近红外光谱的技术比较

近红外光谱（NIRS）是一种广泛使用的分析技术，用于鉴定工业和研究应用中物质的原料和定量。欧洲杯足球竞彩本文旨在澄清分散和傅里叶变换分析仪之间的差异和相似之处。

介绍

在20世纪40年代早期，第一个用于紫外-可见应用的商业色散光谱仪出现了。这项技术是基于光的色散与波长的关系。光的色散通常用棱镜来表示，即使在今天，棱镜通常被单色光栅所取代。色散光谱学是指在紫外-可见范围内进行分析的方法选择，也可用于近红外（NIR）与光致发光的应用程序。

商业傅里叶变换红外（FT-IR）光谱仪最初出现在20世纪60年代。它们几乎单独用于基本的研究领域，因为它们昂贵。由于技术改进，FT-IR光谱仪变得更加实惠。它们主要用于中红外（MIR）范围，用于鉴定化学物质，最近它们仅为近红外（NIR）范围内的应用流行^［2］．

这两种类型的光谱仪自首次商业亮相以来都得到了稳步改进。它们都是最先进的。

本文从实验的角度对色散变换和傅里叶变换技术进行了比较。本文将解释每一种光谱仪的设计和物理原理，也将阐明近红外应用的重要方面。关键方面包括光谱分辨率、波长精度和精度、波长范围、信噪比和数据采集速度。

技术概述

色散光谱仪

从光源发射多色光并在光栅上衍射。衍射取决于单色仪光栅的凹槽的宽度，入射角和波长。在反射光束中，构成光的波长在空间上彼此区分。单色光通过出口狭缝照射样品。为了使扫描不同的波长，单色仪光栅安装在电动机上，电动机改变其角度位置。电动机由数字编码器控制，以可重复和精确的角度变化。因此，不同波长的单色光顺序地通过出口狭缝，以便记录强度谱（参见图1）^[1]．

FT技术

FT光谱仪含有一个干涉仪，它是由分束器和两个反射镜，一个固定的，而与一个可移动的，其距离分束器是可变的（参见图2）的。从源多色光分成两个子束，到达一个固定反射镜，而另一个被反射朝向动镜。子束在分束器再次结合。

由此产生的光强取决于两束光之间的相位差，这是由活动镜的偏移引起的。在反射镜偏移作用下所测得的多色光强度称为干涉图。这个在数学上进行了变换以得到傅里叶变换的频谱。用激光测量运动反射镜的反射偏置^[1,2]．使用干涉测量法，光不是单色的，所有波长都是同时测量的。

图1所示。倾向于的Metrohm XDS系列和Metrohm DS2500光谱仪的插图在漫反射模式下。

图2。反射模式下带有迈克耳孙干涉仪的FT光谱仪的说明。

色散光谱仪还是FT?

在选择合适的技术时，必须考虑几个参数。本文讨论了最重要的几个方面，即分辨率、波长范围、光度精度和精度、信噪比和数据采集速度。

波长范围

ft -近红外系统的波长范围受到光学的限制。一般范围为800 nm到2500 nm。色散光谱仪能够采集低于400纳米甚至更低的数据，因此包括可见光谱范围(Vis)。这使得感兴趣的样品参数主要位于vis范围内的应用得以实现，例如浓度和颜色强度测量，以及色络合物的量化等。

决议

通过固定几个仪器参数，如光栅台阶的密度、进出狭缝的宽度、光谱仪的尺寸、编码器的质量等，可以将色散系统的光谱分辨率固定在一个恒定值。

在Metrohm NIRS XDS和DS2500光谱仪中，分辨率固定在8.75 nm，这被认为是足够的大多数应用。当近红外信号的自然带宽被仔细检查时，这一点就变得清晰了。另一方面，干涉仪允许通过调整可移动镜面的最大偏移量来确定分辨率(也称为“康尼优势”)。因此，可以获得比色散系统更高分辨率的光谱。光谱记录的分辨率通常为8厘米^－1或16厘米¹;不经常使用更高的分辨率。在2500 nm处，这些分辨率分别对应于〜10 nm和〜25nm^(3、4)．

除了上述那些，还有其他两个原因没有使用更高的分辨率。第一个是，谐波和在NIR纯物质组合带具有范围自然带宽大于10nm大。因此，不需要更高的光谱分辨率。测量混合物，因此没有需要可靠的结果更高的分辨率时，光谱波段可以得到更加广阔。只有少数矿物，稀土氧化物和气态样品具有的带宽比8纳米的。

表1。常用分析物质的实例，并在各自的特征波长的带宽。

物质	状态	特征波长(nm)	带宽(nm)
聚苯乙烯	电影	2188	9．5
三氯苯	液体	2154	15
玉米油	液体	2305	30.1
水	液体	1928	110.4
乳糖	水晶	2256.	9．8
大豆蛋白	粉	2053	37.5
小麦淀粉	粉	2103	162.
蔗糖	水晶	2046	22．5

第二个原因是不要使用高于8厘米的分辨率^－1和FT-NIR系统是，在分辨率的增加伴随着不断的增加频谱噪声。为了获得更高的分辨率，最大的移动镜和反射镜速度的偏移具有以相同的时间色散光谱仪内达到光谱增大。然而，这个指数增加噪音。

为了降低噪声水平，要么必须增加更多的频谱，要么必须大幅增加采集时间^［5］．高分辨率的实际好处在很大程度上仍未被探索，但在某些应用中可能是有益的^［2］．

光度精度和波长精度

通过收集水蒸气的高分辨率光谱来校准FT光谱仪，保证了对波长响应的精确和准确记录。现代NIR单色器，例如Metrohm Nirs XDS和DS系列中使用的单色器，由极其准确的数字编码器控制，以保证最大的可重复性。

光谱仪使用由稀土氧化物组成的外部和内部标准进行校准。这种校准概念(带宽、光度响应和响应波长的标准化)与认证的参考标准允许直接转移光谱和化学计量模型。

数据采集​​速度

可以比较FT和色散两种光谱仪的数据采集速度。两种技术都能在一秒内完成两次扫描^[6]．色散光谱仪的一些主要优点是宽波长覆盖，非常低的噪声水平，这导致了极高的信噪比。根据Shaw和Mantsch (1999)，“有很多应用都需要这种速度和准确性的结合。”^［2］

表2。ft -近红外光谱仪与预色散光谱仪的规格比较^[6]．

属性	FT-NIR	Predispersive
源	高强度	高强度
波长选择	干涉仪	光栅样品之前
探测器	半导体	半导体
扫描时间	< 1	< 1
决议	1 - 64厘米－1	〜8nm的（12厘米－1@ 2500 nm）
耐振性	中等的	好的
配件	粉末，固体，液体	粉末，固体，液体
波长精度	~ 0.01海里	〜0.005纳米
波长精度	〜0.05-0.2纳米	〜0.05纳米

信噪比(S / N)的比例

在近红外光谱中，光谱采集中最重要的参数通常不是精度、分辨率或重复性，而是信噪比。

在紫外 - 可见和NIR光谱，频谱噪声的主要来源不从（PBS或砷化铟镓用于NIR光谱仪的极灵敏的检测器导出的1000倍以下时嘈杂相比，在MIR中使用的检测器^[6]噪声与光强成正比，与波长成反比。

在ft -近红外仪器中，光子噪声叠加在干涉图中，傅里叶变换不能将这些单独的贡献重新分配到相应的光谱范围。在FT-NIR中，分布式噪声的这种缺点是有问题的，例如，当感兴趣的信息在高噪声的低强度区域时^[7,8]．相比之下，色散系统顺序扫描所有波长，因此每个吸光度测量是独立的，噪声直接与它相连。在色散系统中，可以改变光路以获得完美的信号振幅，而不考虑噪声水平更高的区域。

新的Metrohm Nirs单色器是基于专利的XDS（轴轴数字同步）和DS技术，保证了通过编码器的角度位置的精确设置，保证了单色梁的理想焦点。

这些创新产生一个无与伦比的,几乎恒定的噪音水平在整个可见光谱范围从400到2500纳米,而英国《金融时报》系统的噪音水平大幅增加对光谱范围由于光学(参见图3)。此外,分散系统的S /噪比2-60倍比英国《金融时报》系统¹．

图3。使用吸光度在0.25到0.4之间的参考材料，使用Metrohm近红外DS2500和FT-NIR仪器在反射模式下获得的噪声光谱。在FT系统上，调整扫描速度以匹配与Metrohm NIRS DS2500相同的数据采集时间(~ 20 s)的FT数据采集参数:双面双向干涉图;相位分辨率是设定光谱分辨率的两倍;扫描速度:5 kHz至10 kHz;Blackman-Harris三次变迹窗;默茨相位校正。

¹为了获得这些结果，进行了调整，以确保数据获取时间是相同一个NIRS DS2500分光计的更好的可比性FT系统的测量参数。采用外标和一个带在975纳米进行评价。如在图3中描述了使用相同的FT的数据采集和处理参数。

信噪比是定量和定性应用的关键。由于近红外光谱的吸收系数小，因此要检测不符合要求的产品，如缺乏有效成分的药片，就必须有高质量的信号。低成分浓度带来的光谱偏差可能被混淆为噪声。在这种情况下，不会检测到不符合。最后，虽然噪声标准在基于谱相关的识别方法中不那么重要，但噪声影响建立库所需的样本数量。用色散系统可以建立更健壮的谱库。

由于高噪声水平导致较高的频谱变化，可以开发使用分散的系统更强大的定性和定量模型^[9]．由于非常近红外范围(800至1100 nm)是在持续低噪声水平下检测到的，因此在色散的Vis-NIR系统中，具有改进的分析数字的模型是可能的^(6、10)．

其他技术考虑因素

目前使用的单色实现全谱（〜0.5秒）的快速扫描。采集时间可以比作是与可比的分辨率干涉观察。

在FT仪器中，样品由立即使用的强光源的整个光谱范围照射。由此产生的高光束功率密度能够加热样品。这是处理光敏样品时的缺点，这可能在这种情况下恶化，而且在处理过热的生物样品时也可以带来加速的细菌生长或敏感蛋白的变性。利用缩小系统，在扫描样品之前，光在单色化;因此，样品暴露于更低的光束功率密度，防止损坏。

干涉测量需要使用激光器以精确测量可动镜子的位置。由于其使用寿命有限，这种激光可被认为是昂贵的消耗品。FT-NIR系统通常被认为比单色器更稳健，并且不太适合在线，在线和内联进程应用，其中可以发生强烈的振动，产生移动部件的潜在未对准，从而导致扭曲^[6]．

由于FT-NIR光谱仪使用的光学材料，几乎所有可用的光谱仪都使用干燥剂来控制系统的湿度，以避免老化。这些干燥剂必须在一致的基础上再生，这可能导致光谱仪停机。在Metrohm NIRS XDS和DS2500光谱仪中使用的强大光学系统不需要干燥剂。可以省去几个维护步骤。

相比于使用FT系统，其中许多参数可以被修改，重影响光谱的时候使用色散系统的非常简单。即使对于移动镜的位置的机制在某种程度上阐述和其位置由基准激光来确定，相位误差可发生，这对光谱的大的影响。为了摆脱他们，几个相位校正可以应用（如默茨校正，功率谱...）。然而，这需要谁是熟悉这些方法有经验的用户。

结论

色散光谱仪常用于紫外/可见和可见-近红外仪器中。FT仪器最初是为MIR范围开发的，以提高测量质量，因为MIR光谱用户面临强吸收，低强度光源和噪声探测器。与色散技术(Felgeltt、Jacquinot和Connes的优势)相比，FT仪器在MIR范围(2500-25000 nm;4000至400厘米^－1）。光谱仪的许多制造商应用FT技术用于NIR范围为好，但好处不具有低波长范围（800至2500nm具有同样的影响; 12500至4000cm^－1）。

近红外光谱与MIR光谱的性质不同。对于近红外，有较弱的吸收，强源和更安静的探测器。FT-MIR的优势不一定适用于FT-NIR。此外，光栅具有极高的可再现性，可用于仪器之间的信息传递。

许多科学文章确定了离散和FT系统欧洲杯猜球平台的等效性能用于常规分析^{(11 - 13)}．一些研究表明，用单色器，即分散系统，并推荐这种技术在实验室中使用这种技术^(6、14)．

近红外仪器的选择必须根据应用的许多经济和技术特点进行评估:光谱范围、采样模式、分辨率与信噪比、仪器的多功能性、光谱仪的健壮性、支持和供应商的响应能力、控制软件和化学计量工具，以及仪器及其维护和维修的成本^(5、6)．

概括

色散光谱仪主要用于紫外-可见(200-800 nm)的定量应用，而傅里叶变换(FT)光谱技术主要用于中红外(MIR)区域(3000-50000 nm)的线分析和识别。对于近红外(NIR)，即可见(Vis)和MIR范围之间的光谱范围，采用FT和色散技术。由于技术的不断进步，这两种光谱技术在性能上具有可比性。分散和FT-NIR光谱仪不能做先验的，但相对地强烈依赖于应用。

参考

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这些信息都是从米特hm AG提供的材料中获取、审查和改编的。欧洲杯足球竞彩

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