近紅外光譜儀的原理

lai萊恩儀表

近紅外光譜儀的原理主要基于物質對近紅外光的吸收特性，以下是其原理的詳細解釋：

1.分子振動與能級躍遷

-近紅外光譜主要是由于分子振動的非諧振性使分子振動從基態向高能級躍遷時產生的。分子中的化學鍵（如C-H、O-H和N-H鍵等）在受到特定波長的近紅外光照射時，會吸收光子的能量，導致分子振動能級的躍遷。不同化學鍵或官能團具有不同的振動頻率，因此會吸收特定波長的近紅外光，產生相應的吸收峰。

2.測量方式

-透射模式：適用于清澈、透明的均勻液體樣品。光源發出的近紅外光透過樣品，部分光被樣品吸收，剩余的光被探測器檢測到。根據朗伯比爾定律，吸光度與光程及樣品濃度呈正比關系，通過測量吸光度可以計算出樣品中待測成分的濃度。

-漫反射模式：可用于粉、塊、片、絲等固體樣品，以及膏、糊等半固體樣品的測量。近紅外光照射到樣品上時，會發生漫反射和吸收現象。雖然漫反射光譜不符合朗伯比爾定律，但經過研究發現，漫反射的吸光度與濃度在一定條件下具有線性關系，因此可通過建立校正模型來定量分析樣品的成分。

-漫透射模式：常用于藥片、濾紙狀樣品、薄層狀樣品的近紅外光譜測量。入射光照射不太厚的固體樣品時，光在樣品內部進行透射和漫反射，最后透過樣品在光譜儀上記錄光譜，其光譜吸光度與組分濃度為線性關系。

-透反射模式：是在樣品溶液后方放置一塊反光鏡，入射光通過樣品后經反射鏡反射后再次進入樣品溶液，在入射光相同一側測定透反射光譜。該模式下光通過樣品二次，光程是普通透射光譜光程的二倍，其吸光度與濃度也為線性關系。

3.光譜數據處理與分析

-預處理：由于樣品的狀態、測量條件等因素可能會對光譜數據產生影響，因此需要對原始光譜數據進行預處理，以消除噪聲、背景干擾等不利因素。常用的預處理方法包括平滑、基線校正、歸一化等。

-定性分析：通過比較樣品的近紅外光譜與已知物質的光譜，可以確定樣品中是否含有某種特定的化學成分或官能團。例如，如果一個樣品的近紅外光譜在某個特定的波長處有明顯的吸收峰，且該吸收峰與某種已知物質的特征吸收峰相匹配，那么就可以初步判斷該樣品中含有這種已知物質。

-定量分析：利用化學計量學方法，如多元線性回歸、主成分分析、偏最小二乘回歸等，建立光譜數據與樣品中待測成分含量之間的定量關系模型。首先需要收集一定量有代表性的已知成分含量的樣品作為訓練集，測量其近紅外光譜圖，并使用標準分析方法測定其參考數據。然后通過化學計量學方法對光譜數據進行處理，將其與參考數據關聯，建立校正模型。在實際分析時，將待測樣品的光譜圖代入校正模型中，即可計算出樣品中待測成分的含量。

綜上所述，近紅外光譜儀憑借其獨特的原理，在多個領域有著廣泛的應用前景。隨著技術的不斷發展和完善，近紅外光譜儀將在更多領域發揮重要作用，為人們的生產生活帶來更多便利。

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