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近红外光谱分析仪的组成

whygl369 2016-12-01 12:18:11 320  浏览
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  • bnf56 2016-12-01 15:18:40
    近红外光谱仪器从分光系统可分为固定波长滤光片、光栅色散、快速傅立叶变换、声光可调滤光器和阵列检测五种类型。 滤光片型主要作专用分析仪器,如粮食水分测定仪。由于滤光片数量有限,很难分析复杂体系的样品。光栅扫描式具有较高的信噪比和分辨率。由于仪器中的可动部件(如光栅轴)在连续高强度的运行中可能存在磨损问题,从而影响光谱采集的可靠性,不太适合于在线分析。傅立叶变换近红外光谱仪是具有较高的分辨率和扫描速度,这类仪器的弱点同样是干涉仪中存在移动性部件,且需要较严格的工作环境。声光可调滤光器是采用双折射晶体,通过改变射频频率来调节扫描的波长,整个仪器系统无移动部件,扫描速度快。但目前这类仪器的分辨率相对较低,价格也较高。 随着阵列检测器件生产技术的日趋成熟,采用固定光路、光栅分光、阵列检测器构成的NIR仪器,以其性能稳定、扫描速度快、分辨率高、信噪比高以及性能价格比好等特点正越来越引起人们的重视。在与固定光路相匹配的阵列检测器中,常用的有电荷耦合器件(CCD)和二极管阵列(PDA)两种类型,其中Si基CCD多用于近红外短波区域的光谱仪,InGaAs基PDA检测器则用于长波近红外区域。 近红外光谱仪器的主要性能指标 在近红外光谱仪器的选型或使用过程中,考虑仪器的哪些指标来满足分析的使用要求,这是分析工作者需要考虑的问题。对一台近红外光谱仪器进行评价时,必须要了解仪器的主要性能指标,下面就简单做一下介绍。 1、仪器的波长范围 对任何一台特定的近红外光谱仪器,都有其有效的光谱范围,光谱范围主要取决于仪器的光路设计、检测器的类型以及光源。近红外光谱仪器的波长范围通常分两段,700~1100nm的短波近红外光谱区域和1100~2500nm的长波近红外光谱区域。 2、光谱的分辨率 光谱的分辨率主要取决于光谱仪器的分光系统,对用多通道检测器的仪器,还与仪器的像素有关。分光系统的光谱带宽越窄,其分辨率越高,对光栅分光仪器而言,分辨率的大小还与狭缝的设计有关。仪器的分辨率能否满足要求,要看仪器的分析对象,即分辨率的大小能否满足样品信息的提取要求。有些化合物的结构特征比较接近,要得到准确的分析结果,就要对仪器的分辨率提出较高的要求,例如二甲苯异构体的分析,一般要求仪器的分辨率好于1nm。[1] 3、波长准确性 光谱仪器波长准确性是指仪器测定标准物质某一谱峰的波长与该谱峰的标定波长之差。波长的准确性对保证近红外光谱仪器间的模型传递非常重要。为了保证仪器间校正模型的有效传递,波长的准确性在短波近红外范围要求好于0.5nm,长波近红外范围好于1.5nm。 4、波长重现性 波长的重现性指对样品进行多次扫描,谱峰位置间的差异,通常用多次测量某一谱峰位置所得波长或波数的标准偏差表示(傅立叶变换的近红外光谱仪器习惯用波数cm-1表示)。波长重现性是体现仪器稳定性的一个重要指标,对校正模型的建立和模型的传递均有较大的影响,同样也会影响Z终分析结果的准确性。一般仪器波长的重现性应好于0.1nm。 5、吸光度准确性 吸光度准确性是指仪器对某标准物质进行透射或漫反射测量,测量的吸光度值与该物质标定值之差。对那些直接用吸光度值进行定量的近红外方法,吸光度的准确性直接影响测定结果的准确性。 6、吸光度重现性 吸光度重现性指在同一背景下对同一样品进行多次扫描,各扫描点下不同次测量吸光度之间的差异。通常用多次测量某一谱峰位置所得吸光度的标准偏差表示。吸光度重现性对近红外检测来说是一个很重要的指标,它直接影响模型建立的效果和测量的准确性。一般吸光度重现性应在0.001~0.0004A之间。 7、吸光度噪音 吸光度噪音也称光谱的稳定性,是指在确定的波长范围内对样品进行多次扫描,得到光谱的均方差。吸光度噪音是体现仪器稳定性的重要指标。将样品信号强度与吸光度噪音相比可计算出信噪比。 8、吸光度范围 吸光度范围也称光谱仪的动态范围,是指仪器测定可用的Z高吸光度与Z低能检测到的吸光度之比。吸光度范围越大,可用于检测样品的线性范围也越大。 9、基线稳定性 基线稳定性是指仪器相对于参比扫描所得基线的平整性,平整性可用基线漂移的大小来衡量。基线的稳定性对我们获得稳定的光谱有直接的影响。 10、杂散光 杂散光定义为除要求的分析光外其它到达样品和检测器的光量总和,是导致仪器测量出现非线性的主要原因,特别对光栅型仪器的设计,杂散光的控制非常重要。杂散光对仪器的噪音、基线及光谱的稳定性均有影响。一般要求杂散光小于透过率的0.1%。 11、扫描速度 扫描速度是指在一定的波长范围内完成1次扫描所需要的时间。不同设计方式的仪器完成1次扫描所需的时间有很大的差别。例如,电荷耦合器件多通道近红外光谱仪器完成1次扫描只需20ms,速度很快;一般傅立叶变换仪器的扫描速度在1次/s左右;传统的光栅扫描型仪器的扫描速度相对较慢,目前较快的扫描速度也不过2次/s左右。 12、数据采样间隔 采样间隔是指连续记录的两个光谱信号间的波长差。很显然,间隔越小,样品信息越丰富,但光谱存储空间也越大;间隔过大则可能丢失样品信息,比较合适的数据采样间隔设计应当小于仪器的分辨率。 13、测样方式 测样方式在此指仪器可提供的样品光谱采集形式。有些仪器能提供透射、漫反射、光纤测量等多种光谱采集形式。 14、软件功能 软件是现代近红外光谱仪器的重要组成部分。软件一般由光谱采集软件和光谱化学计量学处理软件两部分构成。前者不同厂家的仪器没有很大的区别,而后者在软件功能设计和内容上则差别很大。光谱化学计量学处理软件一般由谱图的预处理、定性或定量校正模型的建立和未知样品的预测三大部分组成,软件功能的评价要看软件的内容能否满足实际工作的需要。

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近红外光谱分析仪的组成
 
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新品发布|DS2500 近红外光谱液体分析仪

为什么您应该选择色散型分光系统

分析浓度低至ppm级别的样品对近红外技术来讲是一个挑战。色散型近红外分光系统得益于其优异的信噪比是测定上述样品的优选方案。


高测量灵敏度

DS2500 系列近红外光谱分析仪是为半峰宽接近30nm的近红外信号而设计的,在400nm~2500nm的波长范围内提供8.75nm的分辨率。


覆盖可见光和近红外波长全谱段

DS2500 系列近红外光谱分析仪覆盖了近红外光谱区和可见光谱区。这意味着不像傅里叶变换系统,DS2500 近红外光谱分析仪可以检测到样品色度的变化,比如由于老化造成的颜色变化。


不到一分钟即可获得结果

用于分光的高精度光栅保证快速的数据采集,结果可以在30秒内获得。且一次测量可同时得到多个参数。


适用于生产现场的抗震和防尘设计

光谱仪的耐用性也是保证分析结果有良好重现性的关键。特别是在生产线上使用,或者在高湿度或高粉尘浓度的环境中使用,光谱仪的耐用性的高低会对分析结果产生很大的影响。DS2500 系列近红外光谱液体分析仪具有IP54认证,这种高度耐用的解决方案保护仪器核心部件免受外界环境影响,甚至是高速振动的环境。


助力常规分析的快速、简单、耐用的理想解决方案

根据待测物的浓度不同,液体样品对近红外光的吸收程度也不相同。另外还可以通过选择不同光程的比色皿或者指管来控制光的吸收。为了保证测量结果的良好重现性,选用固定的容器和光程是至关重要的。


DS2500 近红外光谱液体分析仪为您提供理想的解决方案

- 您可以选择各种光程的比色皿、 流通池和一次性样品瓶来适应不同的样品。

- 智能样品适配器与标准操作规程相结合,有助于防止在日常操作中意外地选择了错误的样品容器而导致分析失败。

- 自动启动功能使日常测量简单方便。甚至不需要按下启动按钮,当DS2500 近红外光谱液体分析仪的盖子关闭时,测量就会自动开始。


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近红外光谱界的明日之星

近红外光(NIR)是波长介于780纳米到2500纳米的光波。当光照射在物质上时,物质中含有的氢元素基团X-H(如C-H、N-H、O-H等)能够吸收光波的能量进而产生能态跃迁,而吸收能量(近红外吸光度)与该物质的分子结构和含量有密切关系。因此,近红外光谱既可以用于物质的定性和定质判断,又可以用于有机组分的定量分析。

瑞士万通DS2500 近红外光谱分析仪采用色散型近红外分光系统,信噪比优异,使分析浓度可低至ppm级别。用于分光的高精度光栅保证快速的数据采集,可以在30秒内获得多个参数的结果。自动启动功能使日常测量简单方便。

瑞士万通DS2500 近红外光谱分析仪适用于石油化工、聚合物、多元醇、棕榈油、化学品、制药、个人护理和纸浆造纸等多个行业,且符合GB、ASTM、USP等标准的要求。

有机硅乙烯基分析解决方案

瑞士万通有机硅样品光谱采集以透反射的方式扫描样品,1秒钟内可以扫描32次光谱并取平均。采样光斑直径高达17.25mm,并配以镀金透反射背景附件,确保获得有代表性且高信噪比的光谱信号。我们可以为客户提供乙烯基初始模型,并根据客户样品的实际情况提供定制化的模型开发服务。

燃油快速检测解决方案

瑞士万通基于含氢的分子基团在近红外谱区的倍频或组合频信号产生的吸收光谱,通过偏最小二乘法等化学计量学算法,建立光谱与油料各项指标之间的数学关系,形成了一系列模型数据库,从而快速无损的分析汽油、柴油、航空煤油、石脑油和生物燃油等各类样品。

除以上数据外,我们还可协助用户开发汽油甲醇含量、密度、硫含量等标准曲线,乙醇汽油辛烷值、乙醇含量、有机含氧化合物含量、苯含量、芳烃、烯烃和密度等标准曲线,柴油硫含量、苯含量、芳烃、烯烃、氧含量和甲醇含量等标准曲线,以及所有与近红外相关指标。

PCB行业解决方案

半固化片是由电子玻璃布浸渍环氧树脂并热压而成的。半固化片的性能会直接影响覆铜层压板和多层印刷电路板的质量。“凝胶化时间”是控制半固化片的一项重要技术参数。环氧树脂与玻璃布结合后,其中的有机物质结构在分子层面上对近红外的响应非常明显,其凝胶化时间的长短与近红外光谱吸收具有明显的相关性。

瑞士万通基于几十年的近红外光谱研发经验,为客户提供定制化的“凝胶化时间”初始模型开发,保证样品分析快速、稳定、可靠。

聚合物质量控制解决方案

聚乙烯、聚丙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰胺等聚合物广泛应用于包装行业,纺织行业和注塑件的生产。熔融指数、密度、特性粘度和相对粘度,这些参数通常在实验室使用化学或物理的方式测量,这些方式不仅耗费时间而且需要使用危险化学品、在测量完成后还要对仪器进行清洗。

瑞士万通提供测定聚合物品控参数的完整解决方案。方案所选DS2500近红外光谱分析仪带有基于大量真实样品谱图建立的初始模型。该方案可为聚合物生产商和聚合物加工商提供他们产品的质量参数,同时节省分析时间、降低分析成本。

棕榈油质量控制解决方案

棕榈油的主产区位于东南亚,而ZG是其第 一大进口国。棕榈油广泛用于食品加工行业,除此之外还可作为生产肥皂、香波、生物柴油、硬脂酸、甘油等化工产品的生产原料。决定棕榈油产品质量的重要指标包括:碘值IV、水分和游离脂肪酸FFA含量。要分析这些指标需要多种湿化学方法和复杂的样品前处理,而使用近红外方法则不需要复杂的化学分析过程和样品制备。使用近红外仪器也无需具有专业知识的实验人员,而且其分析过程只需要不到一分钟的时间。最令人兴奋的是使用近红外在一次采样后,可以同时给出多个指标的分析结果。

瑞士万通公司为棕榈油加工企业提供一整套快速分析油品多种参数的近红外解决方案。该方案基于大量光谱数据和一整套近红外模型。可以为棕榈油生产加工企业减少日常分析成本,并进一步改善其产品质量。同时,瑞士万通公司可为用户的特殊产品提供定制化的模型升级服务。该服务可以拓展模型的分析范围或者增加新的分析指标。用户可以为其棕榈油产品增加更多的检测指标,如:过氧化值PV、胡萝卜素含量或漂白指数DOBI等。

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火星探测中的近红外光谱矿物表征

北京时间2月19日凌晨4时55分,在“天问一号”进入火星轨道一周后,“毅力”号(Perseverance)火星车不经变轨直接突入火星大气层,并成功着陆。本轮火星探测季也进入了新的阶段。

毅力号火星车

毅力号的着陆地点是位于北纬18度的耶泽罗陨击坑(Jezero crater)。有证据表明曾经有河流流入耶泽罗陨击坑,形成了一个早已干涸的三角洲。而毅力号在此处着陆,一项重要目标便是识别和收集该地区的沉积岩和土壤样本,探寻可能存在的火星生命迹象,同时测试人类在火星生存的技术。火星表面矿物分布提供了火星起源、地质及环境演化线索,火星表面卤水种类及分布提供了火星气候/水文演变信息。此外,毅力号还将通过对表面岩石、土壤物理化学特征的分析,帮助人类理解火星地质以及大气环境。

Raman(拉曼)与NIR(近红外)光谱技术是从分子层面识别火星表面及次表面物质成分、丰度及分布特征的重要手段,是多国火星车的必备科学设备。

位于毅力号火星车桅杆单元的SurperCam(超级相机)搭载了Raman和NIR光谱仪对火星进行巡视探测,将Raman与NIR数据融合进行联合矿物表征分析,并开展火星表面卤水及其它与水相关物质的分析具有重要科学意义。对地外行星探测来说, 近红外光谱技术具有几乎无需样品制备、信号易获取、探测矿物种类丰富、对H2O/OH探测响应灵敏等特点。马尔文帕纳科(Malvern Panalytical)旗下ASD TerraSpec Halo矿物近红外光谱分析仪以其宽广的光谱范围(350-2500nm)、超高光能动态范围、高光谱分辨率及重现性及体积小巧坚固结实等特性被选择使用于为人类重返月球、探測火星准备的多项重要研究中,以提高人类勘探行星资源的能力。

其中之一是由NASA赞助的研究项目,地理发现操作策略测试(GeoHeuristic Operational Strategies Test-GHOST),选择了由马尔文帕纳科赞助和提供的涵盖VIS-NIR-SWIR波段的ASD TerraSpec HALO,以提高火星车样品收集的速度、效率和科学回报。该项目使用光谱仪模拟火星科学实验室(MSL)的ChemCam和2020火星车的SuperCam.

SurperCam(超级相机)于毅力号火星车位置示意图

分子在红外光谱内的吸收产生于分子振动或转动的状态变化或分子振动或转动状态在不同的能级间跃迁。能量跃迁包括基频跃迁(对应分子振动状态在相邻振动能级之间的跃迁)、倍频跃迁(对应于分子振动状态在相隔一个或几个振动能级之间的跃迁)和合频跃迁(对应于分子两种振动状态的能级同时发生跃迁)。由于近红外光谱谱峰较宽,实际样品中各种成分的吸收峰重叠严重,需要用化学计量学方法对近红外光谱进行化学成分的定量分析。

蒙脱石/黑色,伊利石/亮蓝色,白云母/深蓝色的可见-近红外光谱曲线

SuperCam超级相机桅杆单元内部(装配前)

TerraSpec Halo矿物近红外光谱分析仪是勘探地质市场上最便携的近红外(NIR)仪器,它是手持一体式全量程的仪器。扣动一下按钮,这款革命性的仪器可以即时在仪器上获得矿物分析结果。这些近乎实时显示的结果极大地加快了勘探的工作力度,提高了效率,有助于进行分析和决策,为采矿经营者节省了宝贵的时间和金钱。TerraSpec HALO还被广泛地应用于例如考古和采矿行业中,包括陶瓷、陶器的成份分析,艺术品的鉴定和修复,矿藏的勘探,开采和加工等等。


TerraSpec HALO矿物分析近红外光谱仪

TerraSpec HALO光谱库内置超过150种矿物质的700种以上的光谱,来源于大学、个人采集、国际研究所、以及美国地质勘探局(USGS)的矿物质目录,并可由客户自定义添加光谱库,以进行矿物质的快速识别,且具有GPS和语音备忘录功能。

TerraSpec HALO采用ZL的矿物质匹配算法,通过将未知物质光谱与内置矿物质谱库匹配,计算匹配矿物后,将其从未知物质光谱中被扣除。使用扣除后的未知物质光谱,继续匹配,最多可以生成7种相关矿物成份的识别。将获取光谱导入计算机Halo Manager软件中可分析多达9种矿物成份。随机自带矿物质评级显示于屏幕右侧,描述矿物结晶程度或构成性质,允许地质学家了解地质或地热的情况,以指引潜在的矿物。

参考文档:

1. https://mars.nasa.gov/mars2020/spacecraft/instruments/supercam/

2. https://finance.sina.com.cn/tech/2021-02-19/doc-ikftssap6896673.shtml

3. http://www.globenewswire.com/news-release/2019/07/16/1883283/0/en/Renowned-Researchers-Leverage-Malvern-Panalytical-s-ASD-TerraSpec-Halo-Mineral-Identifier-to-Advance-Investigation-of-Life-on-Mars.html

4. https://www.materials-talks.com/blog/2019/07/10/asd-terraspec-halo-used-in-space-based-research/

5. 徐伟杰;火星表面模拟矿物和卤水的光谱鉴别研究[D];山东大学;2018年

2021-03-02 09:32:08 743 0

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