近紅外光譜分析原理.doc

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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，按ASTM（美國試驗和材料檢測協(xié)會）定義是指波長在780～2526nm范圍內(nèi)的電磁波，習(xí)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。 　　近紅外光譜屬于分子振動光譜的倍頻和主頻吸收光譜，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，具有較強的穿透能力。近紅外光主要是對含氫基團(tuán)Ｘ－Ｈ（Ｘ＝Ｃ、Ｎ、Ｏ）振動的倍頻和合頻吸收，其中包含了大多數(shù)類型有機化合物的組成和分子結(jié)構(gòu)的信息。由于不同的有機物含有不同的基團(tuán)，不同的基團(tuán)有不同的能級，不同的基團(tuán)和同一基團(tuán)在不同物理化學(xué)環(huán)境中對近紅外光的吸收波長都有明顯差別，且吸收系數(shù)小，發(fā)熱少，因此近紅外光譜可作為獲取信息的一種有效的載體。近紅外光照射時，頻率相同的光線和基團(tuán)將發(fā)生共振現(xiàn)象，光的能量通過分子偶極矩的變化傳遞給分子；而近紅外光的頻率和樣品的振動頻率不相同，該頻率的紅外光就不會被吸收。因此，選用連續(xù)改變頻率的近紅外光照射某樣品時， 由于試樣對不同頻率近紅外光的選擇性吸收，通過試樣后的近紅外光線在某些波長范圍內(nèi)會變?nèi)?，透射出來的紅外光線就攜帶有機物組分和結(jié)構(gòu)的信息。通過檢測器分析透射或反射光線的光密度， 就可以確定該組分的含量。 　　近紅外光譜分析技術(shù)包括定性分析和定量分析，定性分析的目的是確定物質(zhì)的組成與結(jié)構(gòu)，而定量分析則是為了確定物質(zhì)中某些組分的含量或是物質(zhì)的品質(zhì)屬性的值。與常用的化學(xué)分析方法不同，近紅外光譜分析法是一種間接分析技術(shù)，是用統(tǒng)計的方法在樣品待測屬性值與近紅外光譜數(shù)據(jù)之間建立一個關(guān)聯(lián)模型(或稱校正模型，Calibration Model)。因此在對未知樣品進(jìn)行分析之前需要搜集一批用于建立關(guān)聯(lián)模型的訓(xùn)練樣品(或稱校正樣品，Calibration Samples)，獲得用近紅外光譜儀器測得的樣品光譜數(shù)據(jù)和用化學(xué)分析方法(或稱參考方法，Reference method)測得的真實數(shù)據(jù)。 　　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(yīng)關(guān)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(yīng)關(guān)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(yù)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(guān)標(biāo)準(zhǔn)分析方法進(jìn)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(xué)計量學(xué)對光譜進(jìn)行處理，并將其與參考數(shù)據(jù)關(guān)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(yīng)映射關(guān)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(xué)計量學(xué)處理得到的模型應(yīng)具有較強的代表性。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(guān)系不同而異，常用的有多元線性回歸，主成分回歸，偏最小二乘，人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和拓?fù)浞椒ǖ?。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(guān)，與待測的性質(zhì)數(shù)據(jù)有關(guān)，還與測量所要求達(dá)到的分析精度范圍有關(guān)。實際應(yīng)用中，建立模型都是通過化學(xué)計量學(xué)軟件實現(xiàn)的，并且有嚴(yán)格的規(guī)范（如ASTM-6500標(biāo)準(zhǔn)）。 　　（2）在預(yù)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(jìn)行檢索，選擇正確模型計算待測質(zhì)量參數(shù)。 　　NIR 定量分析的過程 　　近紅外定標(biāo)及樣品分析的流程如下: 　　收集/ 制備定標(biāo)樣品——→化學(xué)方法測定某成分含量 　　↓ 　　用近外儀采集樣品的光學(xué)數(shù)據(jù) 　　↓ 　　光譜數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)轉(zhuǎn)換(一階或二階導(dǎo)數(shù)) 　　↓←——————————————將化學(xué)方法測得數(shù)據(jù)輸入 　　回歸計算　收集制備待測樣品 　　↓　↓　 　　建立定標(biāo)方程　近紅外儀掃描待測樣品　 　　↓　←—————————┘　 　　成分含量計算 　　↓ 　　最終結(jié)果　 　　從上述流程圖可以看出,近紅外光譜分析技術(shù),其實就是一種間接的相對分析,通過收集大量具有代表性的標(biāo)準(zhǔn)樣本,通過嚴(yán)格細(xì)致的化學(xué)分析測出必要的數(shù)據(jù),再通過計算機建立數(shù)學(xué)模型,即定標(biāo),以最大限度反應(yīng)被測樣本群體常態(tài)分布規(guī)律,然后再通過該數(shù)學(xué)模型或定標(biāo)方程,預(yù)測未知樣品的所需數(shù)據(jù)。