近红外光谱仪器技术
近红外光谱仪的操作步骤 光谱仪技术指标
近红外光谱仪的操作步骤光谱仪技术指标近红外光谱仪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。
滤光片型紧要作专用分析仪器，如粮食水分测定仪。
近近红外光谱仪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。
滤光片型紧要作专用分析仪器，如粮食水分测定仪。
近红外光谱仪的操作步骤如下：（1）将烟叶样品全部经60目旋风磨处理，待测：（2）开机（要求在18—24℃范围内启动），持续预热 1.5小时；（3）扫描背景，一般要求四次样品扫一次背景。
在环境要求变化不大时可适当放宽要求；（4）用烧杯量取待测样品约75ml（仅对粉末而言）放入样品杯，样品装填均匀，用压紧器（可做成铜块）压紧样品，要求底部没有裂缝。
（5）将样品杯放入样品室，开始扫描；（6）扫描结束后，取出样品杯，清扫样品；（7）重新装样，进行第二个样品的扫描；（8）样品全部扫描结束后，分析结果。
试样测试完成后，首先应退出FT—IR软件，关闭电脑，最后关闭主机电源。
近红外光谱仪仪器使用的注意事项：A 、保持室内环境相对湿度在50%以下。
KBr窗片和分束器很简单吸潮，为防止潮解，务必保持室内干燥。
同时操作的人员不宜太多，以防人呼出的水气和CO2影响仪器的工作。
B 、维持室内温度相对稳定。
温差变化太大，也简单造成水气在窗片上凝结。
C 、假如条件允许，建议定期对仪器用N2进行吹扫。
D 、尽量不要搬动仪器，防止精密仪器的猛烈震动。
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光谱仪近红外
光谱仪近红外指的是一类光谱仪器，用于检测和分析近红外波段的光谱信息。
近红外波段通常包括700纳米到2500纳米的范围。
近红外光谱仪通过测量物质在近红外光波段的吸收、散射或透射等特性，获取样品的光谱数据，并进一步分析和解释。
近红外光谱具有许多应用领域，包括但不限于以下几个方面：
1.化学分析：近红外光谱仪可以用于化学成分分析、质量控制、反应动力学等方面的研究。
通过检测样品在近红外波段的吸收特性，可以识别和定量分析化合物的种类和含量。
2.农业和食品领域：近红外光谱仪可用于农作物和食品品质的分析。
例如，可以通过近红外光谱技术判断水果的成熟度、检测农产品中的营养成分、预测食品的新鲜度等。
3.药物和生物医学研究：近红外光谱可用于医药领域的药物分析和生物医学研究。
例如，可以通过近红外光谱检测药物的纯度、质量等；同时，在生物医学研究中，近红外光谱被用作非侵入性的、实时的生物体监测工具。
4.环境监测：近红外光谱仪可以用于水质、空气质量、土壤污染等环境领域的监测和分析，帮助评估环境中的污染物含量和类型。
近红外光谱仪的使用使得对物质的分析更加简便、高效、准确，广泛应用于科学研究、工业生产、环境监测等领域。
_近红外光谱解析实用指南_
_近红外光谱解析实用指南_近红外光谱解析是一种非常常用的分析技术，可用于定性和定量分析。
本指南旨在向读者介绍近红外光谱解析的基本原理、仪器设备、样品制备和数据分析方法。
一、基本原理近红外光谱是指在800至2500纳米波长范围内的光谱。
近红外光谱的原理是利用样品中分子振动和拉伸产生的光谱吸收特征来推测样品的成分和属性。
这些光谱特征是由于化学键振动、倾角、水合作用等引起的。
二、仪器设备近红外光谱仪是近红外光谱解析的关键设备。
现在市场上常见的仪器一般采用光栅技术，具有高分辨率和高精度。
仪器的重要参数包括光源、光路、检测器和光谱仪。
选择合适的仪器要考虑样品类型、分析要求和预算。
三、样品制备样品制备对于近红外光谱解析至关重要。
样品制备的目的是使样品以均匀、透明、薄膜形式呈现在仪器上。
常用的样品制备方法包括将样品粉碎后与固体粉末混合，或将液体样品稀释后滴在红外透明基底上。
四、数据分析方法近红外光谱解析的数据处理过程包括光谱校正、预处理、模型建立和模型验证等步骤。
首先，需进行光谱校正，如仪器平滑、波长校准和零点校准等。
接下来，进行样品的预处理，包括去噪、光谱标准化和特征选择等。
然后，构建合适的模型，可以采用主成分分析、偏最小二乘法或支持向量机等方法。
最后，进行模型验证和检验，评估模型的准确度和鲁棒性。
近红外光谱解析的应用非常广泛，涉及农业、食品、化学、药品、生物医学等领域。
它可以用于农产品质量检测、食品成分分析、药品质量控制等。
近红外光谱解析具有快速、非破坏性、准确度高等优点，因此备受研究者和工程师的青睐。
总结起来，近红外光谱解析是一种有效的分析技术，具有广泛的应用前景。
通过正确选择仪器设备，合理制备样品，以及采用科学的数据处理方法，可以实现准确、快速和可靠的分析结果。
希望本指南能够为读者提供有关近红外光谱解析的基本知识和实用指导。
现代近红外光谱技术及应用进展
现代近红外光谱技术及应用进展一、本文概述近红外光谱（Near-Infrared Spectroscopy，NIRS）是一种基于物质对近红外光的吸收和散射特性的分析技术。
近年来，随着光谱仪器设备的不断改进和计算机技术的飞速发展，现代近红外光谱技术在分析化学、生物医学、农业食品等领域的应用日益广泛。
本文旨在综述现代近红外光谱技术的最新进展，特别是在仪器设备、数据处理方法、化学计量学以及应用领域的最新发展。
文章首先介绍了近红外光谱的基本原理和技术特点，然后重点论述了现代近红外光谱技术在不同领域的应用实例和取得的成果，最后展望了未来发展方向和潜在应用前景。
通过本文的阐述，旨在为读者提供一个全面、深入的现代近红外光谱技术及应用进展的概述。
二、现代近红外光谱技术的理论基础现代近红外光谱技术，作为一种高效、无损的分析手段，其理论基础源自电磁辐射与物质相互作用的原理。
近红外光谱区域通常是指波长在780 nm至2500 nm范围内的电磁波，其能量恰好对应于分子振动和转动能级间的跃迁。
因此，当近红外光通过物质时，分子中的化学键和官能团会吸收特定波长的光，产生振动和转动跃迁，从而形成独特的光谱。
现代近红外光谱技术的理论基础主要包括量子力学、分子振动理论和光谱学原理。
量子力学为近红外光谱提供了分子内部电子状态和行为的基本描述，而分子振动理论则详细阐述了分子在不同能级间的跃迁过程。
光谱学原理则将这些理论应用于实际的光谱测量和分析中，通过测量物质对近红外光的吸收、反射或透射特性，来获取物质的结构和组成信息。
现代近红外光谱技术还涉及到光谱预处理、化学计量学方法以及光谱解析等多个方面。
光谱预处理包括平滑、去噪、归一化等步骤，旨在提高光谱的质量和稳定性。
化学计量学方法则通过多元统计分析、机器学习等手段，实现对光谱数据的深入挖掘和信息提取。
光谱解析则依赖于专业的光谱数据库和算法，对光谱进行定性和定量分析，从而确定物质中的成分和含量。
近红外光谱分析技术原理
近红外光谱分析技术原理
近红外光谱分析技术是一种无损的分析方法，通过测量样品在近红外区域（780-2500 nm）的吸收和散射光谱来获取样品的信息。
这一区域的光波长范围对于化学成分、结构和物理状态的信息具有很高的灵敏度。
近红外光谱分析技术基于样品中的化学键或官能团在近红外区域的振动和转动引起的光吸收现象。
每个化学物质都有其独特的光谱特征，因此可以通过比对样品的光谱和已知物质的光谱数据库来确定样品的成分和含量。
近红外光谱分析技术具有以下几个优点：首先，非破坏性，不需要对样品进行任何物理或化学处理；其次，快速性，一般只需几秒钟或几分钟即可获得结果；再次，可靠性，结果准确性高，对于复杂的样品也有很好的适应性。
具体实施近红外光谱分析技术时，首先需要采集样品的光谱数据。
通常使用近红外光谱仪来进行测量，该仪器会发出一束近红外光束，经过样品后，光束中吸收的光将被检测器接收并转换成电信号。
然后，通过对比已知物质的光谱库，将样品的光谱与库中的光谱进行匹配和比对，以确定样品的成分和含量。
在近红外光谱分析技术中，还需要进行预处理和数据分析。
由于样品中存在吸收、散射、漫反射等干扰，需要对光谱数据进行预处理，如去除噪声、背景光等。
然后，使用统计学和化学计量学方法对处理后的数据进行分析和建模，以提取出样品中的信息和特征。
近红外光谱分析技术在农业、食品、制药、环境监测等领域有广泛的应用。
比如，在农业领域，可以用于农产品质量检测、土壤分析、农药残留检测等；在食品领域，可以用于食品成分分析、真伪鉴别等；在制药领域，可以用于药物质量控制、成分鉴别等。
近红外光谱技术的优缺点分析
近红外光谱技术的优缺点分析优点：1.非破坏性分析：近红外光谱技术可以在不破坏样品的情况下进行分析，不需要对样品进行处理或破坏性操作，因此适用于对昂贵或者珍贵的样品进行分析。
2.快速分析：近红外光谱技术具有快速分析的优点。
仪器操作简单，只需几分钟即可获得样品的光谱数据，因此可以高效地进行大量样品的分析。
3.宽波长范围：近红外光谱技术可以在700到2500纳米的宽波长范围内进行分析，这种宽波长范围可以覆盖各种样品的光谱特征。
不同的化学键和官能团在这个范围内吸收和散射光线的能力不同，因此可以通过光谱分析来确定样品的化学成分和特性。
4.多组分分析：近红外光谱技术可以用于多组分分析。
通过与已知样品的光谱进行比较和匹配，可以识别和定量分析未知样品中的各种化合物和组分。
5.无需样品准备：近红外光谱技术无需对样品进行处理、稀释或准备，不需要使用特殊的试剂或溶剂。
这降低了实验的成本和复杂性，并且减少了潜在的污染和分析误差。
缺点：1.需要校正和标定：近红外光谱技术在应用前需要进行校正和标定。
由于光谱数据容易受到采样条件、仪器性能和环境变化的影响，需要建立可靠的标定模型来保证分析结果的准确性和可靠性。
2.较高的设备成本：近红外光谱仪器价格相对较高，这给普遍应用带来了一定的限制。
同时，维护和管理设备也需要一定的技术和经济投入。
3.样品不透明：近红外光谱技术对于不透明的样品具有一定的限制。
由于近红外光在样品中容易被吸收，样品的透射光谱可能受到吸收效应的影响，因此对于不透明和浑浊的样品，应该采用其他可行的分析方法。
4.有限的解析能力：虽然近红外光谱技术可以提供关于样品组成和质量的定性和定量信息，但由于光谱区域的重叠和叠加效应，对于复杂的样品体系，其分辨能力有一定的局限性。
因此，在一些需要更高分辨能力的应用中，可能需要使用其他分析技术进行补充。
总之，近红外光谱技术作为一种非破坏性、快速的分析方法，在许多领域具有广泛的应用前景。
近红外光谱标准
近红外光谱标准近红外光谱技术作为一种重要的分析技术，在多个领域得到了广泛的应用。
为了规范近红外光谱技术的使用和推广，制定了一系列近红外光谱标准。
本文将介绍近红外光谱标准的主要内容，包括近红外光谱仪器标准、近红外光谱分析方法标准、近红外光谱样品制备标准、近红外光谱数据解析标准、近红外光谱应用领域标准、近红外光谱质量评估标准、近红外光谱安全操作标准以及近红外光谱数据处理标准。
近红外光谱仪器标准近红外光谱仪器是进行近红外光谱分析的基础设备，因此其性能和质量对分析结果有着至关重要的影响。
近红外光谱仪器标准主要包括仪器的基本参数、性能指标、稳定性、可靠性等方面的规定。
例如，仪器的主要技术指标应符合相应的测试方法及技术要求，仪器的稳定性应满足测试要求，仪器的操作应简单方便，仪器的安全性能应符合相关规定等。
近红外光谱分析方法标准近红外光谱分析方法标准是针对具体分析对象和方法制定的标准。
这些标准通常包括样品的前处理方法、光谱采集条件、谱图解析方法等方面的规定。
例如，样品的前处理应遵循一定的流程和规范，以保证样品的代表性和均匀性；光谱采集时应选择合适的波长范围和扫描次数，以保证光谱的质量和可靠性；谱图解析时应采用合适的数学方法和模型，以获得准确的分析结果。
近红外光谱样品制备标准近红外光谱样品制备是进行近红外光谱分析的重要环节之一。
样品制备不当可能会影响光谱的质量和分析结果的准确性。
近红外光谱样品制备标准主要包括样品的制备方法、样品制备过程中的质量控制等方面的规定。
例如，样品制备时应保证样品的代表性和均匀性，样品制备过程中应避免外部因素对样品的影响等。
近红外光谱数据解析标准近红外光谱数据解析是将采集的光谱数据转化为有用的分析结果的过程。
数据解析过程中涉及到数学建模、模型验证等方面，因此需要制定相应的标准来规范这一过程。
近红外光谱数据解析标准主要包括模型建立的方法、模型验证的方法、模型评价等方面的规定。
例如，模型建立时应选择合适的波长范围和变量，模型验证时应采用交叉验证等方法，模型评价时应根据实际应用情况进行评估等。
近红外光谱分析技术
It () --------相对透射比
（应用时通称吸光
2、反射光谱法（多指长波近红外区，波长一般在 1100~2500nm范围内）
定义：是指测器和光源 置于样品的同一侧，检 测器所检测的是样品以 各种方式反射回来的光。
在探讨漫反射光强度与样品浓度之间关系时， 引入Kubelka-Munk方程：
• 拟合不足会导致模型的预测结果不可靠；
• 一、近红外光谱的定量分
析 (六) 校正模型的校验
• 交互校验法
优点：校正样品集中不包含用于校正模型的样品，可以独立 地对校正模型进行校验。
• 评定模型质量好坏的几个统计量
6
由于一种基团在近红外光谱区的多个波长处有吸收， 且近红外光谱谱峰较宽，致使多组分样品的近红外光 谱在一个波长处有多个谱峰的重叠。
仪器结构
一、近红外光谱仪的基本结构
光源系统
分光系统
样品室
检测器
控制和数据处理系统
记录显示系统
二、近红外光谱仪的分类
（一）根据分光系统分类
滤光片型
优点：设计简单、成本低、光通量大、信号 记录快、
R）。
对于标准测试板，其绝对反射率为R：s
Is I0
②
对于测试样，其绝对反射率为：Rt
It I0
③
则 将相相对对反反射 射率 率定 代义入为①：代R替 绝RRst对反IIst射率，①变为KS： (1
R) 2R
2
f
(R)
④
⑤
式 此中 在散K与射被系测数物不质变的的摩条f尔(件R)吸下收，系显 数然
优化算法介绍
• 1.主成分分析法
是将数据降维，以排出众多化学信息共存下的相互重叠的信 息。它是将原变量进行转换，用少数几个新变量作为原变量 的线性组合，同时，这些新变量应尽可能多的表征原变量的 数据结构特征而不丢失信息。
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出 。在灯壳里的卤化物起“沐浴”作用 ,保持石英窗口 的洁净 ,因此它们的寿命很长 。用于反射和透射仪器 的检测器通常有 : 硅检测器用于 360～1000nm 的区 域 ,PbS 检测器用于 900～2600nm 的区域 。为克服硫 化铅的温度漂移 ,常采用带制冷的 PbS 检测器 。在某 些情况下 ,也使用 In GaAs 检测器 ,但由于这种检测器 的面积较小 ,不能用于收集漫反射光 。
2 近红外光谱仪器类型
近红外光谱仪器主要有滤光片型 、发光二极管
收稿日期 :2001 - 04 - 10 作者简介 :吉海彦 ,1964 年出生 ,副教授 ,主要研究方向 :近红外光谱分析技术及智能仪器研究 。
现代科学仪器 2001 6
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© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
干涉滤光片通常应用于简单近红外光谱仪 。在最 简单的盘式仪器中 ,若干片 (6～12) 不同透射波长的干 涉滤光片装在片盘上 ,测量时根据需要的波长转动片 轮以选择合适的一个滤光片进入光路 ,如图 1 所示 。
从计算机接收校正方程和将光谱数据传送至计算机 。 对手提式仪器 ,要在几个波长采集光谱数据 ,不
26Leabharlann 这 类 仪 器 的 光 源 为 带 石 英 外 壳 的 Tungsten2 halogen灯 ,在 360～3000nm 的区域提供高能量的输
Modern Scientific Instruments 2001 6
© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
(L ED) 型 、光栅单色器型 、傅里叶变换干涉仪型 、声光 可调滤光片型 (AO TF) 、多通道检测型 (二极管阵列 PDA 、电荷耦合器件 CCD) 等 。 211 滤光片型近红外仪器 21111 滤光片盘式近红外仪器
离散点的测定是测量几个特定波长点的光谱数 据 ,并建立样品浓度与这些数据的关系 。进行离散点 测量仪器通常是滤光片型的近红外仪器 。
综述与评论
近红外光谱仪器技术
吉海彦
(中国农业大学信息学院应用物理系 北京 100094)
E2mail :instru @mail. cau. edu. cn
摘 要 综述了常用的几种类型近红外光谱仪器及其各自的工作原理及优缺点 ,并给出了具有代表性的近红外 仪器厂商及其 Internet 网址和仪器类型 。
对工作于中红外区的傅里叶变换光谱仪 ,只要更 换一些光学器件 (光源 、分束器 、检测器) ,并配合适用 的软件 ,就能很容易扩展到近红外区 。在近红外谱区 工作时 ,光源选用钨灯 ,分束器有石英分束器 、Ca2F 分束器 、KBr2Ge 分束器等 ,检测器有 InSb 和 InAs ,这 两种检测器需在低温液态氮下工作 ,检测器还有 Si , PbS 等 。
1 引 言
近红 外 ( Near2Infrared : N IR) 光 谱 指 波 长 范 围 在 018μm～215μm 区域的光 。近红外光谱分析主要利用 分子的倍频与合频吸收 ,而分子在近红外区的倍频与 合频吸收弱 ,谱带复杂 ,重叠多 。因此 ,近红外光谱分 析属于微弱信号与多元信息的处理 。近十多年来由于 光学技术、电子技术与计算机软硬件技术的发展 ,使分 析科学中弱信号处理的理论和技术越来越成熟 ,它们 被用来解决 N IR 光谱吸收弱的困难 。现代数学在分析 中的应用 ,化学计量学的发展以及计算机的广泛应用 , 使多组分分析中多元信息处理的理论与技术得到发 展 ,它们被用于解决 N IR 谱区重叠的困难 。
用 L ED 作光源 ,由不同的二极管产生不同的波 长 。因为 L ED 器件体积小 、消耗低 ,仅需要几个二极 管就能将光谱仪做成比其它类型的仪器更小 、更价 廉 、更精巧的过程控制器 。此类仪器适合于在过程检 测中在线使用 ,或最适合于手提式仪器中 。此类仪器 的优点是没有移动部件 ,是相当坚固的 ;缺点是带宽 变化 ,波长数目有限 ,准确度和精度有限 。
Abstract This paper summarizes several kinds of Near2Infrared spectroscopy instruments and t heir working t heory , advantages and disadvantages. The paper also gives representative manufactures of Near2Infrared instru2 ments , t heir Web site and types of spectrometers.
关键词 近红外光谱仪器 ;滤光片 ;发光二极管 (L ED) ;全息光栅 ;傅里叶变换干涉仪 ;声光可调滤光片 (AO TF) ; 多通道检测
中图分类号 TH74411
Near2Infrared Spectroscopy Instrument Technique
Ji Haiyan (Applied Physics Depart ment , Information College , China Agricultural University ,Beijing 100094 ,P. R. China)
近红外光谱分析主要可分为透射光谱分析和漫 反射光谱分析 。透射光谱分析使用近红外的短波长 区域 (018μm～112μm) ,主要用于对液体状样品或透 过率较大的样品进行分析 ;漫反射光谱分析使用近红 外的长波长区域 (114μm～215μm) ,主要用于对粉末 状样品或固体样品进行分析 。
近红外光谱分析的主要优点是 :分析速度快 、样
它是最常见的近红外仪器 。这类仪器与紫外2可见光 谱仪具有通用的光学设计 ,只要更换光源 、光栅 、滤光 片和检测器 ,就可构成近红外光谱仪 。图 4 是基于单 色器的近红外光谱仪 。
50 年代以来 ,需求最大的是扫描式仪器 ,但现今 的应用需要设计为实时分析单个成分的手提式仪器 。 用滤光片轮上带有 8 个干涉滤光片的手提式近红外 光谱仪 ,可测量完整烟草叶片中的尼古丁和糖 。通过 适当选择干涉滤光片 ,可适合于任何产品的测量 。这 类仪器可自带微处理器 ,还可带有 RS2232 接口 ,用于
计算机成为近红外技术不可缺少的部分 。用计 算机来进行数据的处理 ,用化学计量学软件来提取信 息 。化学计量学软件是近红外光谱仪的必要组成部 分 ,它提供对数据进行预处理 ,建立校准模型 ,对模型 进行统计检验 ,对未知样品进行预测 ,输出校正与分 析报告及相关图等 。
这种类型的仪器 ,通常作为实验室近红外仪器使 用 ,是一个通用型的近红外光谱仪 。随着技术的发 展 ,扫描光谱仪不再限于实验室使用 ,通过给其增加 光导纤维探头 ,可构成现场光谱仪 。 214 傅里叶变换型近红外光谱仪
必一定依赖滤光片轮 。安装于多检测器前的固定干 涉滤光片均有一定的视场 ,能提供足够的数据来进行 化学或物理特性的测定 。例如 ,手提式近红外土壤湿 度仪 ,使用一个圆筒和两个干涉滤光片 ,在 1180μm 和 1194μm 采集吸收值 。在湿度范围为 5～35 %的粘 土和沃土测量中 ,估计的标准差为 ±119 %。 212 发光二极管 (L ED) 型近红外仪器
Key words Near2infrared spectroscopy instrument ; filters ; light2emitting diodes ( L ED) ; holographic gra tings ;interferometers ;acoustooptical tunable filter (AO TF) ;multichannel detector
快 、波长精度高 、分辨率好 ,由于短时间内即可进行多 次扫描 ,使信号作累加处理 ,加之光能利用率高 、输出 能量大 ,因而仪器的信噪比和测定灵敏度较高 ,可对 样品中的微量成分进行分析 ;这类仪器的弱点是干涉 仪中有移动性部件 ,需要较稳定的工作环境 。傅里叶 型近红外光谱仪由于得到全波长的光谱信息 ,因此其 定性和定量分析采用全光谱校正技术 。 215 声光可调滤光片型 (AOTF) 近红外光谱仪
傅里叶变换光谱仪的核心是迈克耳逊干涉仪 ,其 结构如图 5 所示 。光源产生的光经反射镜后成为平 行光 ,按 45°角入射到分束器上 ,其中一半强度的光被 分束器反射 ,射向固定镜 ,另一半强度的光透过分束 器射向动镜 。射向固定镜和动镜的光经反射后再射 向样品 ,而后由检测器检测 。射向样品的光为干涉 光 ,相干后的强度随光程差的变化而变化 ,检测器检 测到的是样品的干涉图 ,每个时刻都可得到分析光中 全部波长的信息 。由计算机采集此干涉图 ,再经傅里 叶变换 ,就得到频率域的光谱图 。
21112 滤光片轮式近红外仪器 滤光片轮式仪器 ,如图 2 所示 ,是将滤光片装在
转轮内 ,利用工作时相对于入射光束倾斜的滤光片中 心波长有少许移动的特点 ,使仪器具有一个连续的波 长覆盖范围 (1400～2400nm) ,从而可测定试样在此 范围内连续的光谱数据 ,利于光谱数据的预处理 。