測量數據可直接輸送到 DCS 或先進控制系統(tǒng)，為生產的優(yōu)化及時提供油品的質量參數。與其它在線測量儀表提供的參數(如壓力、流量和溫度等變量)相比，在線近紅外分析提供的數據(如組成或性質)是直接質量參數，對生產的優(yōu)化提供更準確和有益的參考信息。

近紅外分析與常規(guī)的標準分析方法配合使用，起到雙方互補的作用，不僅能夠及時向生產控制部門提供分析數據，同時也節(jié)省了大量分析化驗費用(包括人力、設備，和試劑等)；在線近紅外分析與 DCS 連接，直接給控制系統(tǒng)提供數據，據此進行生產優(yōu)化得到的經濟效益是巨大的；與其它在線儀表相比，近紅外光譜儀運行故障率和消耗均很低。