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近紅外光譜類型及優(yōu)缺點(diǎn)比較
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天津市能譜科技有限公司

時(shí)間: 2018-08-16 瀏覽量: 246

紅外光譜儀種類繁多,從應(yīng)用的角度分類,可以分為在線過(guò)程監(jiān)測(cè)儀器、專用儀器和通用儀器。從儀器獲得的光譜信息來(lái)看,有只測(cè)定幾個(gè)波長(zhǎng)的專用儀器,也有可以測(cè)定整個(gè)近紅外譜區(qū)的研究型儀器;有的專用于測(cè)定短波段的近紅外光譜,也有的適用于測(cè)定長(zhǎng)波段的近紅外光譜。較為常用的分類模式是依據(jù)儀器的分光形式進(jìn)行的分類,可分為濾光片型、色散型(光柵、棱鏡)、傅里葉變換型等類型。下面分別加以敘述。

 


濾光片型近紅外光譜儀器


濾光片型近紅外光譜儀器以濾光片作為分光系統(tǒng),即采用濾光片作為單色光器件。濾光片型近紅外光譜儀器可分為固定式濾光片和可調(diào)式濾光片兩種形式,其中固定濾光片型的儀器是近紅外光譜儀最早的設(shè)計(jì)形式。儀器工作時(shí),由光源發(fā)出的光通過(guò)濾光片后得到一定寬帶的單色光,與樣品作用后到觸達(dá)檢測(cè)器。

 

該類型儀器優(yōu)點(diǎn)是:儀器的體積小,可以作為專用的便攜儀器;制造成本低,適于大面積推廣。

 

該類型儀器缺點(diǎn)是:?jiǎn)紊獾淖V帶較寬,波長(zhǎng)分辨率差;對(duì)溫濕度較為敏感;得不到連續(xù)光譜;不能對(duì)譜圖進(jìn)行預(yù)處理,得到的信息量少。故只能作為較低檔的專用儀器。

 


色散型近紅外光譜儀器


色散型近紅外光譜儀器的分光元件可以是棱鏡或光柵。為獲得較高分辨率,現(xiàn)代色散型儀器中多采用全息光柵作為分光元件,掃描型儀器通過(guò)光柵的轉(zhuǎn)動(dòng),使單色光按照波長(zhǎng)的高低依次通過(guò)樣品,進(jìn)入檢測(cè)器檢測(cè)。根據(jù)樣品的物態(tài)特性,可以選擇不同的樣品檢測(cè)器元件進(jìn)行投射或反射分析。


該類型儀器的優(yōu)點(diǎn):是使用掃描型近紅外光譜儀可對(duì)樣品進(jìn)行全譜掃描,掃描的重復(fù)性和分辨率較濾光片型儀器有很大程度的提高,個(gè)別高端的色散型近紅外光譜儀還可以作為研究級(jí)儀器使用。


化學(xué)計(jì)量學(xué)在近紅外中的應(yīng)用是現(xiàn)代近紅外分析的特征之一。采用全譜分析,可以從近紅外譜圖中提取大量的有用信息;通過(guò)合理的計(jì)量學(xué)方法將光譜數(shù)據(jù)與訓(xùn)練集樣品的性質(zhì)(組成、特性數(shù)據(jù))相關(guān)聯(lián)可得到相應(yīng)的校正模型;進(jìn)而預(yù)測(cè)未知樣品的性質(zhì)。


該類型儀器的缺點(diǎn):光柵或反光鏡的機(jī)械軸承長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)使用容易磨損,影響波長(zhǎng)的精度和重現(xiàn)性;由于機(jī)械部件較多,儀器的抗震性能較差;圖譜容易受到雜散光的干擾;掃描速度較慢,擴(kuò)展性能差。由于使用外部標(biāo)準(zhǔn)樣品校正儀器,其分辨率、信噪比等指標(biāo)雖然比濾光片型儀器有了很大的提高,但與傅里葉型儀器相比仍有質(zhì)的區(qū)別。

 


傅里葉變換型近紅外光譜儀器


傅里葉變換近紅外分光光度計(jì)簡(jiǎn)稱為傅里葉變換光譜儀,它利用干涉圖與光譜圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系,通過(guò)測(cè)量干涉圖并對(duì)干涉圖進(jìn)行傅里葉積分變換的方法來(lái)測(cè)定和研究近紅外光譜。


其基本組成包括五部分:

  1. 分析光發(fā)生系統(tǒng),由光源、分束器、樣品等組成,用以產(chǎn)生負(fù)載了樣品信息的分析光;

  2. 以傳統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀為代表的干涉儀,以及以后的各類改進(jìn)型干涉儀,其作用是使光源發(fā)出的光分為兩束后,造成一定的光程差,用以產(chǎn)生空間(時(shí)間)域中表達(dá)的分析光,即干涉光;

  3. 檢測(cè)器,用以檢測(cè)干涉光;

  4. 采樣系統(tǒng),通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換器把檢測(cè)器檢測(cè)到的干涉光數(shù)字化,并導(dǎo)入計(jì)算機(jī)系統(tǒng);

  5. 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和顯示器,將樣品干涉光函數(shù)和光源干涉光函數(shù)分別經(jīng)傅里葉變換為強(qiáng)度俺頻率分布圖,二者的比值即樣品的近紅外圖譜,并在顯示器中顯示。


在傅里葉變換近紅外光譜儀器中,干涉儀是儀器的心臟,它的好壞直接影響到儀器的心梗,因此有必要了解傳統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀以及改進(jìn)后的干涉儀的工作原理。


傳統(tǒng)的麥克爾遜(Michelson)干涉儀:傳統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀系統(tǒng)包括兩個(gè)互成90度角的平面鏡、光學(xué)分束器、光源和檢測(cè)器。平面鏡中一個(gè)固定不動(dòng)的為定鏡,一個(gè)沿圖示方向平行移動(dòng)的為動(dòng)鏡。動(dòng)鏡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻與定鏡保持90度角。為了減小摩擦,防止振動(dòng),通常把動(dòng)鏡固定在空氣軸承上移動(dòng)。


光學(xué)分束器具有半透明性質(zhì),放于動(dòng)鏡和定鏡之間并和它們成45度角,使入射的單色光50%透過(guò),50%反射,使得從光源射出的一束光在分束器被分成兩束:反射光A和透射光B。


A光束垂直射到定鏡上;在那兒被反射,沿原光路返回分束器;其中一半透過(guò)分束器射向檢測(cè)器,而另一半則被反射回光源。


B光束以相同的方式穿過(guò)分束器射到動(dòng)鏡上;在那兒同樣被反射,沿原光路返回分束器;再被分束器反射,與A光束一樣射向檢測(cè)器,而以另一半則透過(guò)分束器返回原光路。A、B兩束光在此會(huì)合,形成為具有干涉光特性的相干光;當(dāng)動(dòng)鏡移動(dòng)到不同位置時(shí),即能得到不同光程差的干涉光強(qiáng)。


改進(jìn)的干涉儀:干涉儀是傅里葉光譜儀最重要的部件,它的性能好壞決定了傅里葉光譜儀的質(zhì)量,在經(jīng)典的麥克爾遜干涉儀的基礎(chǔ)上,近年來(lái)在提高光通量、增加穩(wěn)定性和抗震性、簡(jiǎn)化儀器結(jié)構(gòu)等方面有不少改進(jìn)。


傳統(tǒng)的麥克爾遜干涉儀工作過(guò)程中,當(dāng)動(dòng)鏡移動(dòng)時(shí),難免會(huì)存在一定程度上的擺動(dòng),使得兩個(gè)平面鏡互不垂直,導(dǎo)致入射光不能直射入動(dòng)鏡或反射光線偏離原入射光的方向,從而得不到與入射光平行的反射光,影響干涉光的質(zhì)量。外界的振動(dòng)也會(huì)產(chǎn)生相同的影響。


因此經(jīng)典的干涉儀除需經(jīng)十分精確的調(diào)整外,還要在使用過(guò)程中避免振動(dòng),以保持動(dòng)鏡精確的垂直定鏡,獲得良好的光譜圖。為提高儀器的抗振能力,Bruker公司開(kāi)發(fā)出三維立體平面角鏡干涉儀,采用兩個(gè)三維立體平面角鏡作為動(dòng)鏡,通過(guò)安裝在一個(gè)雙擺動(dòng)裝置質(zhì)量中心處的無(wú)摩擦軸承,將兩個(gè)立體平面角鏡連接。


三維立體平面角鏡干涉儀的實(shí)質(zhì)是用立體平面角鏡代替了傳統(tǒng)干涉儀兩干臂上的平面反光鏡。由立體角鏡的光學(xué)原理可知,當(dāng)其反射面之間有微小的垂直度誤差及立體角鏡沿軸方向發(fā)生較小的擺動(dòng)時(shí),反射光的方向不會(huì)發(fā)生改變,仍能夠嚴(yán)格地按與入射光線平行的方向射出。


由此可以看出,采用三維立體角鏡后,可以有效地消除動(dòng)鏡在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中因擺動(dòng)、外部振動(dòng)或傾斜等因素引起的附加光程差,從而提高了一起的抗振能力和重復(fù)性。



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