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來來來,大家一起認識近紅外分析

來源:上海恪瑞儀器科技有限公司   2021年06月10日 13:32  

近紅外光譜技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種高效快速的現(xiàn)代分析技術(shù),它具有操作簡單、分析快速、無損、無需試劑、無污染等優(yōu)點,已經(jīng)在食品、藥品、化妝品、農(nóng)產(chǎn)品、生物醫(yī)藥、化工、紡織等領域廣泛應用。今天恪瑞儀器帶您一起來了解:
1、何為近紅外光譜?
2、典型應用有哪些?
3、近紅外光譜的采集方式有哪些?
4、近紅外光譜技術(shù)是如何做定性分析的?
5、近紅外光譜技術(shù)是如何進行定量分析的?

何為近紅外光譜

1. 近紅外光譜的波長和產(chǎn)生機理

近紅外光是介于紫外-可見光和中紅外光之間的電磁波,按ASTM的標準其波長范圍為780-2526nm。當從光源發(fā)出的紅外光照射到物質(zhì)上時,具有紅外活性的分子鍵與紅外光發(fā)生相互作用,產(chǎn)生近紅外光譜吸收。

分子在紅外光譜區(qū)內(nèi)的吸收產(chǎn)生于分子振動或轉(zhuǎn)動狀態(tài)的變化或者分子振動或轉(zhuǎn)動在不同能級間的躍遷(可參考下面的能級圖)。

能量躍遷包括基頻躍遷(對應于分子振動狀態(tài)在相鄰能級間的躍遷)、倍頻躍遷(對應分子振動狀態(tài)在相隔一個或幾個能級間的躍遷)和合頻躍遷(對應于分子兩種振動狀態(tài)的能級同時發(fā)生躍遷)。所有近紅外吸收譜帶都是中紅外吸收基頻(2000-4000cm-1)的倍頻及合頻。

 

2. 近紅外光譜的分光系統(tǒng)

分光系統(tǒng)是近紅外光譜儀的核心部分,它主要由入射狹縫、光柵、出射狹縫、電機、編碼器和高通濾波片等部分組成,具體見下圖。光柵由電機驅(qū)動,來回45度左右運動。在電機上方安裝的編碼器記錄光柵位置。光柵的不同位置對應不同時刻測量的波長。其中內(nèi)部波長參比和內(nèi)部陶瓷分別用于內(nèi)部X軸和Y軸校準。另外單色器和采樣器是分開的,且光纖束可以上下調(diào)整位置,以適應不同的樣品檢測。這種結(jié)構(gòu)設計具有光通量高、噪聲低、信噪比高、信號穩(wěn)定等優(yōu)點。

3. 分子基團的近紅外吸收

近紅外譜區(qū)主要體現(xiàn)基頻2000cm-1以上的基團信息,其中以含氫基團X-H(如C-H、O-H、N-H等)為主,也有一些基團的信息(如C=C、C=O等),但強度較弱,具體見分子基團的近紅外吸收圖。

這些基團是有機物的重要組成元素,且不同的基團或者同一基團在不同的化學環(huán)境中的近紅外吸收波長與強度都有明顯差異。近紅外光譜含有非常豐富的結(jié)構(gòu)和組成信息,非常適用于測試物質(zhì)的物化性質(zhì)。

4. 近紅外的定量檢測范圍

近紅外的吸收強度比中紅外弱1-5個數(shù)量級,隨著基頻、合頻和倍頻的增加,吸收峰重疊的越嚴重,吸收越來越弱。所以該技術(shù)主要用于常量分析,即被測組分的含量一般應大于樣品重量的0.1%。對于多組分的復雜樣品,其近紅外光譜也不是各組分單獨光譜的簡單疊加,因此需要“化學計量學”技術(shù)從復雜的光譜中提取有效信息。

典型應用有哪些

近紅外光譜的應用包括品質(zhì)控制和質(zhì)量保證過程,可用于測定化學和物理參數(shù)。例如油品的黏度、密度、閃點、濁點、研究法辛烷值(RON)、發(fā)動機辛烷值(MON)、水分、羥基值、總酸值(TAN)、總堿值(TBN)、芳香烴含量的分析;混酸中各組分的含量的測定;聚合物和塑料的定性定量;藥品中的輔料和活性成分分析等等。

近紅外光譜的

采集方式有哪些

當近紅外光源照射物質(zhì)后會發(fā)生吸收、透射、散射、全反射、漫反射等幾種形式的相互作用,如下圖所示。

依據(jù)上述作用形式,近紅外光譜的采集方式主要有三種:透射式、漫反射式和漫透射式,其中以透射式和漫反射式較為常用。

漫反射光是光源發(fā)出的光進入樣品內(nèi)部后,經(jīng)過多次反射、折射、衍射、吸收后返回表面的光,因此這種分析光也負載了樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息,可以用于分析。對于漿狀、粘稠以及含有懸浮物顆粒的液體,如牛奶、涂料和油漆等多采用漫透射或者漫透反射方式(在測樣附件后放置一組反射鏡)進行測量,與透射采集中的均勻透明液體樣品相比,除了吸收外,還將對光產(chǎn)生散射作用,對這些樣品進行透射分析的方式稱為漫透射采集。信號具體收集方式見下圖。因此近紅外光譜有相當大的選擇彈性,可依不同樣品的物性或者環(huán)境而改變。

 

近紅外光譜技術(shù)

如何定性分析

定性分析是指確認分析對象是什么,或者確認是或者不是某種物質(zhì)。

定性分析步驟:

1. 建立判別模型,即收集一定數(shù)量的樣品、確定已知類別、掃描近紅外光譜,通過一定數(shù)學算法將光譜或其壓縮的變量(如主成分)組成一個多維的變量空間,同類物質(zhì)在該多維空間中相距較近,異類樣本則相距較遠,從而識別不同類群完成建模。

2. 驗證模型,即采用一定數(shù)量的不同類群樣品,掃描近紅外光譜,然后調(diào)用模型對這些樣品進行預測,并和已知的類別歸屬進行比較和評估。

3. 模型通過驗證后,掃描未知樣品的近紅外光譜,考察其光譜是否位于某類物質(zhì)所在的空間,判斷其類別歸屬。

近紅外光譜技術(shù)是
如何進行定量分析
定量分析的理論依據(jù):
透射式采集方式如下圖,吸光度的強度與樣品中組分含量的關系可以由比爾定律決定,比爾定律是指一定波長的單色光垂直通過某一均勻非散射物質(zhì)時,其吸光度A與光程d及濃度c成正比,比例常數(shù)為吸光度系數(shù),其表達式為:A = -logItrans/I0 = -logT = εcd。
其中I0為照射背景的入射光強度;Itrans為透過液體后的光束的強度;A為吸光度;ε為待測組分的吸收系數(shù);d為光程;c為待測組分濃度。

漫反射的采集方式如下圖,漫反射光是光源發(fā)出的光進入樣品內(nèi)部后,經(jīng)過多次的反射、折射、衍射、吸收后返回表面的光,這種分析光負載了樣品的結(jié)構(gòu)和組成信息。但漫反射的過程中樣品與光存在多種作用形式,除樣品的組成外,其粒徑大小、分布及形狀等物理狀態(tài)均對漫反射光的強度產(chǎn)生一定的影響,因此漫反射光的強度與樣品組分含量近似滿足比爾定律。

 

通過數(shù)學推導,研究了與樣品含量成線性關系的漫反射光譜參數(shù),表達式為:A = -logIscatt/I0= -log R = const•εc

其中:I0為照射背景的入射光強度;Iscatt為樣品漫反射后的光束強度;A 為吸光度;const為散射系數(shù),ε為待測組分的吸收系數(shù);c為待測組分的濃度。

光譜定量的依據(jù)是比爾定律,該線性關系是以單色光和稀溶液為假設前提的,且不考慮吸光溶質(zhì)分子與周圍分子間的作用。實際樣品尤其是復雜的天然產(chǎn)物的吸光度和濃度之間往往不是簡單的線性關系,通過傳統(tǒng)的單波長校正曲線的方法已不能得到滿意的結(jié)果,而通常需要選用整個波數(shù)范圍結(jié)合化學計量學方法(如PLS)進行分析。

定量分析的步驟:

1. 建立校正模型,即收集一定數(shù)量的建模樣品,分別測定樣品的近紅外光譜和化學分析值,通過化學計量學方法建立二者之間的數(shù)學關系(稱為模型)。

2. 模型校正,即采用一定數(shù)量的同類樣品(化學分析值已知),掃描近紅外光譜,然后調(diào)用模型對這些樣品進行預測,并和已知的化學分析值進行比較,通過統(tǒng)計學的方法對模型進行評估。

3. 模型通過驗證后就可用于未知樣品的測定。

 

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