近红外光谱分析技术的比较

近红外光谱(NIRS)分析技术是一种广泛用于原材料的识别和量化的物质在工业和研究应用。亚博网站下载本文旨在澄清色散和傅里叶变换分析之间的差异和相似之处。

介绍

在1940年代早期,第一个商业色散光谱仪常用应用程序的出现。这项技术是基于光的色散波长的依赖。光的色散是最通常使用棱镜插图,即使今天,棱镜通常是单色仪光栅所取代。色散光谱是指选择分析的方法在紫外可见范围,但也近红外(NIR)与光致发光的应用程序。

商业傅里叶变换红外光谱仪(ir)最初出现在1960年代。他们几乎完全用于基础研究领域他们是昂贵的。傅立叶变换红外光谱仪已经变得更加负担得起由于技术改进。主要应用在中红外(MIR)范围内识别的化学物质,他们是最近才流行的应用近红外(NIR)范围内^[2]。

这两种类型的光谱仪逐步完善自第一个商业外观。他们都是最先进的。

在本文中,色散和傅里叶变换技术比较从实验的角度来看。这篇文章将解释每个光谱仪类型设计和底层的物理原则,它还将阐明重要方面对近红外光谱的应用程序。至关重要的方面包括光谱分辨率以及波长准确度和精密度,波长范围、信噪比(S / N)率和数据采集速度。

技术概述

色散光谱仪

多色光源所发射的光和衍射光栅。衍射取决于光栅单色仪的凹槽的宽度,入射角和波长。反射的光束的波长组合光空间与彼此区分开来。单色光通过退出缝之中示例。使不同波长扫描,光栅单色仪安装在电动机,从而改变其角位置。电机是由数字编码器可重复的和精确的角度变化。因此,顺序不同波长的单色光通过出口狭缝为了记录光谱强度(见图1)^[1]。

英国《金融时报》的技术

英尺光谱仪包含一个干涉仪,它是由一个分束器和两个镜子,一个固定而和一个可移动,距离分束器的变量(参见图2)。多色的光从源分为两个beamlets,达到固定的镜子,而另一个反映向移动的镜子。在分光镜beamlets再次结合。

由此产生的光强度取决于两者之间的相位差beamlets,引起的偏移量可移动的镜子。检测强度的多色的光在镜子功能抵消叫做干涉图。这是改变了数学为了获得使用傅里叶变换光谱。镜子决心弥补移动的镜子是由激光^[1,2]。用干涉法,光不是使成单色波长同时测量。

图1所示。插图的predispersive瑞士万通XDS系列和瑞士万通DS2500光谱仪在漫反射率模式。

图2。插图的英国《金融时报》光谱仪与迈克耳孙干涉仪在反射模式。

色散光谱仪或英国《金融时报》吗?

在选择合适的技术几个参数必须被考虑。最重要的,即分辨率、波长范围,光度准确度和精密度,信噪比(S / N)比这里讨论了数据采集的速度。

波长范围

FT-NIR系统的波长范围是有限的,由于光学。它通常范围从800纳米到2500纳米。色散光谱仪启用数据采集到400纳米,甚至下面,因此包括可见光谱范围(Vis)。这允许应用程序感兴趣的样品参数主要是位于Vis-range,如浓度测量和颜色强度的量化彩色复合物,在别人。

决议

可以修复的光谱分辨率在一个常数值色散系统固定的几个仪器等参数的密度光栅步骤,入口和出口狭缝宽度,光谱仪的大小,编码器的质量等。

在瑞士万通XDS和DS2500光谱仪检测,分辨率是固定在8.75纳米,这被认为是足够满足大多数应用程序的需求。这变得清晰时,自然的近红外光谱信号的带宽密切检查。干涉仪,另一方面,允许定义的决议是通过调整的最大偏移量可移动的镜子(也称为«康涅狄格州有利»)。因此,更高的解决光谱与分散系统可以获得比。光谱通常记录8厘米的决议¹或16厘米¹;更高的分辨率并不常用。在2500纳米,这些决议对应~ 10 ~ 25 nm,分别^(3、4)。

除了上面说的那些,还有另外两个理由不使用更高的分辨率。首先,谐波和组合乐队的纯物质在近红外光谱范围内自然带宽大于10纳米。因此,不需要更高的光谱分辨率。光谱波段可以变得更广泛,当测量混合物,因此高分辨率是不需要可靠的结果。只有少数矿物、稀土氧化物和气态样品带宽小于8海里。

表1。常见的例子分析了物质和他们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年	9.5
三氯苯	液体	2154年	15
玉米油	液体	2305年	30.1
水	液体	1928年	110.4
乳糖	水晶	2256年	9.8
大豆蛋白	粉	2053年	37.5
小麦淀粉	粉	2103年	162年
蔗糖	水晶	2046年	22.5

第二个原因不使用分辨率高于8厘米¹与FT-NIR系统分辨率的增加是不断伴随着增加光谱噪音。获得更高的分辨率,移动的镜子,镜子的最大偏移速度必须增加以达到同时色散光谱仪光谱。然而,这增加了噪声指数。

降低噪音水平,多光谱必须co-added或收购的时间大大增加^[5]。高分辨率的实际利益在很大程度上仍未知,但可以在一些应用程序是有益的^[2]。

光度波长精度和准确性

英尺光谱仪校准通过收集高分辨率光谱的水蒸气,保证精密,准确记录波长响应。现代近红外光谱单色仪,比如那些用在瑞士万通NIRS XDS和DS系列,由一个非常准确的数字编码器保证最大的可重复性。

光谱仪校准使用外部和内部标准组成的稀土氧化物。这个校准的概念(带宽的标准化,光度响应和响应波长)认证的参考标准允许直接转移光谱和最优化模型。

数据采集速度

可以比较两种谱仪的数据采集速度,英国《金融时报》和色散。两种技术都可以实现两个在第二次扫描^[6]。的色散光谱仪的主要好处是宽波长范围,非常低的噪音水平,结果在一个非常高的信噪比。据肖和Mantsch (1999),“有各种各样的应用程序,需要这种速度和准确度的结合。”^[2]

表2。比较规范的FT-NIR predispersive光谱仪^[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	~ 8海里(12厘米1@ 2500海里)
耐振性	媒介	好
配件	粉、固体、液体	粉、固体、液体
波长精度	~ 0.01海里	~ 0.005海里
波长精度	-0.2 ~ 0.05海里	~ 0.05海里

信噪比(S / N)的比例

在近红外光谱分析中,最重要的参数采集的光谱通常是不准确的,分辨率和重复性,但信号噪声比(S / N)。

在紫外可见和近红外光谱,光谱噪声的主要来源不是来自极其敏感探测器(PbS或InGaAs用于近红外光谱仪相比少1000倍吵到探测器用于米尔^[6]),但从光强度:噪声成正比的光强度和波长成反比。

在FT-NIR仪表,光子噪声是叠加干涉图和傅里叶变换不能重新分配这些个人贡献相应的光谱范围。这个缺点FT-NIR可以分布式噪声的问题,例如,当感兴趣的信息是在低强度地区在高噪音^(7、8)。相比之下,顺序扫描所有波长色散系统,以便每个吸光度测量噪声是独立的,是直接相关的。与色散系统,可以改变光路对一个完美的信号幅度,不管噪音水平较高的地区。

新瑞士万通NIRS单色仪是基于专利XDS(离轴数字同步)和DS技术,保证理想的单色光束的焦点,由于精确设定的角位置编码器。

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。噪声谱获得了与瑞士万通NIRS DS2500和FT-NIR仪器在反射模式下使用参考材料吸光度在0.25和0.4之间。在英国《金融时报》系统,扫描速度调整以匹配相同的数据采集时间的瑞士万通NIRS DS2500 (~ 20 s)与英国《金融时报》的数据采集参数:双面双向干涉图;相位分辨率两倍设置光谱分辨率;扫描速度:5千赫至10千赫;Blackman-Harris 3项切趾法窗口;默茨相位校正。

¹获得这些结果,英国《金融时报》系统的测量参数适应确保数据采集时间的相同NIRS DS2500光谱仪获得更好的可比性。使用一个外部的标准和一个乐队在975纳米处。相同的英国《金融时报》的数据采集和处理参数使用如图3所示。

信噪比是定量和定性的关键应用程序。检测不一致的产品,例如,药片,缺乏活性成分,需要有一个高质量的信号从近红外光谱的吸收系数很小。光谱偏差带来的低成分浓度可以与噪声相混淆。在这种情况下,不符合将不会被检测出来。最后,虽然噪声标准不太重要的基于谱相关识别方法,不过噪音影响样品的数量需要建立一个图书馆。可以构建与色散系统更健壮的光谱库。

因为高噪音水平导致高光谱变异,它有可能开发出更健壮的定性和定量模型使用分散系统^[9]。非常近红外范围(800 - 1100 nm)检测在不断低噪声水平,模型与改进的分析数据与色散可见系统的优点是有可能的^(6、10)。

其他技术问题

当前使用的单色仪实现快速扫描整个谱(~ 0.5 s)。收购时间可以比较,观察到干涉法与类似的决议。

在英国《金融时报》的仪器,样品被整个光谱范围的强光源使用。由此产生的高光束功率密度能够加热样品。这是一个缺点在处理感光样品,这可能恶化在这种情况下,还在处理生物样本的过热会导致加速细菌生长或敏感的蛋白质变性。与predispersive系统、光使单色化之前扫描样本;因此,样品暴露在更低的光束功率密度,防止损坏。

干涉法需要使用激光的精确测量的位置可移动的镜子。激光可以被认为是一个昂贵的消费品,其使用寿命是有限的。FT-NIR健壮的系统通常被认为是低于单色仪,不太适合在网上,atline和内联流程应用程序,可以发生强烈振动,产生潜在的错位移动部件,从而导致扭曲^[6]。

几乎所有可用的光谱仪使用干燥剂的湿度控制系统避免衰老,因为FT-NIR光谱仪的光学材料。这些干燥剂再生在一致的基础上,从而导致停机的光谱仪。中使用的光学瑞士万通NIRS XDS和DS2500光谱仪不需要干燥剂。可以消除一些维修步骤。

分散系统的使用是简单的与英国《金融时报》系统的使用相比,许多参数可以修改,严重影响光谱。尽管力学的定位移动镜子有些复杂和地位是由激光的引用,阶段错误可以发生,这有一个大对光谱的影响。摆脱他们,几个阶段修正可以应用(如默茨校正、功率谱…)。然而,这需要一个有经验的用户熟悉这些方法。

结论

色散光谱仪通常用于UV / Vis和可见的乐器。英尺仪器最初为米尔开发范围提高测量质量,因为米尔光谱学用户面临的强烈吸收,低强度的光源和嘈杂的探测器。相比,分散技术(Felgeltt, Jacquinot和康涅狄格州的优势),英国《金融时报》的仪器有无可争辩的优势在米尔范围(2500 - 25000海里;4000 - 400厘米¹)。许多制造商的光谱仪应用近红外光谱范围内,英国《金融时报》技术但是好处没有相同的说影响短波长的范围(800到2500海里;12500 - 4000厘米¹)。

近红外光谱不同于米尔光谱的性质。对于近红外光谱,有较弱的吸收,强大的来源和安静探测器。优势在FT-MIR并不一定适用于FT-NIR。此外,光栅极其可再生的和之间的信息传递的工具。

英国《金融时报》的许多科学论文确yabo214定等效的分散性能和系统的常规分析^{(11 - 13)}。一些研究展示更好的预测能力与单色仪,即色散系统,并推荐这种类型的技术在实验室离线使用^(6、14)。

近红外光谱仪器的选择必须根据评估应用程序的许多经济和技术特点:光谱范围,采样模式,分辨率和信噪比,多功能性的乐器,光谱仪的鲁棒性,支持和供应商响应、控制软件和最优化工具,以及仪器和维修成本^(5、6)。

总结

而色散光谱仪主要用于定量应用紫外可见(200 - 800海里),光谱使用傅里叶变换(FT)技术主要是申请行分析和识别中红外(MIR)地区(3000 - 50000海里)。近红外(NIR)光谱范围之间的可见(Vis)和米尔范围,使用英尺和分散技术。这两种光谱技术相媲美的性能,因为持续的技术进步。色散和之间的决定FT-NIR光谱仪不能是先天的,但是相对强烈依赖于应用程序。

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