近紅外(NIR)光譜儀是近年來(lái)發(fā)展較為迅速的一種高新分析測(cè)試技術(shù)，是光譜測(cè)量技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、化學(xué)計(jì)量學(xué)技術(shù)與基礎(chǔ)測(cè)量技術(shù)的有機(jī)結(jié)合。與傳統(tǒng)分析技術(shù)相比，近紅外光譜儀具有無(wú)損檢測(cè)、分析效率高、分析速度快、分析成本低、重現(xiàn)性好、樣品測(cè)量一般不需要預(yù)處理、光譜測(cè)量方便、適合于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)(如大批量抽檢)和在線分析等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。

  NIR光譜儀的類(lèi)型較多，主要有濾光片型、發(fā)光二極管(LED)型、光柵色散型、傅里葉變換干涉儀型、聲光可調(diào)濾光片型(AOTF)、多通道檢測(cè)型(二極管陣列PDA、電荷耦合器件CCD)等。光柵色散型儀器又可分為掃描一單通道檢測(cè)器和固定光路一陣列檢測(cè)器兩種類(lèi)型。除了采用單色器分光以外，也有儀器采用多種不同波長(zhǎng)的發(fā)光二極管(LED)作光源，即LED型近紅外光譜儀。

  在近紅外光譜儀器的選型或使用過(guò)程中，考慮儀器的哪些指標(biāo)來(lái)滿足分析的使用要求，這是分析工作者需要考慮的問(wèn)題。對(duì)一臺(tái)近紅外光譜進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，必須要了解儀器的主要性能指標(biāo)，下面就簡(jiǎn)單做一下介紹。

01 儀器的波長(zhǎng)范圍

  對(duì)任何一臺(tái)特定的近紅外光譜儀器，都有其有效的光譜范圍，光譜范圍主要取決于儀器的光路設(shè)計(jì)、檢測(cè)器的類(lèi)型以及光源。近紅外光譜儀器的波長(zhǎng)范圍通常分兩段，700～1100nm的短波近紅外光譜區(qū)域和1100～2500nm的長(zhǎng)波近紅外光譜區(qū)域。

02 光譜的分辨率

  光譜的分辨率主要取決于光譜儀器的分光系統(tǒng)，對(duì)用多通道檢測(cè)器的儀器，還與儀器的像素有關(guān)。分光系統(tǒng)的帶寬越窄，其分辨率越高，對(duì)光柵分光儀器而言，分辨率的大小還與狹縫的設(shè)計(jì)有關(guān)。儀器的分辨率能否滿足要求，要看儀器的分析對(duì)象，即分辨率的大小能否滿足樣品信息的提取要求。有些化合物的結(jié)構(gòu)特征比較接近，要得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果，就對(duì)儀器的分辨率提出較高的要求。

濾光片型儀器

光柵掃描型儀器

陣列檢測(cè)器型儀器

傅里葉變換近紅外光譜儀

03 波長(zhǎng)準(zhǔn)確性

  光譜儀器波長(zhǎng)準(zhǔn)確性是指儀器測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)某一譜峰的波長(zhǎng)與該譜峰的標(biāo)定波長(zhǎng)之差。波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性對(duì)保證近紅外光譜儀器間的模型傳遞非常重要。為了保證儀器間校正模型的有效傳遞，波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性在短波近紅外范圍要求好于0.5nm，長(zhǎng)波近紅外范圍好于1.5nm。

  布魯克利用空氣中無(wú)處不在的水蒸汽，對(duì)儀器X軸進(jìn)行矯正，保證新舊儀器和不同型號(hào)儀器高度一致性，實(shí)現(xiàn)模型的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和共享性。為了保證近紅外儀器光譜軸的準(zhǔn)確度，即波長(zhǎng)的準(zhǔn)確度和精確度。布魯克近紅外設(shè)備在2cm-1分辨下利用自然界中水蒸氣在7306.74cm-1處的吸收峰為標(biāo)準(zhǔn)，由儀器內(nèi)部單一波長(zhǎng)的HeNe激光控制儀器的波長(zhǎng)準(zhǔn)確度，X軸的準(zhǔn)確度是模型穩(wěn)定預(yù)測(cè)和模型轉(zhuǎn)移的基礎(chǔ)。即使更換光學(xué)元件或者整臺(tái)儀器，都不會(huì)對(duì)模型效果產(chǎn)生任何影響，在一臺(tái)儀器上建立的模型可以直接拷貝到其他布魯克儀器上正常使用。實(shí)驗(yàn)室設(shè)備建立的模型也可以傳遞至在線光譜儀作為基礎(chǔ)模型，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的過(guò)渡。

04 波長(zhǎng)重現(xiàn)性

波長(zhǎng)的重現(xiàn)性指對(duì)樣品進(jìn)行多次掃描，譜峰位置間的差異，通常用多次測(cè)量某一譜峰位置所得波長(zhǎng)或波數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示(傅立葉變換的近紅外光譜儀器習(xí)慣用波數(shù)cm-1表示)。波長(zhǎng)重現(xiàn)性是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)校正模型的建立和模型的傳遞均有較大的影響，同樣也會(huì)影響較終分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般儀器波長(zhǎng)的重現(xiàn)性應(yīng)好于0.1nm。

05 吸光度準(zhǔn)確性、重現(xiàn)性、噪音、范圍

  吸光度準(zhǔn)確性是指儀器對(duì)某標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行透射或漫反射測(cè)量，測(cè)量的吸光度值與該物質(zhì)標(biāo)定值之差。對(duì)那些直接用吸光度值進(jìn)行定量的近紅外方法，吸光度的準(zhǔn)確性直接影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

  吸光度重現(xiàn)性指在同一背景下對(duì)同一樣品進(jìn)行多次掃描，各掃描點(diǎn)下不同次測(cè)量吸光度之間的差異。通常用多次測(cè)量某一譜峰位置所得吸光度的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。吸光度重現(xiàn)性對(duì)近紅外檢測(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的指標(biāo)，它直接影響模型建立的效果和測(cè)量的準(zhǔn)確性。一般吸光度重現(xiàn)性應(yīng)在0.001～0.0004A之間。

  吸光度噪音也稱(chēng)光譜的穩(wěn)定性，是指在確定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行多次掃描，得到光譜的均方差。吸光度噪音是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。將樣品信號(hào)強(qiáng)度與吸光度噪音相比可計(jì)算出信噪比。

  吸光度范圍也稱(chēng)光譜儀的動(dòng)態(tài)范圍，是指儀器測(cè)定可用的較高吸光度與低能檢測(cè)到的吸光度之比。吸光度范圍越大，可用于檢測(cè)樣品的線性范圍也越大。

06 基線穩(wěn)定性

基線穩(wěn)定性是指儀器相對(duì)于參比掃描所得基線的平整性，平整性可用基線漂移的大小來(lái)衡量?；€的穩(wěn)定性對(duì)我們獲得穩(wěn)定的光譜有直接的影響。

07 雜散光

雜散光S與吸光度相對(duì)誤差ΔA/ A0 和吸光度真值A(chǔ)0的關(guān)系

雜散光定義為除要求的分析光外其它到達(dá)樣品和檢測(cè)器的光量總和，是導(dǎo)致儀器測(cè)量出現(xiàn)非線性的主要原因，特別對(duì)光柵型儀器的設(shè)計(jì)，雜散光的控制非常重要。雜散光對(duì)儀器的噪音、基線及光譜的穩(wěn)定性均有影響。一般要求雜散光小于透過(guò)率的0.1%。

08 掃描速度

  掃描速度是指在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)完成1次掃描所需要的時(shí)間。不同設(shè)計(jì)方式的儀器完成1次掃描所需的時(shí)間有很大的差別。例如，電感器件多通道近紅外光譜儀器完成1次掃描只需20ms，速度很快;一般傅立葉變換儀器的掃描速度在1次/s左右;而傳統(tǒng)的光柵掃描型儀器的掃描速度相對(duì)較慢。

09 數(shù)據(jù)采樣間隔

  采樣間隔是指連續(xù)記錄的兩個(gè)光譜信號(hào)間的波長(zhǎng)差。很顯然，間隔越小，樣品信息越豐富，但光譜存儲(chǔ)空間也越大;間隔過(guò)大則可能丟失樣品信息，比較合適的數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)小于儀器的分辨率。

10 測(cè)樣方式

測(cè)樣方式在此指儀器可提供的樣品光譜采集形式。有些儀器能提供透射、漫反射、光纖測(cè)量等多種光譜采集形式。

11 軟件功能

  軟件是現(xiàn)代近紅外光譜儀器的重要組成部分。軟件一般由光譜采集軟件和光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)處理軟件兩部分構(gòu)成。前者不同廠家的儀器沒(méi)有很大的區(qū)別，而后者在軟件功能設(shè)計(jì)和內(nèi)容上則差別很大。光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)處理軟件一般由譜圖的預(yù)處理、定性或定量校正模型的建立和未知樣品的預(yù)測(cè)三大部分組成，軟件功能的評(píng)價(jià)要看軟件的內(nèi)容能否滿足實(shí)際工作的需要。

總而言之

  什么樣的近紅外光譜儀器較好?如何選擇一臺(tái)合適的近紅外光譜儀器?實(shí)際上，“較好”儀器的定義是很難確定的，“較好”的儀器也是不存在的。因?yàn)閷?duì)某一特定的儀器所提出的各項(xiàng)要求是隨著所需要解決的具體問(wèn)題的不同而有所差異的。從簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)到復(fù)雜結(jié)構(gòu)、從低價(jià)格到高價(jià)格的近紅外光譜儀在市場(chǎng)上都能見(jiàn)到，就是因?yàn)獒槍?duì)不同的用途，它們分別有各自的用武之地。因此，在選擇光譜儀器時(shí)一定要結(jié)合自己分析任務(wù)的需要來(lái)考慮選型，要有針對(duì)性地考察儀器的適用情況，另外還要想到儀器的可維護(hù)性，不要一味地追求高的測(cè)量精度，也不要認(rèn)為價(jià)格高的就是適合自己的。再一個(gè)，就是要考慮和近紅外光譜儀器工作配套的軟件，它包括采譜軟件和化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件。采購(gòu)者應(yīng)考慮這些軟件的功能和操作的難易程度。

  近紅外光譜儀器生產(chǎn)廠家能否為用戶提供及時(shí)、周到的技術(shù)支撐服務(wù)體系。這個(gè)服務(wù)體系包括儀器硬件的質(zhì)量維護(hù)、耗損器件更換和應(yīng)用模型的建立與維護(hù)，另外，還包括對(duì)操作者的培訓(xùn)。特別是模型的建立與維護(hù)，有些儀器廠商給用戶提供基礎(chǔ)模型，再用用戶的樣品加以擴(kuò)充。有些儀器廠商不給用戶提供基礎(chǔ)模型，但是他們可以負(fù)責(zé)為用戶建立新的模型。不管是哪種方式，總之一定要考慮模型建立的質(zhì)量以及建立或擴(kuò)充模型所需的費(fèi)用，以及廠商是否把建立和維護(hù)模型的技術(shù)教授給用戶的實(shí)際操作者。這是用戶能否把近外光譜分析技術(shù)很好地使用起來(lái)的關(guān)鍵。