如何选择近红外光谱仪

如何选择近红外光谱仪

初从事近红外光谱分析的人员常常会提出这样的问题：什么样的近红外光谱仪器最好？如何选择一台合适的近红外光谱仪器？实际上，“最好”仪器的定义是很难确定的，“最好”的仪器也是不存在的。因为对某一特定的仪器所提出的各项要求是随着所需要解决的具体问题的不同而有所差异的。为了帮助使用者根据特定的需要选择合适的仪器，本文将根据不同类型、不同设计方式近红外光谱仪器的特点向选用者作简要介绍，以供参考。

为了使近红外光谱获得可靠的分析结果，近红外光谱仪器必须按照详细的技术规格设计生产。以下表1[1]反应的就是现在近红外光谱仪器的规范。当然也是使用者选择仪器时的主要依据。

表1 对现代近红外光谱仪器的要求

近红外光谱仪器不管按何种方式设计，一般由光源、分光系统、测样器件、检测器、数据处理系统和记录仪（或打印机）等6部分构成。

近红外光谱仪的分类方式比较多，但市场上分类主要还是按照仪器的分光器件不同来分，一般可分为4种主要类型：滤光片型、光栅色散型、傅立叶变换型和声光调制滤

光器型。其中光栅色散型又有光栅扫描单通道和非扫描固定光路多通道检测之分。

滤光片型近红外光谱仪器可分为固定滤光片和可调滤光片两种形式。固定滤光片型光谱仪是近红外光谱仪器的最早设计形式，这种仪器首先要根据测定样品的光谱特征选择适当波长的滤光片。该类型仪器的特点是设计简单、成本低、光通量大、信号记录快、坚固耐用；但这类仪器只能在单一波长下测定，灵活性较差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差。可调滤光片型光谱仪采用滤光轮，可以根据需要比较方便地在一个或几个波长下进行测定。这种仪器一般作专用分析，如粮食水分测定仪。由于滤光片数量有限，很难分析复杂体系的样品。

扫描型仪器通过光栅的转动，使单色光按波长高低依次通过测样器件，与样品作用后，进入检测器检测。与滤光片型的近红外光谱仪器相比，色散型近红外光谱仪器具有可实现全谱扫描、分辨率较高、仪器价位适中和便于维护等优点，其最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴承长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，抗震性较差，一般不适合作为过程分析仪器使用。

傅立叶变换光谱技术是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱的技术。与传统的色散型光谱仪相比，傅立叶变换光谱仪能同时测量、记录所有波长的信号，并以更高的效率采集来自光源的辐射能量，具有更高的波长精度、分辨率和信噪比。但由于干涉仪中动镜的存在，仪器的在线长久可靠性受到一定的限制，另外对仪器的使用和放置环境也有较高的要求。

声光可调滤光器（Acousto-optic Tunable Filter，缩写为AOTF）是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件。用AOTF作为分光系统，被认为是90年代近红外光谱仪器最突出的进展。与传统的单色器相比，采用声光调制产生单色光，即通过超声射频的变化实现光谱扫描。光学系统无移动部件，波长切换快、重现性好，程序化的

波长控制使这类仪器的应用具有更大的灵活性。声光可调滤光器近红外光谱仪器的这些优点使其近年来在工业在线中得到越来越多的应用。但目前这类仪器的分辨率相对较低，价格也较高。

非扫描固定光路多通道近红外光谱仪器是因为仪器的检测器采用多通道光敏器件而得名。这类仪器的色散系统一般采用平面光栅或全息光栅，与光栅扫描型相比，光栅不需要转动即可实现确定波长范围的扫描。多通道检测器的类型主要有两种：二极管阵列（Photodiode Array，缩写为PDA）和电荷耦合器件（Charger Coupled Device，缩写为CCD）。该类型仪器测量的波长范围取决于检测器光敏元件的材料，如硅基光敏元件的响应范围在短波近红外区域。这类仪器的最大特点是仪器内部无可移动部件，仪器的稳定性和抗干扰性能好；另外一个特点是扫描速度快，一般单张光谱的扫描速度只有几十毫秒。这两个特点的结合，使该类仪器特别适合作为现场或在线分析仪器使用。多通道型仪器的分辨率取决于光栅性能、检测器的像素以及狭缝的尺寸。在确定的波长范围内，检测器的像素越高，所检测到的样品信息越丰富，但一般像素越高的检测器价格也越高。

为了能直观地对几种不同类型的近红外光谱仪器的特点和性能进行了解，以下表2作出了简要的总结。

表2 各种类型近红外光谱分析仪器特点与性能比较