如何選擇近紅外光譜儀

    初從事近紅外光譜分析的人員常常會提出這樣的問題：什么樣的近紅外光譜儀器最好？如何選擇一臺合適的近紅外光譜儀器？實際上，“最好”儀器的定義是很難確定的，“最好”的儀器也是不存在的。因為對某一特定的儀器所提出的各項要求是隨著所需要解決的具體問題的不同而有所差異的。為了幫助使用者根據特定的需要選擇合適的儀器，本文將根據不同類型、不同設計方式近紅外光譜儀器的特點向選用者作簡要介紹，以供參考。

        為了使近紅外光譜獲得可靠的分析結果，近紅外光譜儀器必須按照詳細的技術規格設計生產。表1[1]反應的就是現近紅外光譜儀器的規范。當然也使用者選擇儀器時的主要依據。

表1 對現代近紅外光譜儀器的要求

性能要求
 系統特點及對儀器的要求
 
可靠性

多樣性

快速性

靈敏性

可分辨性

在線持久性

模型可轉換性
 波長準確，光譜穩定性好

提供多種測樣方式，波長范圍寬

快速掃描系統，多功能計量學軟件

信噪比高

分辨率高

可靠樣品導入系統，儀器無運動部件

波長準確，光譜穩定
 

        近紅外光譜儀器不管按何種方式設計，一般由光源、分光系統、測樣器件、檢測器、數據處理系統和記錄儀（或打印機）等6部分構成。

       近紅外光譜儀的分類方式比較多，但市場上分類主要還是按照儀器的分光器件不同來分，一般可分為4種主要類型：濾光片型、光柵色散型、傅立葉變換型和聲光調制濾光器型。其中光柵色散型又有光柵掃描單通道和非掃描固定光路多通道檢測之分了。

       濾光片型近紅外光譜儀器可分為固定濾光片和可調濾光片兩種形式。固定濾光片型光譜儀是近紅外光譜儀器的最早設計形式，這種儀器首先要根據測定樣品的光譜特征選擇適當波長的濾光片。該類型儀器的特點是設計簡單、成本低、光通量大、信號記錄快、堅固耐用。但這類儀器只能在單一波長下測定，靈活性較差，如樣品的基體發生變化，往往會引起較大的測量誤差。可調濾光片型光譜儀采用濾光輪，可以根據需要比較方便地在一個或幾個波長下進行測定。這種儀器一般作專用分析，如糧食水分測定儀。由于濾光片數量有限，很難分析復雜體系的樣品。

         掃描型儀器通過光柵的轉動，使單色光按波長高低依次通過測樣器件，與樣品作用后，進入檢測器檢測。與濾光片型的近紅外光譜儀器相比，色散型近紅外光譜儀器具有可實現全譜掃描、分辨率較高、儀器價位適中和便于維護等優點，其最大的弱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，抗震性較差，一般不適合作為過程分析儀器使用。

傅立葉變換光譜技術是利用干涉圖和光譜圖之間的對應關系，通過測量干涉圖和對干涉圖進行傅立葉積分變換的方法來測定和研究光譜的技術。與傳統的色散型光譜儀相比，傅立葉變換光譜儀能同時測量、記錄所有波長的信號，并以更高的效率采集來自光源的輻射能量，具有更高的波長精度、分辨率和信噪比。但由于干涉儀中動鏡的存在，儀器的在線長久可靠性受到一定的限制，另外對儀器的使用和放置環境也有較高的要求。

聲光可調濾光器（Acousto-optic Tunable Filter,縮寫為 AOTF）是利用超聲波與特定的晶體作用而產生分光的光電器件。用AOTF作為分光系統，被認為是90年代近紅外光譜儀器最突出的進展。與傳統的單色器相比，采用聲光調制產生單色光，即通過超聲射頻的變化實現光譜掃描。光學系統無移動部件，波長切換快、重現性好，程序化的波長控制使這類儀器的應用具有更大的靈活性。聲光可調濾光器近紅外光譜儀器的這些優點使其近年來在工業在線中得到越來越多的應用。但目前這類儀器的分辨率相對較低，價格也較貴。

非掃描固定光路多通道近紅外光譜儀器是因為儀器的檢測器采用多通道光敏器件而得名。這類儀器的色散系統一般采用平面光柵或全息光柵，與光柵掃描型相比，光柵不需要轉動即可實現確定波長范圍的掃描。多通道檢測器的類型主要有兩種：二極管陣列（P- hotodiode Array,縮寫為PDA）和電荷耦合器件（Charger Coupled Device,縮寫為CCD）。該類型儀器測量的波長范圍取決于檢測器光敏元件的材料（波長范圍受到一定限制），如硅基光敏元件的影響范圍在短波近紅外區域，由于該波i段檢測到的主要是樣品的三級和四級倍頻，樣品的摩爾吸收系數較低，因而需要的光程往往較長。這類儀器的最大特點是儀器內部無可移動部件，儀器的穩定性和抗干擾性能好；另一個特點是掃描速度快，一般單張光譜的掃描速度只有幾十毫秒。這兩個特點的結合，使該類儀器特別適合作為現場或在線分析儀器使用。多通道型儀器的分辨率取決于光柵性能、檢測器的像素以及狹縫的尺寸。在確定波長的范圍內，檢測器的像素越高，所檢測到的樣品信息越豐富，但一般像素越高的檢測器價格也越高。