近紅外光譜儀器從分光系統(tǒng)可分為固定波長(zhǎng)濾光片、光柵色散、快速傅立葉變換、聲光可調(diào)濾光器和陣列檢測(cè)五種類型。
濾光片型主要作專用分析儀器,如糧食水分測(cè)定儀。由于濾光片數(shù)量有限,很難分析復(fù)雜體系的樣品。光柵掃描式具有較高的信噪比和分辨率。由于儀器中的可動(dòng)部件(如光柵軸)在連續(xù)高強(qiáng)度的運(yùn)行中可能存在磨損問(wèn)題,從而影響光譜采集的可靠性,不太適合于在線分析。傅立葉變換近紅外光譜儀是具有較高的分辨率和掃描速度,這類儀器的弱點(diǎn)同樣是干涉儀中存在移動(dòng)性部件,且需要較嚴(yán)格的工作環(huán)境。聲光可調(diào)濾光器是采用雙折射晶體,通過(guò)改變射頻頻率來(lái)調(diào)節(jié)掃描的波長(zhǎng),整個(gè)儀器系統(tǒng)無(wú)移動(dòng)部件,掃描速度快。但目前這類儀器的分辨率相對(duì)較低,價(jià)格也較高。
隨著陣列檢測(cè)器件生產(chǎn)技術(shù)的日趨成熟,采用固定光路、光柵分光、陣列檢測(cè)器構(gòu)成的NIR儀器,以其性能穩(wěn)定、掃描速度快、分辨率高、信噪比高以及性能價(jià)格比好等特點(diǎn)正越來(lái)越引起人們的重視。在與固定光路相匹配的陣列檢測(cè)器中,常用的有電荷耦合器件(CCD)和二極管陣列(PDA)兩種類型,其中Si基CCD多用于近紅外短波區(qū)域的光譜儀,InGaAs基PDA檢測(cè)器則用于長(zhǎng)波近紅外區(qū)域。
近紅外光譜儀器的主要性能指標(biāo)
在近紅外光譜儀器的選型或使用過(guò)程中,考慮儀器的哪些指標(biāo)來(lái)滿足分析的使用要求,這是分析工作者需要考慮的問(wèn)題。對(duì)一臺(tái)近紅外光譜儀器進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí),必須要了解儀器的主要性能指標(biāo),下面就簡(jiǎn)單做一下介紹。
1、儀器的波長(zhǎng)范圍
對(duì)任何一臺(tái)特定的近紅外光譜儀器,都有其有效的光譜范圍,光譜范圍主要取決于儀器的光路設(shè)計(jì)、檢測(cè)器的類型以及光源。近紅外光譜儀器的波長(zhǎng)范圍通常分兩段,700~1100nm的短波近紅外光譜區(qū)域和1100~2500nm的長(zhǎng)波近紅外光譜區(qū)域。
2、光譜的分辨率
光譜的分辨率主要取決于光譜儀器的分光系統(tǒng),對(duì)用多通道檢測(cè)器的儀器,還與儀器的像素有關(guān)。分光系統(tǒng)的光譜帶寬越窄,其分辨率越高,對(duì)光柵分光儀器而言,分辨率的大小還與狹縫的設(shè)計(jì)有關(guān)。儀器的分辨率能否滿足要求,要看儀器的分析對(duì)象,即分辨率的大小能否滿足樣品信息的提取要求。有些化合物的結(jié)構(gòu)特征比較接近,要得到準(zhǔn)確的分析結(jié)果,就要對(duì)儀器的分辨率提出較高的要求,例如二甲苯異構(gòu)體的分析,一般要求儀器的分辨率好于1nm。[1]
3、波長(zhǎng)準(zhǔn)確性
光譜儀器波長(zhǎng)準(zhǔn)確性是指儀器測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)某一譜峰的波長(zhǎng)與該譜峰的標(biāo)定波長(zhǎng)之差。波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性對(duì)保證近紅外光譜儀器間的模型傳遞非常重要。為了保證儀器間校正模型的有效傳遞,波長(zhǎng)的準(zhǔn)確性在短波近紅外范圍要求好于0.5nm,長(zhǎng)波近紅外范圍好于1.5nm。
4、波長(zhǎng)重現(xiàn)性
波長(zhǎng)的重現(xiàn)性指對(duì)樣品進(jìn)行多次掃描,譜峰位置間的差異,通常用多次測(cè)量某一譜峰位置所得波長(zhǎng)或波數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示(傅立葉變換的近紅外光譜儀器習(xí)慣用波數(shù)cm-1表示)。波長(zhǎng)重現(xiàn)性是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的一個(gè)重要指標(biāo),對(duì)校正模型的建立和模型的傳遞均有較大的影響,同樣也會(huì)影響最終分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。一般儀器波長(zhǎng)的重現(xiàn)性應(yīng)好于0.1nm。
5、吸光度準(zhǔn)確性
吸光度準(zhǔn)確性是指儀器對(duì)某標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行透射或漫反射測(cè)量,測(cè)量的吸光度值與該物質(zhì)標(biāo)定值之差。對(duì)那些直接用吸光度值進(jìn)行定量的近紅外方法,吸光度的準(zhǔn)確性直接影響測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。
6、吸光度重現(xiàn)性
吸光度重現(xiàn)性指在同一背景下對(duì)同一樣品進(jìn)行多次掃描,各掃描點(diǎn)下不同次測(cè)量吸光度之間的差異。通常用多次測(cè)量某一譜峰位置所得吸光度的標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。吸光度重現(xiàn)性對(duì)近紅外檢測(cè)來(lái)說(shuō)是一個(gè)很重要的指標(biāo),它直接影響模型建立的效果和測(cè)量的準(zhǔn)確性。一般吸光度重現(xiàn)性應(yīng)在0.001~0.0004A之間。
7、吸光度噪音
吸光度噪音也稱光譜的穩(wěn)定性,是指在確定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行多次掃描,得到光譜的均方差。吸光度噪音是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的重要指標(biāo)。將樣品信號(hào)強(qiáng)度與吸光度噪音相比可計(jì)算出信噪比。
8、吸光度范圍
吸光度范圍也稱光譜儀的動(dòng)態(tài)范圍,是指儀器測(cè)定可用的最高吸光度與能檢測(cè)到的吸光度之比。吸光度范圍越大,可用于檢測(cè)樣品的線性范圍也越大。
9、基線穩(wěn)定性
基線穩(wěn)定性是指儀器相對(duì)于參比掃描所得基線的平整性,平整性可用基線漂移的大小來(lái)衡量?;€的穩(wěn)定性對(duì)我們獲得穩(wěn)定的光譜有直接的影響。
10、雜散光
雜散光定義為除要求的分析光外其它到達(dá)樣品和檢測(cè)器的光量總和,是導(dǎo)致儀器測(cè)量出現(xiàn)非線性的主要原因,特別對(duì)光柵型儀器的設(shè)計(jì),雜散光的控制非常重要。雜散光對(duì)儀器的噪音、基線及光譜的穩(wěn)定性均有影響。一般要求雜散光小于透過(guò)率的0.1%。
11、掃描速度
掃描速度是指在一定的波長(zhǎng)范圍內(nèi)完成1次掃描所需要的時(shí)間。不同設(shè)計(jì)方式的儀器完成1次掃描所需的時(shí)間有很大的差別。例如,電荷耦合器件多通道近紅外光譜儀器完成1次掃描只需20ms,速度很快;一般傅立葉變換儀器的掃描速度在1次/s左右;傳統(tǒng)的光柵掃描型儀器的掃描速度相對(duì)較慢,目前較快的掃描速度也不過(guò)2次/s左右。
12、數(shù)據(jù)采樣間隔
采樣間隔是指連續(xù)記錄的兩個(gè)光譜信號(hào)間的波長(zhǎng)差。很顯然,間隔越小,樣品信息越豐富,但光譜存儲(chǔ)空間也越大;間隔過(guò)大則可能丟失樣品信息,比較合適的數(shù)據(jù)采樣間隔設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)小于儀器的分辨率。
13、測(cè)樣方式
測(cè)樣方式在此指儀器可提供的樣品光譜采集形式。有些儀器能提供透射、漫反射、光纖測(cè)量等多種光譜采集形式。
14、軟件功能
軟件是現(xiàn)代近紅外光譜儀器的重要組成部分。軟件一般由光譜采集軟件和光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)處理軟件兩部分構(gòu)成。前者不同廠家的儀器沒(méi)有很大的區(qū)別,而后者在軟件功能設(shè)計(jì)和內(nèi)容上則差別很大。光譜化學(xué)計(jì)量學(xué)處理軟件一般由譜圖的預(yù)處理、定性或定量校正模型的建立和未知樣品的預(yù)測(cè)三大部分組成,軟件功能的評(píng)價(jià)要看軟件的內(nèi)容能否滿足實(shí)際工作的需要。