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近紅外光譜分析儀的原理說明

更新時間:2018-09-13   點擊次數(shù):6859次
  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(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(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。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(shù)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(shù)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(zhì)量參數(shù)數(shù)據(jù)。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(jù)需要使用有關標準分析方法進行測量,得到樣品的各種質(zhì)量參數(shù),稱之為參考數(shù)據(jù)。通過化學計量學對光譜進行處理,并將其與參考數(shù)據(jù)關聯(lián),這樣在光譜圖和其參考數(shù)據(jù)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(shù)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(zhì)關系不同而異,常用的有多元線性回歸,主成分回歸,偏小二乘,人工神經(jīng)網(wǎng)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(zhì)數(shù)據(jù)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(zhì)量參數(shù)。

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