NIR近红外光谱技术

《NIR近红外光谱技术》由会员分享，可在线阅读，更多相关《NIR近红外光谱技术（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、NIR 近 红 外 光 谱 技 术1、 简 介近 红 外 光 谱 技 术 （ NIR） 是 90 年 代 以 来 发 展 最 快 、 最 引 人 注 目 的 分 析 技 术 之 一 。随 着 NIR 分 析 方 法 的 深 入 应 用 和 发 展 ， 已 逐 渐 得 到 大 众 的 普 遍 接 受 和 官 方 的 认 可 。1978 年 美 国 和 加 大 就 采 用 近 红 外 法 作 为 分 析 小 麦 蛋 白 质 的 标 准 方 法 ， 1998 年 美 国材 料 试 验 学 会 制 订 了 近 红 外 光 谱 测 定 多 元 醇 （ 聚 亚 安 酯 原 材 料 ） 中 羟 值 含 量

2、的 ASTM D6342 标 准 方 法 。 2003 年 ， 在 我 国 也 正 式 实 施 了 近 红 外 光 谱 方 法 测 定 饲 料 中 水 分 、 粗 蛋白 质 、 粗 纤 维 、 粗 脂 肪 、 赖 氨 酸 、 蛋 氨 酸 的 国 家 标 准 GB/T 18868-2002。由 于 近 红 外 光 在 常 规 光 纤 中 有 良 好 的 传 输 特 性 ， 且 其 仪 器 较 简 单 、 分 析 速 度 快 、 非 破坏 性 和 样 品 制 备 量 小 、 几 乎 适 合 各 类 样 品 （ 液 体 、 粘 稠 体 、 涂 层 、 粉 末 和 固 体 ） 分 析 、 多组 分 多

3、 通 道 同 时 测 定 等 特 点 ， 成 为 在 线 分 析 仪 表 中 的 一 枝 奇 葩 。近 几 年 ， 随 着 化 学 计 量 学 、 光 纤 和 计 算 机 技 术 的 发 展 ， 在 线 近 红 外 光 谱 分 析 技 术 正 以惊 人 的 速 度 应 用 于 包 括 农 牧 、 食 品 、 化 工 、 石 化 、 制 药 、 烟 草 等 在 内 的 许 多 领 域 ， 为 科 研 、教 学 以 及 生 产 过 程 控 制 提 供 了 一 个 十 分 广 阔 的 使 用 空 间 。2 近 红 外 光 谱 分 析 原 理近 红 外 光 （ Near Infrared， NIR）

4、是 介 于 可 见 光 （ VIS） 和 中 红 外 光 （ MIR） 之 间 的电 磁 波 。ASTM 定 义 的 近 红 外 光 谱 区 的 波 长 范 围 为 780 2526nm （ 12820 3959cm1） ， 习惯 上 又 将 近 红 外 区 划 分 为 近 红 外 短 波 （ 780 1100nm） 和 近 红 外 长 波 （ 1100 2526nm）两 个 区 域 。近 红 外 光 谱 主 要 是 由 于 分 子 振 动 的 非 谐 振 性 使 分 子 振 动 从 基 态 向 高 能 级 跃 迁 时 产 生 的 ，记 录 的 主 要 是 含 氢 基 团 （ 、 、 ） 振

5、动 的 倍 频 和 合 频 吸 收 。 不 同 团 （ 如 甲基 、 亚 甲 基 ， 苯 环 等 ） 或 同 一 基 团 在 不 同 化 学 环 境 中 的 近 红 外 吸 收 波 长 与 强 度 都 有 明 显 差别 ， NIR 光 谱 具 有 丰 富 的 结 构 和 组 成 信 息 ， 非 常 适 合 用 于 碳 氢 有 机 物 质 的 组 成 与 性 质 测 量 。但 在 NIR 区 域 ， 吸 收 强 度 弱 ， 灵 敏 度 相 对 较 低 ， 吸 收 带 较 宽 且 重 叠 严 重 。 因 此 ， 依 靠 传 统的 建 立 工 作 曲 线 方 法 进 行 定 量 分 析 是 十 分

6、困 难 的 ， 化 学 计 量 学 的 发 展 为 这 一 问 题 的 解 决 奠定 了 数 学 基 础 。 其 工 作 原 理 是 ， 如 果 样 品 的 组 成 相 同 ， 则 其 光 谱 也 相 同 ， 反 之 亦 然 。 如 果我 们 建 立 了 光 谱 与 待 测 参 数 之 间 的 对 应 关 系 （ 称 为 分 析 模 型 ） ， 那 么 ， 只 要 测 得 样 品 的 光谱 ， 通 过 光 谱 和 上 述 对 应 关 系 ， 就 能 很 快 得 到 所 需 要 的 质 量 参 数 数 据 。 分 析 方 法 包 括 校 正和 预 测 两 个 过 程 ：（ 1） 在 校 正 过

7、程 中 ， 收 集 一 定 量 有 代 表 性 的 样 品 （ 一 般 需 要 80 个 样 品 以 上 ） ， 在 测量 其 光 谱 图 的 同 时 ， 根 据 需 要 使 用 有 关 标 准 分 析 方 法 进 行 测 量 ， 得 到 样 品 的 各 种 质 量 参 数 ，称 之 为 参 考 数 据 。 通 过 化 学 计 量 学 对 光 谱 进 行 处 理 ， 并 将 其 与 参 考 数 据 关 联 ， 这 样 在 光 谱图 和 其 参 考 数 据 之 间 建 立 起 一 一 对 应 映 射 关 系 ， 通 常 称 之 为 模 型 。 虽 然 建 立 模 型 所 使 用 的样 本 数 目

8、 很 有 限 ， 但 通 过 化 学 计 量 学 处 理 得 到 的 模 型 应 具 有 较 强 的 普 适 性 。 对 于 建 立 模 型所 使 用 的 校 正 方 法 视 样 品 光 谱 与 待 分 析 的 性 质 关 系 不 同 而 异 ， 常 用 的 有 多 元 线 性 回 归 ， 主成 分 回 归 ， 偏 最 小 二 乘 ， 人 工 神 经 网 络 和 拓 扑 方 法 等 。 显 然 ， 模 型 所 适 用 的 范 围 越 宽 越 好 ，但 是 模 型 的 范 围 大 小 与 建 立 模 型 所 使 用 的 校 正 方 法 有 关 ， 与 待 测 的 性 质 数 据 有 关 ， 还

9、与 测量 所 要 求 达 到 的 分 析 精 度 范 围 有 关 。 实 际 应 用 中 ， 建 立 模 型 都 是 通 过 化 学 计 量 学 软 件 实 现的 ， 并 且 有 严 格 的 规 范 （ 如 ASTM6500 标 准 ） 。（ 2） 在 预 测 过 程 中 ， 首 先 使 用 近 红 外 光 谱 仪 测 定 待 测 样 品 的 光 谱 图 ， 通 过 软 件 自 动 对模 型 库 进 行 检 索 ， 选 择 正 确 模 型 计 算 待 测 质 量 参 数 。3 近 红 外 光 谱 分 析 技 术 的 优 势样 品 无 须 预 处 理 可 直 接 测 量 ： 近 红 外 光 谱

10、测 量 方 式 有 透 射 、 反 射 和 漫 反 射 多 种 形 式 ，适 合 测 量 液 体 、 固 体 和 浆 状 等 形 式 的 样 品 ， 因 此 ， 用 途 很 广 。 最 大 的 优 点 就 是 无 须 对 样 品进 行 任 何 预 处 理 ， 如 汽 油 可 直 接 倒 入 测 量 杯 中 或 将 光 纤 探 头 直 接 插 入 汽 油 中 进 行 测 量 ， 操作 非 常 方 便 ， 几 秒 钟 内 完 成 光 谱 扫 描 。光 纤 远 距 离 测 量 ： 近 红 外 光 可 以 通 过 光 纤 进 行 远 距 离 传 输 ， 可 以 实 现 距 光 谱 仪 以 外 的远 距

11、 离 测 量 ， 可 将 测 量 探 头 或 流 通 池 直 接 安 装 到 生 产 装 置 的 管 线 ， 实 现 在 线 测 量 ， 或 环 境苛 刻 以 及 危 险 的 地 方 的 现 场 测 量 。 一 台 在 线 近 红 外 光 谱 仪 可 以 外 接 多 路 （ 210 路 ） 光 纤回 路 ， 实 现 同 时 对 生 产 装 置 的 多 个 测 量 点 的 物 料 在 线 测 量 。 在 线 测 量 数 据 可 直 接 输 送 到 DCS 或 先 进 控 制 系 统 ， 为 生 产 的 优 化 及 时 提 供 油 品 的 质 量 参 数 。 与 其 它 在 线 测 量 仪 表 提

12、 供的 参 数 （ 如 压 力 、 流 量 和 温 度 等 变 量 ） 相 比 ， 在 线 近 红 外 分 析 提 供 的 数 据 （ 如 组 成 或 性 质 ）是 直 接 质 量 参 数 ， 对 生 产 的 优 化 提 供 更 准 确 和 有 益 的 参 考 信 息 。 近 红 外 分 析 与 常 规 的 标 准分 析 方 法 配 合 使 用 ， 起 到 双 方 互 补 的 作 用 ， 不 仅 能 够 及 时 向 生 产 控 制 部 门 提 供 分 析 数 据 ，同 时 也 节 省 了 大 量 分 析 化 验 费 用 （ 包 括 人 力 、 设 备 ， 和 试 剂 等 ） ； 在 线 近 红

13、 外 分 析 与 DCS 连 接 ， 直 接 给 控 制 系 统 提 供 数 据 ， 据 此 进 行 生 产 优 化 得 到 的 经 济 效 益 是 巨 大 的 ； 与 其 它 在线 仪 表 相 比 ， 近 红 外 光 谱 仪 运 行 故 障 率 和 消 耗 均 很 低 。4 近 红 外 光 谱 分 析 技 术 注 意 事 项近 红 外 分 析 技 术 的 一 个 重 要 特 点 就 是 技 术 本 身 的 成 套 性 ， 即 必 须 同 时 具 备 三 个 条 件 ：（ 1） 各 项 性 能 长 期 稳 定 的 近 红 外 光 谱 仪 ， 是 保 证 数 据 具 有 良 好 再 现 性 的

14、基 本 要 求 ；（ 2） 功 能 齐 全 的 化 学 计 量 学 软 件 ， 是 建 立 模 型 和 分 析 的 必 要 工 具 ；（ 3） 准 确 并 适 用 范 围 足 够 宽 的 模 型 。这 三 个 条 件 的 有 机 结 合 起 来 ， 才 能 为 用 户 真 正 发 挥 作 用 。 因 此 ， 在 购 买 仪 器 时 必 须 对仪 器 提 供 的 模 型 使 用 性 有 足 够 的 认 识 ， 特 别 避 免 个 别 商 家 为 推 销 仪 器 所 做 的 过 度 宣 传 的 不良 诱 导 ， 为 此 付 出 代 价 的 厂 家 有 之 ， 因 此 ， 一 定 要 对 厂 家 提

15、 供 模 型 与 技 术 支 持 情 况 有 详 细了 解 。近 红 外 分 析 技 术 分 析 速 度 快 ， 是 因 为 光 谱 测 量 速 度 很 快 ， 计 算 机 计 算 结 果 速 度 也 很 快的 原 因 。 但 近 红 外 分 析 的 效 率 是 取 决 于 仪 器 所 配 备 的 模 型 的 数 目 ， 比 如 测 量 一 张 光 谱 图 ，如 果 仅 有 一 个 模 型 ， 只 能 得 到 一 个 数 据 ， 如 果 建 立 了 10 种 数 据 模 型 ， 那 么 ， 仅 凭 测 量 的一 张 光 谱 ， 可 以 同 时 得 到 10 种 分 析 数 据 。5 近 红 外

16、 光 谱 分 析 仪 器近 红 外 光 谱 仪 器 从 分 光 系 统 可 分 为 固 定 波 长 滤 光 片 、 光 栅 色 散 、 快 速 傅 立 叶 变 换 、 声光 可 调 滤 光 器 和 阵 列 检 测 五 种 类 型 。 滤 光 片 型 主 要 作 专 用 分 析 仪 器 ， 如 粮 食 水 分 测 定 仪 。由 于 滤 光 片 数 量 有 限 ， 很 难 分 析 复 杂 体 系 的 样 品 。 光 栅 扫 描 式 具 有 较 高 的 信 噪 比 和 分 辨率 。 由 于 仪 器 中 的 可 动 部 件 （ 如 光 栅 轴 ） 在 连 续 高 强 度 的 运 行 中 可 能 存 在 磨 损 问 题 ， 从而 影 响 光 谱 采 集 的 可 靠 性 ， 不 太 适 合 于 在 线 分 析 。 傅 立 叶 变 换 近 红 外 光 谱 仪 是 具 有 较 高 的分 辨 率 和 扫 描 速 度 ， 这 类 仪 器 的 弱 点 同 样 是 干 涉 仪 中 存 在 移 动 性 部 件 ， 且 需 要 较 严 格