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近紅外光譜儀各類型與優缺點總結
來源: 閱讀(du):1063 發布時間:2021-09-23 11:05:46
近紅外光譜儀各類型與優缺點總結
近紅外光譜儀種類繁多,從應用的角度分類,可以分為在線過程監測儀器、專用儀器和通用儀器。從儀器獲得的光譜信息來看,有只測定幾個波長的專用儀器,也有可以測定整個近紅外譜區的研究型儀器;有的專用于測定短波段的近紅外光譜,也有的適用于測定長波段的近紅外光譜。較為常用的分類模式是依據儀器的分光形式進行的分類,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(hong)外光譜儀器(qi)

 

濾光片型近紅外光譜儀器以濾光片作為分光系統,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較早的設計形式。儀器工作時,由光源發出的光通過濾光片后得到一定寬帶的單色光,與樣品作用后到觸達檢測器。

 

該類型儀器優點:

儀器的體積小,可以(yi)作為專用(yong)的便攜儀器;制造成本(ben)低,適于大面積推廣。

 

該類型儀器缺點:

單色光(guang)的譜帶較寬,波長(chang)分辨率差;對(dui)(dui)溫濕(shi)度較為(wei)敏感;得不到(dao)(dao)連續(xu)光(guang)譜;不能對(dui)(dui)譜圖進行(xing)預(yu)處理(li),得到(dao)(dao)的信(xin)息(xi)量少(shao)。故(gu)只能作為(wei)較低檔(dang)的專用儀器。

色(se)散型(xing)近(jin)紅外光譜(pu)儀(yi)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,掃描型儀器通過光柵的轉動,使單色光按照波長的高低依次通過樣品,進入檢測器檢測。根據樣品的物態特性,可以選擇不同的樣品檢測器元件進行投射或反射分析。

 

該類型儀器的優點:

使(shi)(shi)用(yong)掃(sao)描(miao)型(xing)近紅外光(guang)譜儀可(ke)對樣品進(jin)行全譜掃(sao)描(miao),掃(sao)描(miao)的(de)重(zhong)復性(xing)和分(fen)辨率(lv)較濾光(guang)片型(xing)儀器有(you)很大程度的(de)提高(gao),個別的(de)色(se)散型(xing)近紅外光(guang)譜儀還可(ke)以作為(wei)研究(jiu)級儀器使(shi)(shi)用(yong)。

 

化(hua)學計量學在(zai)近紅(hong)(hong)外中的(de)(de)(de)應用(yong)(yong)是現代近紅(hong)(hong)外分(fen)析的(de)(de)(de)特(te)征(zheng)之(zhi)一(yi)。采用(yong)(yong)全譜分(fen)析,可以從近紅(hong)(hong)外譜圖中提取大量的(de)(de)(de)有用(yong)(yong)信息;通過合理的(de)(de)(de)計量學方(fang)法將光譜數據與(yu)訓練集樣(yang)品的(de)(de)(de)性質(組成、特(te)性數據)相關聯(lian)可得(de)到相應的(de)(de)(de)校正模型(xing);進而預測(ce)未知(zhi)樣(yang)品的(de)(de)(de)性質。

 

該類型儀器的缺點:

光柵(zha)或反光鏡(jing)的機(ji)械(xie)軸承長(chang)時間連續(xu)使(shi)(shi)用容(rong)易(yi)磨(mo)損,影響(xiang)波長(chang)的精度和重現性(xing);由(you)于機(ji)械(xie)部件較多,儀(yi)器的抗震性(xing)能較差;圖譜容(rong)易(yi)受(shou)到雜散光的干擾(rao);掃描(miao)速度較慢,擴展性(xing)能差。由(you)于使(shi)(shi)用外部標準樣(yang)品(pin)校正(zheng)儀(yi)器,其(qi)分辨率、信噪比等指標雖(sui)然比濾光片型儀(yi)器有了很大的提高,但與傅里葉型儀(yi)器相比仍有質的區(qu)別(bie)。

 

傅里葉變換型近紅外光譜儀(yi)器

 

傅里葉變換近紅外分光光度計簡稱為傅里葉變換光譜儀,它利用干涉圖與光譜圖之間的對應關系,通過測量干涉圖并對干涉圖進行傅里葉積分變換的方法來測定和研究近紅外光譜。

 

其基本組(zu)成(cheng)包括五部分:

 

分(fen)析光發生系(xi)統(tong),由(you)光源、分(fen)束器、樣品(pin)等(deng)組成,用以(yi)產生負載了樣品(pin)信息的分(fen)析光;

 

以傳統(tong)的(de)麥(mai)克爾遜干(gan)涉儀(yi)為(wei)代表的(de)干(gan)涉儀(yi),以及以后的(de)各類改(gai)進型干(gan)涉儀(yi),其作用(yong)是使光(guang)源發出的(de)光(guang)分為(wei)兩束(shu)后,造成一定(ding)的(de)光(guang)程差,用(yong)以產生空(kong)間(jian)(時間(jian))域(yu)中(zhong)表達的(de)分析光(guang),即(ji)干(gan)涉光(guang);

 

檢(jian)測(ce)器,用以檢(jian)測(ce)干涉光;

 

采樣系統(tong),通過數模轉換器(qi)把檢(jian)測(ce)器(qi)檢(jian)測(ce)到的干涉光數字(zi)化(hua),并導入計算機系統(tong);

 

計算機系統和顯示器,將樣品(pin)干涉光(guang)函(han)數和光(guang)源(yuan)干涉光(guang)函(han)數分(fen)別經傅(fu)里葉(xie)變換為強度俺頻(pin)率分(fen)布圖(tu),二者的(de)比值即樣品(pin)的(de)近紅(hong)外圖(tu)譜,并在顯示器中顯示。

 

干涉儀:

 

在傅里(li)葉變換近紅外(wai)光譜儀(yi)(yi)器(qi)(qi)中,干涉儀(yi)(yi)是儀(yi)(yi)器(qi)(qi)的心臟,它(ta)的好壞直接影響到儀(yi)(yi)器(qi)(qi)的心梗,因此有必要了解傳統的麥克爾遜(xun)干涉儀(yi)(yi)以及改進后的干涉儀(yi)(yi)的工作原理。

 

傳統的(de)麥(mai)克(ke)(ke)爾(er)遜(Michelson)干涉(she)(she)儀(yi):傳統的(de)麥(mai)克(ke)(ke)爾(er)遜干涉(she)(she)儀(yi)系統包(bao)括兩個(ge)互成90度角的(de)平(ping)(ping)面(mian)鏡(jing)、光(guang)學分束器、光(guang)源和檢測器。平(ping)(ping)面(mian)鏡(jing)中一個(ge)固(gu)定(ding)不動(dong)(dong)的(de)為定(ding)鏡(jing),一個(ge)沿圖示方向平(ping)(ping)行移動(dong)(dong)的(de)為動(dong)(dong)鏡(jing)。動(dong)(dong)鏡(jing)在運動(dong)(dong)過程(cheng)中應(ying)時刻與定(ding)鏡(jing)保持90度角。為了減小摩擦,防止振動(dong)(dong),通常把動(dong)(dong)鏡(jing)固(gu)定(ding)在空氣軸承上(shang)移動(dong)(dong)。

 

改進的干(gan)(gan)涉儀(yi):干(gan)(gan)涉儀(yi)是傅(fu)(fu)里(li)葉光(guang)(guang)譜儀(yi)重要(yao)的部件,它的性能(neng)好壞決定(ding)了傅(fu)(fu)里(li)葉光(guang)(guang)譜儀(yi)的質量,在經典的麥克爾遜干(gan)(gan)涉儀(yi)的基礎(chu)上,近年(nian)來在提高光(guang)(guang)通(tong)量、增加穩定(ding)性和抗(kang)震性、簡化儀(yi)器(qi)結構(gou)等方面有不(bu)少改進。

 

傳(chuan)統(tong)的(de)(de)麥(mai)克爾遜干(gan)涉儀工作過程中,當動(dong)(dong)鏡移(yi)動(dong)(dong)時,難免會存在(zai)一定程度上的(de)(de)擺動(dong)(dong),使得(de)兩個平面鏡互不垂直,導致入(ru)射(she)光(guang)(guang)不能直射(she)入(ru)動(dong)(dong)鏡或(huo)反射(she)光(guang)(guang)線(xian)偏離原入(ru)射(she)光(guang)(guang)的(de)(de)方向,從而得(de)不到(dao)與入(ru)射(she)光(guang)(guang)平行的(de)(de)反射(she)光(guang)(guang),影響干(gan)涉光(guang)(guang)的(de)(de)質(zhi)量。外(wai)界的(de)(de)振動(dong)(dong)也會產生相同的(de)(de)影響。

 

因此(ci)經典的(de)干涉儀除需經十分精確的(de)調(diao)整外(wai),還(huan)要在使用(yong)過(guo)程中避免振(zhen)動,以保持動鏡(jing)精確的(de)垂直定鏡(jing),獲得良好(hao)的(de)光(guang)譜圖。為(wei)提高(gao)儀器的(de)抗振(zhen)能力,Bruker公司開發出三維立(li)體(ti)(ti)平面角(jiao)鏡(jing)干涉儀,采用(yong)兩個(ge)三維立(li)體(ti)(ti)平面角(jiao)鏡(jing)作(zuo)為(wei)動鏡(jing),通(tong)過(guo)安裝(zhuang)在一個(ge)雙擺動裝(zhuang)置質量中心處的(de)無摩擦軸承,將兩個(ge)立(li)體(ti)(ti)平面角(jiao)鏡(jing)連接。

 

三維立(li)體平(ping)(ping)面(mian)角鏡(jing)干(gan)涉儀(yi)(yi)的實質是(shi)用立(li)體平(ping)(ping)面(mian)角鏡(jing)代替了(le)傳統干(gan)涉儀(yi)(yi)兩干(gan)臂上的平(ping)(ping)面(mian)反(fan)光鏡(jing)。由立(li)體角鏡(jing)的光學原理可知,當(dang)其反(fan)射(she)(she)面(mian)之(zhi)間(jian)有微(wei)小(xiao)(xiao)的垂直度誤差(cha)及立(li)體角鏡(jing)沿(yan)軸方(fang)向發生較小(xiao)(xiao)的擺動時,反(fan)射(she)(she)光的方(fang)向不會發生改變,仍能夠(gou)嚴(yan)格地按與入射(she)(she)光線(xian)平(ping)(ping)行的方(fang)向射(she)(she)出(chu)。

 

由此可以看出,采用(yong)三維(wei)立體角鏡(jing)后,可以有效(xiao)地消除動鏡(jing)在運動過程中因(yin)擺動、外部振動或傾斜等因(yin)素(su)引(yin)起的附(fu)加光(guang)程差(cha),從(cong)而(er)提高了一起的抗振能力和重(zhong)復性(xing)。

 

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