近紅外光譜儀器的研究與進展

近紅外光譜技術(shù)(Near Infrared Spectroscopy Technology，NIST)是指一種利用物質(zhì)對光的吸收、散射、反射和透射等特性來確定其成分含量的一種無損檢測技術(shù)，具有快速、非破壞性、無試劑分析且安全、高效，能夠同時測定多種組分等優(yōu)勢。應(yīng)用近紅外光譜技術(shù)進行檢測分析，是近年來研究的熱點。

在研制近紅外光譜儀的過程中，如何提高信噪比、波長準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性等，是設(shè)備研發(fā)的重點。首先，就提高信噪比而言，研究人員和用戶常常將其放在特別突出的位置。那么，信噪比是什么？又為何如此重要呢？信噪比，又稱訊噪比，指的是儀器中信號與噪聲的比例。對近紅外光譜分析來說，由于儀器本身是基于吸收物含量變化引起光譜吸光度的微小浮動來進行檢測分析的，信噪比在其中起著舉足輕重的作用。舉例來說，食物中的蛋白質(zhì)，當(dāng)含量變化小于1%時，在最強的吸收波長處，吸光度只變化0.002。而分析復(fù)雜樣品時，往往要對光譜數(shù)據(jù)進行各種數(shù)學(xué)處理，就需要在高吸光度的水平下做運算，這時儀器信噪比的重要性也就凸顯出來了。吸光度重復(fù)性對近紅外檢測來說是一個至關(guān)重要的指標(biāo)，它直接影響模型建立的質(zhì)量和測量的準(zhǔn)確性，普遍要求吸光度重復(fù)性優(yōu)于0.0004A。因此，為了有效的提高產(chǎn)品的信噪比，一般會從接收器、適當(dāng)增大光譜寬帶和采用單位面積發(fā)光效率更高的鎢燈光源三個方面入手。

此外，波長準(zhǔn)確性和重復(fù)性也是近紅外光譜儀研究的重點。為了保證儀器間校正模型的有效傳遞，通常要求在長波近紅外范圍的波長準(zhǔn)確性應(yīng)優(yōu)于1.0nm，在短波近紅外范圍的準(zhǔn)確性應(yīng)高于0.5nm。實現(xiàn)高波長重復(fù)性跟掃描速度也有一定關(guān)聯(lián)，近紅外的掃描速度還要大于紫外可見光度計掃描速度幾十倍以上。要想切實有效的提高波長準(zhǔn)確性和重復(fù)性，可以從解決光柵的精準(zhǔn)定位、注意不同材料之間的熱膨脹系數(shù)等方面入手。

穩(wěn)定性對所有分析儀器都不可或缺，近紅外光譜儀自然也不例外。目前近紅外光譜基本都是單光束類型，光源的波動，接收器溫度的漂移均直接體現(xiàn)在光譜數(shù)據(jù)上。而雙光束的光學(xué)設(shè)計將有效消除光源、接收器等器件產(chǎn)生的漂移，大幅度提高儀器的長期穩(wěn)定性。

在測樣附件的要求上，針對不同的測量對象，相同形勢的測樣附件設(shè)計也不盡相同。如用于漫反射光譜采集的附件有積分球、光桿探頭等。在吸光度上，對于同一臺近紅外光譜儀而言，波長準(zhǔn)確性和吸光度準(zhǔn)確性的保證有利于建立優(yōu)秀的校正模型。影響吸光度線性范圍的儀器因素主要是檢測器，此外，噪聲和雜散光也有一定的影響。最后，由于檢測環(huán)境一般都是現(xiàn)場環(huán)境，而非實驗室，儀器需要一定的防護等級，關(guān)鍵部件要密封且具有防灰塵、耐高溫等要求。

近紅外光譜技術(shù)能夠用于多種形態(tài)樣本的測量，除氣體、液體外，還有固體、半固體，這是這種特性使其具有了超越傳統(tǒng)檢測技術(shù)的優(yōu)勢，并在很大程度上節(jié)約了檢測成本，節(jié)省了試驗時間。與此同時我們不能忽略的是，盡管近紅外光譜技術(shù)近年來發(fā)展勢頭迅猛，但也存在信噪比低、痕量分析不適用等缺陷。要想實現(xiàn)近紅外光譜技術(shù)的進一步發(fā)展，還需要科研人員勠力同心，共同進步。