近红外光谱原理 PPT资料共88页
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Factor Analysis breaks apart the spectral data into the most common spectral variations (factors, loadings, principal components) and the corresponding scaling coefficients (scores)
降低，灵敏度下降。
Cube-Corner Interferometer
Plane Mirrors in a classical Michelson Interferometer
Cube-Corner Mirrors in a ROCKSOLID-Interferometer
Cube-Corner mirrors
1. 分辨率较低。 2. 一致性比光栅扫描型更难保证。 3. 受杂散光影响。
MEMS Micro electro mechanical systems 微电子机械系统
Sample
Source
Detector
Grating
Mems Chip
AOTF acousto optical tunable filter 声光可调滤光器
5000
4000
About how many data points are we talking about?
Start WL (nm or cm-1) End WL (nm or cm-1) Optical resolution (Unmsefourl cdmat-a1p)oints
1100
2500
p
d
p
得分
光谱矩阵
载荷
=
d
n
n
data matrix: scores: loadings:
n spectra of p data points d scores for each spectrum (d < n) d loadings of p data points (d < n)
西红柿鸡蛋 VS 主成分
样品
检测器
漫反射式
Near-IR Reflectance (NIR)
光源
单色器或干涉仪
检测器
透漫射式
Near-IR Trans-Reflectance (NITR)
光源
单色器或干涉仪 样品
样品 检测器 检测器
近红外的分光方法
色散型
NIR 分光方式
傅立叶变换
滤光片
光栅
AOTF
偏振干涉 反射镜干涉
阵列检测器
100
90
80
70
Resolution (cm-1)
60 50
40
30
20
10
0 1000
1200
1400
1600
1800
Wavelength (nm)
2000
2200
2400
Principle Component Analysis (PCA)
Matrices and vectors
Factor Analysis of spectra
光栅扫描型
狭缝 光源
检测器
光栅
狭缝 样品
光栅扫描型
狭缝 光源
检测器
光栅
狭缝 样品
光栅扫描型
狭缝 光源
检测器
光栅
狭缝 样品
光栅型仪器的优缺点
优点：
1. 结构不复杂，容易制造。 2. 连续光谱仪，可以作为研究级仪器。
缺点：
1. 使用单色器，狭缝的限制使其分辨率和灵敏度不够高。 2. 波长准确度使用外部校准，加之分辨率低，波长准确度差（最好为
1×西红柿 3×鸡蛋 3×水 0.2×葱
2×西红柿 2×鸡蛋 0.1×水 0.5×葱
2×西红柿 1×鸡蛋 2.5×水 0.1×葱
Factor Analysis
5 spectra
scores
1 Factor 1 5.216
1
Factor 2 -0.216
Factor 3 1.73E-02
Factor 4 -1.52E-02
朗伯比尔定律
Light-Source
I0
Sample
I
Detector
d
I Transmission T = —
I0
Absorption = A = log —1 = ·c ·d
T
I0 = intensity of reference beam I = intensity of sample beam d = sample thickness c = concentration = molar absorption coefficient
E = Et + Ev + Er + Ee
分子能量 平动 振动 转动 电子运动
辐射光的能量与振动跃迁能量相同时，辐射光被物质 分子吸收。 能量接近Ev近红外光能量引起分子振动能级的变化， 又称振动光谱。
近红外光谱产生原理
△E=hυ， h：为普朗克常数
Energy Energy levels
E3
E2
Source TeO2 Crystal
Sample
monochrom. Light (extraordinary Beam)
Detectors
non-scattered Light
RF-Input
Reference
monochrom. Light (ordinary Beam)
Detector signal
Factor 5 3.17E-02
2 Factor 1 5.95
Factor 2 -0.103 2
Factor 3 4.97E-04
Factor 4 4.33E-02
Factor 5 5.65E-03
3 Factor 1 7.731 Factor 2 -0.699
3
Factor 3 3.67E-04
..........
3. n个波长点
C = B0 + B1 * A1 + B2 * A2 + ..... + Bn* An n+1 dimensions !!!
How to find the bands you need?
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
9000
8000
7000
6000
Wavenumber cm-1
近红外光与物质的相互作用
吸收 全反射 absorption specula
reflectance
透射 transmittance
漫(反)射 Diffuse
散射 scattering
reflectance
近红外的采样方法
透射式
Near-IR Transmittance (NIT)
光源
单色器或干涉仪
迈克尔逊干涉仪 Mems
立体角镜
滤光片型
光源
滤光片
样品
检测器
滤光片型仪器的优缺点
优点：
1. 制造成本低，推广面大； 2. 体积小，可以便携。
缺点：
1. 滤光片的带宽较宽（一般10nm）。 2. 滤光片透光的光谱中心点难以保证。 3. 同一波长滤光片的带宽和透过率难以保证一致。 4. 信息量少，只能作为专用仪器。 5. 得到的不是连续光谱，不能对光谱进行预处理（如平滑、求导等）。
Spectrum
consisting of 9 single frequencies
Frequency
傅立叶变换型的优缺点
优点：
1. 光通量大，灵敏度高，高信噪比。
2. 高分辨率。 3. 高测量精度。
狭缝
光阑
4. 测量速度快。
5. 。。。
缺点：
1. 平面反射镜，如果在快速扫描过程中发生晃动和偏转，造成干涉信号
Absorbance
Calibration
4
3
2 1
Wavelength
Analysis
4 3
2 1
Concentration
近红外光谱的重叠
两种物质重叠
The Calibration Models
多元线性回归
2. 两个波长点
C = B0 + B1 * A1 + B2 * A2
three dimensions !!!
L + x x=0
Beamsplitter
Detector
Michelson interferometer
Detector signal
Spectrum
Frequency Monochromatic source
Movable mirror M2
x
Fixed mirror M1
L
Source
L + x x=0
Beamsplitter
Detector
Michelson interferometer
Origin of the interferogram
Nine wavelengths
Optical retardation
Resulting detector signal:
Optical retardation
E1
O
H
E0 = 基态
主要是含氢基团的信息
二倍频 一倍频
基频
Inter-nuclear distance
几种振动方式
物质在近红外 谱区的吸收主要 包括以下基团基 频振动的合频和 倍频振动吸收 C-H, N-H, O-H, S-H, C=O, C=C
近红外吸收光谱特征
物质在近红外谱区的吸收重叠严重. 近红外的合频振动的吸收系数比中红外基频振动吸收弱 1-5
+/-0.2nm）。 3. 使用单色器对光路要求严格，仪器扩展能力受到很大的限制。 4. 自然界的杂散光会影响测试结果。 5. 由于分光需光栅转动，扫描速度慢。
阵列检测器
光源
样品
狭缝
光栅
阵列检测器
阵列检测器型的优缺点
优点：
1. 无移动光学部件，易实现小型化。 2. 扫描速度快，适合现场分析。
缺点：
4 Absorbance
3
X
2
Absorbance
4
Analysis
3
X
2
1
1
Wavelength
Concentration
The Calibration Models
1. 一个波长点 a = b + mx
C = B0 + B1 * A1
C = Concentration B0= Bias (intercept, offset) B1 = Regression Coefficent at wavelength 1 A1 = Absorbance at wavelength 1
核磁 振动
微波
Radio, TV 无 线电波
原子核 转变
内层 电子 的跃 迁
外层电子的跃迁
分子振动
分子转动
电磁转动
Interaction
波长度量单位：纳米nm与波数cm-1
800nm
1cm （12500cm-1）
1cm=107nm
...
nm = 107/cm-1 cm-1 = 107/ nm
振动吸收光谱的理论
10
140
9090
4000
16
318
9090
4000
32
159
9090
4000
8
636
9090
4000
4
1273
9090
4000
2
2545
About how many data points are we talking about?
Optical resolution Dispersive system in cm-1
个数量级.
Absorbanc e
Water Spectrum
5
4
3
2
MIR
NIR
1
0 9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
Wavenumber cm-1
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
水分、脂肪、蛋白吸收谱带
高水分区段 High water content
高脂肪区 High fat content 高蛋白区 High protein content
Movable mirror M2
x
Fixed mirror M1
L
Source
L + x x=0
Beamsplitter
Detector
Michelson interferometer
Detector signal
Movable mirror M2
x
Fixed mirror M1
L
Βιβλιοθήκη Baidu
Source
The ROCKSOLIDTM philosophy is to eliminate possible sources of measurement errors rather than to try to correct for them after the measurement.
第二部分 近红外光谱与化学计量学
透过率、吸光度与浓度的关系
Transmission (Reflectance)
I I0
Absorbance
Log I0 I
not linear
Concentration C
linear
Concentration C
The Calibration Models
线性回归
Quantitative Analysis; Regression
近红外光谱原理及应用
主要内容
近红外光谱原理 近红外光谱与化学计量学 近红外模型的评价
第一部分 近红外光谱原理
什么是近红外光
12,800 cm-1 (780 nm)
3,960 cm -1 (2,526 nm)
Region
-射线
X–射 线
紫外
可
近 红 外
中红 外
见
远红外
红外
电子自旋振 动
降低，灵敏度下降。
Cube-Corner Interferometer
Plane Mirrors in a classical Michelson Interferometer
Cube-Corner Mirrors in a ROCKSOLID-Interferometer
Cube-Corner mirrors
1. 分辨率较低。 2. 一致性比光栅扫描型更难保证。 3. 受杂散光影响。
MEMS Micro electro mechanical systems 微电子机械系统
Sample
Source
Detector
Grating
Mems Chip
AOTF acousto optical tunable filter 声光可调滤光器
5000
4000
About how many data points are we talking about?
Start WL (nm or cm-1) End WL (nm or cm-1) Optical resolution (Unmsefourl cdmat-a1p)oints
1100
2500
p
d
p
得分
光谱矩阵
载荷
=
d
n
n
data matrix: scores: loadings:
n spectra of p data points d scores for each spectrum (d < n) d loadings of p data points (d < n)
西红柿鸡蛋 VS 主成分
样品
检测器
漫反射式
Near-IR Reflectance (NIR)
光源
单色器或干涉仪
检测器
透漫射式
Near-IR Trans-Reflectance (NITR)
光源
单色器或干涉仪 样品
样品 检测器 检测器
近红外的分光方法
色散型
NIR 分光方式
傅立叶变换
滤光片
光栅
AOTF
偏振干涉 反射镜干涉
阵列检测器
100
90
80
70
Resolution (cm-1)
60 50
40
30
20
10
0 1000
1200
1400
1600
1800
Wavelength (nm)
2000
2200
2400
Principle Component Analysis (PCA)
Matrices and vectors
Factor Analysis of spectra
光栅扫描型
狭缝 光源
检测器
光栅
狭缝 样品
光栅扫描型
狭缝 光源
检测器
光栅
狭缝 样品
光栅扫描型
狭缝 光源
检测器
光栅
狭缝 样品
光栅型仪器的优缺点
优点：
1. 结构不复杂，容易制造。 2. 连续光谱仪，可以作为研究级仪器。
缺点：
1. 使用单色器，狭缝的限制使其分辨率和灵敏度不够高。 2. 波长准确度使用外部校准，加之分辨率低，波长准确度差（最好为
1×西红柿 3×鸡蛋 3×水 0.2×葱
2×西红柿 2×鸡蛋 0.1×水 0.5×葱
2×西红柿 1×鸡蛋 2.5×水 0.1×葱
Factor Analysis
5 spectra
scores
1 Factor 1 5.216
1
Factor 2 -0.216
Factor 3 1.73E-02
Factor 4 -1.52E-02
朗伯比尔定律
Light-Source
I0
Sample
I
Detector
d
I Transmission T = —
I0
Absorption = A = log —1 = ·c ·d
T
I0 = intensity of reference beam I = intensity of sample beam d = sample thickness c = concentration = molar absorption coefficient
E = Et + Ev + Er + Ee
分子能量 平动 振动 转动 电子运动
辐射光的能量与振动跃迁能量相同时，辐射光被物质 分子吸收。 能量接近Ev近红外光能量引起分子振动能级的变化， 又称振动光谱。
近红外光谱产生原理
△E=hυ， h：为普朗克常数
Energy Energy levels
E3
E2
Source TeO2 Crystal
Sample
monochrom. Light (extraordinary Beam)
Detectors
non-scattered Light
RF-Input
Reference
monochrom. Light (ordinary Beam)
Detector signal
Factor 5 3.17E-02
2 Factor 1 5.95
Factor 2 -0.103 2
Factor 3 4.97E-04
Factor 4 4.33E-02
Factor 5 5.65E-03
3 Factor 1 7.731 Factor 2 -0.699
3
Factor 3 3.67E-04
..........
3. n个波长点
C = B0 + B1 * A1 + B2 * A2 + ..... + Bn* An n+1 dimensions !!!
How to find the bands you need?
1.2
1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
9000
8000
7000
6000
Wavenumber cm-1
近红外光与物质的相互作用
吸收 全反射 absorption specula
reflectance
透射 transmittance
漫(反)射 Diffuse
散射 scattering
reflectance
近红外的采样方法
透射式
Near-IR Transmittance (NIT)
光源
单色器或干涉仪
迈克尔逊干涉仪 Mems
立体角镜
滤光片型
光源
滤光片
样品
检测器
滤光片型仪器的优缺点
优点：
1. 制造成本低，推广面大； 2. 体积小，可以便携。
缺点：
1. 滤光片的带宽较宽（一般10nm）。 2. 滤光片透光的光谱中心点难以保证。 3. 同一波长滤光片的带宽和透过率难以保证一致。 4. 信息量少，只能作为专用仪器。 5. 得到的不是连续光谱，不能对光谱进行预处理（如平滑、求导等）。
Spectrum
consisting of 9 single frequencies
Frequency
傅立叶变换型的优缺点
优点：
1. 光通量大，灵敏度高，高信噪比。
2. 高分辨率。 3. 高测量精度。
狭缝
光阑
4. 测量速度快。
5. 。。。
缺点：
1. 平面反射镜，如果在快速扫描过程中发生晃动和偏转，造成干涉信号
Absorbance
Calibration
4
3
2 1
Wavelength
Analysis
4 3
2 1
Concentration
近红外光谱的重叠
两种物质重叠
The Calibration Models
多元线性回归
2. 两个波长点
C = B0 + B1 * A1 + B2 * A2
three dimensions !!!
L + x x=0
Beamsplitter
Detector
Michelson interferometer
Detector signal
Spectrum
Frequency Monochromatic source
Movable mirror M2
x
Fixed mirror M1
L
Source
L + x x=0
Beamsplitter
Detector
Michelson interferometer
Origin of the interferogram
Nine wavelengths
Optical retardation
Resulting detector signal:
Optical retardation
E1
O
H
E0 = 基态
主要是含氢基团的信息
二倍频 一倍频
基频
Inter-nuclear distance
几种振动方式
物质在近红外 谱区的吸收主要 包括以下基团基 频振动的合频和 倍频振动吸收 C-H, N-H, O-H, S-H, C=O, C=C
近红外吸收光谱特征
物质在近红外谱区的吸收重叠严重. 近红外的合频振动的吸收系数比中红外基频振动吸收弱 1-5
+/-0.2nm）。 3. 使用单色器对光路要求严格，仪器扩展能力受到很大的限制。 4. 自然界的杂散光会影响测试结果。 5. 由于分光需光栅转动，扫描速度慢。
阵列检测器
光源
样品
狭缝
光栅
阵列检测器
阵列检测器型的优缺点
优点：
1. 无移动光学部件，易实现小型化。 2. 扫描速度快，适合现场分析。
缺点：
4 Absorbance
3
X
2
Absorbance
4
Analysis
3
X
2
1
1
Wavelength
Concentration
The Calibration Models
1. 一个波长点 a = b + mx
C = B0 + B1 * A1
C = Concentration B0= Bias (intercept, offset) B1 = Regression Coefficent at wavelength 1 A1 = Absorbance at wavelength 1
核磁 振动
微波
Radio, TV 无 线电波
原子核 转变
内层 电子 的跃 迁
外层电子的跃迁
分子振动
分子转动
电磁转动
Interaction
波长度量单位：纳米nm与波数cm-1
800nm
1cm （12500cm-1）
1cm=107nm
...
nm = 107/cm-1 cm-1 = 107/ nm
振动吸收光谱的理论
10
140
9090
4000
16
318
9090
4000
32
159
9090
4000
8
636
9090
4000
4
1273
9090
4000
2
2545
About how many data points are we talking about?
Optical resolution Dispersive system in cm-1
个数量级.
Absorbanc e
Water Spectrum
5
4
3
2
MIR
NIR
1
0 9000
8000
7000
6000
5000
4000
3000
2000
Wavenumber cm-1
不同化合物基团在近红外区的吸收谱带
水分、脂肪、蛋白吸收谱带
高水分区段 High water content
高脂肪区 High fat content 高蛋白区 High protein content
Movable mirror M2
x
Fixed mirror M1
L
Source
L + x x=0
Beamsplitter
Detector
Michelson interferometer
Detector signal
Movable mirror M2
x
Fixed mirror M1
L
Βιβλιοθήκη Baidu
Source
The ROCKSOLIDTM philosophy is to eliminate possible sources of measurement errors rather than to try to correct for them after the measurement.
第二部分 近红外光谱与化学计量学
透过率、吸光度与浓度的关系
Transmission (Reflectance)
I I0
Absorbance
Log I0 I
not linear
Concentration C
linear
Concentration C
The Calibration Models
线性回归
Quantitative Analysis; Regression
近红外光谱原理及应用
主要内容
近红外光谱原理 近红外光谱与化学计量学 近红外模型的评价
第一部分 近红外光谱原理
什么是近红外光
12,800 cm-1 (780 nm)
3,960 cm -1 (2,526 nm)
Region
-射线
X–射 线
紫外
可
近 红 外
中红 外
见
远红外
红外
电子自旋振 动