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近红外分析对光谱仪的要求

2010-10-11

                                        近红外分析对光谱仪的要求
    近红外分析对光谱分析仪与一般红外分光光度计比较，在光学原理上是相同的，但性能要求的重点不同。例如，红外光谱分析要求有较高的光谱分辨率，而近红外光谱分析更注重信赖比。现就几个问题讨论如下：
    1.1光谱范围或波段
       物质的近红外吸收光谱，一般分为和频区，第一、第二及第三倍频区。这些频区都有多类分子相应的吸收带，只是带的重叠程度和吸收强度不同。分析选用哪几个频区视分析对象和要求而定。例如，分析水分时，低水分样品常选用合频吸收波长（1940nm），中等水分用第一倍频吸收波长（1450nm），高水分用第二倍频吸收波长（970nm）。有如:分析粉末样品多选合频区，分析带皮的大颗粒样品，选倍频区较为有利等等。至于有些分析家强调选用全波段，固然吸收的信息增加了，干扰噪声也会增加，并不一定非如此不可。一般来说，组分、结构较复杂或吸收物含量较低的样品，长波段能得到较高的分析精度。
      分析波长的选择对滤光片性仪器设计很重要。基本的考虑是分析一种成分至少选三个波长，即吸收波长、干扰波长和参考波长。吸收波长并非要选吸收强的波长。，而是吸收既强、干扰又小的波长；参考波长是指非吸收波长，用于消除其他原因，如样品表面结构、颗粒大小、装样收紧等引进的吸光度变化。波长选用多，能利用较多的信息，可望提高分析精度，但稳定性降低。波长少则反之。
    1.2光谱分辨率或带宽
       近红外光谱是由中红外基频吸收的合频和倍频组成。这些吸收带相邻很近，合成的光谱曲线表现平滑，不像中红外光谱那样存在尖锐的分立吸收线。对于平滑的光谱曲线，无需光谱分辨率高的仪器。不论计算机模型或试验都证明：仪器的光谱带宽2nm、10nm、20nm都不影响分析结果。有多篇比较使用不同仪器的报道，分析结果没有什么差别。这些仪器包括光谱分辨率高的傅里叶变换光谱仪，光栅扫描光谱仪（带宽10nm）和干涉滤光片光谱仪（带宽20~25nm）。
       红外光谱分析始盛于20世纪40年代，工作波段2~25nm,分析对象主要是气体和稀释的液体，固体样品要做成薄片。60年代，自K.H.Norris利用漫反射在近红外波段分析固体样品后，近红外分析成为一种独立的分析技术迅速发展。在仪器方面，先后出现了各种不同的分光类型，如干涉滤光片、光栅扫描、傅里叶变换、声光调制、光源或探测器阵列等。80年代以来，有许多国外公司的近红外分析仪涌入我国市场，而国内自己研制生产的却很好。
       长春光机所建所之初就开始研制光谱仪器。1958年完成中性和大型凌镜摄谱仪后，转向自动记录红外分光光度计，相应开辟了红外晶体生长和加工、光栅刻划和复制、非球面加工和检测、红外光源、红外探测器及红外辐射测量等多个领域。1963年红外分光光度计界定时的指标是：工作波段2~15nm,光谱分辨率在10.5处为1.5cm。1964年获国家科委、纪委、经委联合颁发的工业新产品一等奖。后来，还结合空间等应用，研制了光栅扫描、FT及AOTF等类型的红外光谱仪器。
       长春光机所研制近红外光谱分析仪始于80年代中期。1985年、1986年先后招收、培养了两名研究生，直至他们毕业时，已具备了研制仪器的基本条件。接着，商业部“七五”国脚科技攻关课题（75-49-03-17）提出由长春光机所研制近红外谷物品质分析仪。1991年6月，商业部科技质量司在长春组织验收时，用56份面粉、48份全麦粉、30份油菜籽检测，得出蛋白质（面粉和小麦粉）和油（油菜籽）的预测标准差达到0.2%，完全满足粮食部门应用的要求。其后，长春光机所又承担了“八五”国家科技攻关课题（85-017-02-06，饲料生产近红外快递分析检测技术的研究与开发）及“十五”国家科技攻关计划课题（2001BA512B04，粮食品质快速检测技术和仪器的研究与开发），先后研制了“三代”滤光片型近红外漫射反射光谱分析仪。由于体制等原因，仪器至今尚未批量生产进入市场。
    1.3信噪比或光度噪声
       近红外光谱分析是基于吸收物含量变化引起光谱吸收的微小变化。举个例子，食物中的蛋白质，当含量变化1%时，在强的吸收波长2180nm处，吸光度只变化0.002。分析复杂样品时，往往要对光谱数据进行各种数学处理，常用的二阶导数，就需要在豪吸光度的水平下作运算，这时仪器信噪比的重要性就凸现出来了。对于某些应用，例如时下的热门课题，人体血糖监测，光谱仪的信噪比或光度噪声，而不是光谱分辨率。
   1.4其他
      稳定性，对所有分析仪器都是重要的，近红外光谱仪毫无例外。波长重复性、吸光度重复性都包括在稳定性之内。虽然近红外光谱仪毫无例外。波长重复性、吸光度重复性都包括在稳定性之内。虽然近红外光谱仪不要求光谱分辨率，却要求高波长重复性。