近紅外光譜類型及優缺點

　　近紅外光譜儀種類繁多，根據不用的角度有多種分類方法。從應用的角度分類，可以分為在線過程監測儀器、專用儀器和通用儀器。從儀器獲得的光譜信息來看，有只測定幾個波長的專用儀器，也有可以測定整個近紅外譜區的研究型儀器；有的專用于測定短波段的近紅外光譜，也有的適用于測定長波段的近紅外光譜。較為常用的分類模式是依據儀器的分光形式進行的分類，可分為濾光片型、色散型(光柵、棱鏡)、傅里葉變換型等類型。下面分別加以敘述。

　　一、濾光片型近紅外光譜儀器：

　　濾光片型近紅外光譜儀器以濾光片作為分光系統，即采用濾光片作為單色光器件。濾光片型近紅外光譜儀器可分為固定式濾光片和可調式濾光片兩種形式，其中固定濾光片型的儀器時近紅外光譜儀最早的設計形式。儀器工作時，由光源發出的光通過濾光片后得到一寬帶的單色光，與樣品作用后到達檢測器。

　　該類型儀器優點是：儀器的體積小，可以作為專用的便攜儀器；制造成本低，適于大面積推廣。

　　該類型儀器缺點是：單色光的譜帶較寬，波長分辨率差；對溫濕度較為敏感；得不到連續光譜；不能對譜圖進行預處理，得到的信息量少。故只能作為較低檔的專用儀器。

　　二、色散型近紅外光譜儀器：

　　色散型近紅外光譜儀器的分光元件可以是棱鏡或光柵。為獲得較高分辨率，現代色散型儀器中多采用全息光柵作為分光元件，掃描型儀器通過光柵的轉動，使單色光按照波長的高低依次通過樣品，進入檢測器檢測。根據樣品的物態特性，可以選擇不同的測樣器件進行投射或反射分析。

　　該類型儀器的優點：是使用掃描型近紅外光譜儀可對樣品進行全譜掃描，掃描的重復性和分辨率叫濾光片型儀器有很大程度的提高，個別高端的色散型近紅外光譜儀還可以作為研究級的儀器使用。化學計量學在近紅外中的應用時現代近紅外分析的特征之一。采用全譜分析，可以從近紅外譜圖中提取大量的有用信息；通過合理的計量學方法將光譜數據與訓練集樣品的性質（組成、特性數據）相關聯可得到相應的校正模型；進而預測未知樣品的性質。

　　該類型儀器的缺點：是光柵或反光鏡的機械軸承長時間連續使用容易磨損，影響波長的精度和重現性；由于機械部件較多，儀器的抗震性能較差；圖譜容易受到雜散光的干擾；掃描速度較慢，擴展性能差。由于使用外部標準樣品校正儀器，其分辨率、信噪比等指標雖然比濾光片型儀器有了很大的提高，但與傅里葉型儀器相比仍有質的區別。

　　三、傅里葉變換型近紅外光譜儀器：

　　傅里葉變換近紅外分光光度計簡稱為傅里葉變換光譜儀，它利用干涉圖與光譜圖之間的對應關系，通過測量干涉圖并對干涉圖進行傅里葉積分變換的方法來測定和研究近紅外光譜。其基本組成包括五部分：①分析光發生系統，由光源、分束器、樣品等組成，用以產生負載了樣品信息的分析光；②以傳統的麥克爾遜干涉儀為代表的干涉儀，以及以后的各類改進型干涉儀，其作用是使光源發出的光分為兩束后，造成一定的光程差，用以產生空間（時間）域中表達的分析光，即干涉光；③檢測器，用以檢測干涉光；④采樣系統，通過數模轉換器把檢測器檢測到的干涉光數字化，并導入計算機系統；⑤計算機系統和顯示器，將樣品干涉光函數和光源干涉光函數分別經傅里葉變換為強度俺頻率分布圖，二者的比值即樣品的近紅外圖譜，并在顯示器中顯示。

　　在傅里葉變換近紅外光譜儀器中，干涉儀是儀器的心臟，它的好壞直接影響到儀器的心梗，因此有必要了解傳統的麥克爾遜干涉儀以及改進后的干涉儀的工作原理。

　　⑴傳統的麥克爾遜（Michelson）干涉儀：傳統的麥克爾遜干涉儀系統包括兩個互成90度角的平面鏡、光學分束器、光源和檢測器。平面鏡中一個固定不動的為定鏡，一個沿圖示方向平行移動的為動鏡。動鏡在運動過程中應時刻與定鏡保持90度角。為了減小摩擦，防止振動，通常把動鏡固定在空氣軸承上移動。光學分束器具有半透明性質，放于動鏡和定鏡之間并和它們成45度角，使入射的單色光50%透過，50%反射，使得從光源射出的一束光在分束器被分成兩束：反射光A和透射光B。A光束垂直射到定鏡上；在那兒被反射，沿原光路返回分束器；其中一半透過分束器射向檢測器，而另一半則被反射回光源。B光束以相同的方式穿過分束器射到動鏡上；在那兒同樣被反射，沿原光路返回分束器；再被分束器反射，與A光束一樣射向檢測器，而以另一半則透過分束器返回原光路。A、B兩束光在此會合，形成為具有干涉光特性的相干光；當動鏡移動到不同位置時，即能得到不同光程差的干涉光強。

　　⑵改進的干涉儀：干涉儀是傅里葉光譜儀最重要的部件，它的性能好壞決定了傅里葉光譜儀的質量，在經典的麥克爾遜干涉儀的基礎上，近年來在提高光通量、增加穩定性和抗震性、簡化儀器結構等方面有不少改進。

　　傳統的麥克爾遜干涉儀工作過程中，當動鏡移動時，難免會存在一定程度上的擺動，使得兩個平面鏡互不垂直，導致入射光不能直射入動鏡或反射光線偏離原入射光的方向，從而得不到與入射光平行的反射光，影響干涉光的質量。外界的振動也會產生相同的影響。因此經典的干涉儀除需經十分精確的調整外，還要在使用過程中避免振動，以保持動鏡精確的垂直定鏡，獲得良好的光譜圖。為提高儀器的抗振能力，Bruker公司開發出三維立體平面角鏡干涉儀，采用兩個三維立體平面角鏡作為動鏡，通過安裝在一個雙擺動裝置質量中心處的無摩擦軸承，將兩個立體平面角鏡連接。

　　三維立體平面角鏡干涉儀的實質是用立體平面角鏡代替了傳統干涉儀兩干臂上的平面反光鏡。由立體角鏡的光學原理可知，當其反射面之間有微小的垂直度誤差及立體角鏡沿軸方向發生較小的擺動時，反射光的方向不會發生改變，仍能夠嚴格地按與入射光線平行的方向射出。由此可以看出，采用三維立體角鏡后，可以有效地消除動鏡在運動過程中因擺動、外部振動或傾斜等因素引起的附加光程差，從而提高了一起的抗振能力和重復性。