在线近红外光谱仪 近红外光谱类型及优缺点比较

近红外光谱仪种类繁多，可分为在线过程监测仪器、专用仪器和通用仪器。从仪器获得的光谱信息来看，有专门的仪器只能测量几个波长，有研究仪器可以测量整个近红外光谱；有的专门测量短波段近红外光谱，有的适合测量长波段近红外光谱。常用的分类方式是根据仪器的光谱形式，分为滤光型、色散型(光栅、棱镜)、傅里叶变换型等。它们在下面单独描述。

滤光型近红外光谱仪

滤光型近红外光谱仪使用滤光器作为分光系统，即使用滤光器作为单色光装置。滤光型近红外光谱仪可分为固定滤光器和可调滤光器两种形式，其中固定滤光器型仪器是近红外光谱仪最早的设计形式。仪器工作时，光源发出的光通过滤光片，获得一定宽带的单色光，与样品相互作用，到达触摸检测器。

这种仪器的优点:

该仪器体积小，可用作特殊的便携式仪器。制造成本低，适合大规模推广。

这种仪器的缺点:

单色光光谱波段宽，波长分辨率差；对温度和湿度敏感；无法获得连续谱；谱图无法预处理，获得的信息量小。所以只能作为低级专用仪器使用。

色散近红外光谱仪

色散近红外光谱仪的分光元件可以是棱镜或光栅。为了获得更高的分辨率，现代色散仪器中常采用全息光栅作为分光元件，单色光根据波长依次通过样品，通过扫描仪器中光栅的旋转进入检测器进行检测。根据样品的状态特征，可以选择不同的样品检测器元件进行投影或反射分析。

这种仪器的优点:

扫描近红外光谱仪可以扫描样品的整个光谱，扫描的重复性和分辨率比过滤式仪器大大提高。一些高端色散近红外光谱仪也可以用作研究级仪器。

近红外化学计量学的应用是现代近红外分析的特点之一。利用全光谱分析，可以从近红外光谱中提取大量有用信息；通过合理的计量方法将光谱数据与训练集样本的性质(成分和特征数据)相关联，然后预测未知样本的性质，可以获得相应的校正模型。

这种仪器的缺点:

光栅或反射镜的机械轴承长期连续使用容易磨损，影响波长的准确度和重现性；由于机械零件多，仪器抗震性能差；光谱易受杂散光干扰；扫描速度慢，扩展性能差。由于使用了外标样品校准仪，其分辨率、信噪比等指标较滤波型仪器有了很大提高，但与傅里叶型仪器相比仍有质的区别。

傅里叶变换近红外光谱仪

傅里叶变换近红外分光光度计简称傅里叶变换光谱仪。它利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和傅里叶积分变换来测量和研究近红外光谱。

其基本构成包括五个部分:

分析光产生系统由光源、分束器、样品等组成，用于产生加载有样品信息的分析光；

以传统的迈克尔逊干涉仪和未来各种改进的干涉仪为代表的干涉仪，具有将光源发出的光分成两束的功能，产生一定的光程差，用来产生在空之间的时域表示的分析光，即干涉光；

检测器，用于检测干涉光；

采样系统通过数模转换器将探测器探测到的干涉光数字化，并引入计算机系统；

计算机系统和显示器分别将样品的干涉光函数和光源的干涉光函数转换成强度-频率分布图，强度-频率分布图的比值为样品的近红外光谱，显示在显示器上。

干涉仪:

在傅里叶变换近红外光谱仪中，干涉仪是仪器的心脏，其质量直接影响仪器的心肌梗塞，因此有必要了解传统迈克尔逊干涉仪和改进干涉仪的工作原理。

传统迈克尔逊干涉仪:传统迈克尔逊干涉仪系统包括两个呈90度角的平面镜、一个光学分束器、一个光源和一个探测器。在平面镜中，固定的镜子是固定的，移动的镜子沿着图中所示的方向平行移动。在移动过程中，移动镜应始终与固定镜保持90度角。为了减少摩擦和防止振动，移动镜通常固定在空空气轴承上移动。

改进型干涉仪:干涉仪是傅里叶光谱仪最重要的组成部分，其性能决定了傅里叶光谱仪的质量。近年来，在经典迈克尔逊干涉仪的基础上，在提高光通量、增加稳定性和抗震能力、简化仪器结构等方面进行了许多改进。

传统的迈克尔逊干涉仪在工作过程中，当动镜运动时，不可避免地会有一定程度的摆动，使两个平面镜不垂直，导致入射光不直接进入动镜，或者反射光偏离原来的入射光方向，从而无法获得与入射光平行的反射光，影响干涉光的质量。外界震动也会有同样的效果。

因此，经典干涉仪需要调整得非常精确，而且在使用过程中还需要避免振动，以保持动镜准确垂直固定，获得良好的谱图。为了提高仪器的抗振能力，Bruker公司研制了一种三维平面角镜干涉仪，该干涉仪采用两个三维平面角镜作为动镜，通过安装在双摆装置质心的无摩擦轴承将两个三维平面角镜连接起来。

三维平面角镜干涉仪的本质是用三维平面角镜代替传统干涉仪两臂上的平面镜。根据立体角镜的光学原理，当反射面之间有微小的垂直度误差，并且立体角镜沿轴向轻微摆动时，反射光的方向不会改变，仍然可以严格地在平行于入射光的方向上发射。

由此可见，使用三维立体角镜可以有效消除运动镜的摆动、外部振动或倾斜引起的额外光程差，从而提高抗振动能力和可重复性。

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