近红外光谱仪(杭州聚光)教学提纲

1、近红外光谱仪(杭州聚光) 1 基本知识基本知识 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 102 104 106 108 1010 10-3 10-1 1 10 102 103宇宙线光 波X射线微 波短 波紫外线真空紫外线软X射线可见光近红外线中红外线 一. 红外光谱原理光谱分析仪，是一种用于测量发光体的辐射光谱，即发光体本身的指标参数的仪器。 工作原理工作原理分析原理是将光源辐射出的待测元素的特征光谱通过样品的蒸汽中待测元素的基态原子所吸收，由发射光谱被减弱的程度，进而求得样品中待测元素的含量，它符合郎珀-比尔定律 A= -lg I/I o= -lgT = KCL 式中I为透射光强

2、度，I0为发射光强度，T为透射比，L为光通过原子化器光程由于L是不变值所以A=KC。 物理原理物理原理 任何元素的原子都是由原子核和绕核运动的电子组成的，原子核外电子按其能量的高低分层分布而形成不同的能级，因此，一个原子核可以具有多种能级状态。 能量最低的能级状态称为基态能级（E0=0），其余能级称为激发态能级，而能最低的激发态则称为第一激发态。正常情况下，原子处于基态，核外电子在各自能量最低的轨道上运动。 如果将一定外界能量如光能提供给该基态原子，当外界光能量E恰好等于该基态原子中基态和某一较高能级之间的能级差E时，该原子将吸收这一特征波长的光，外层电子由基态跃迁到相应的激发态，而产生原子吸

3、收光谱。 电子跃迁到较高能级以后处于激发态，但激发态电子是不稳定的，大约经过10-8秒以后，激发态电子将返回基态或其它较低能级，并将电子跃迁时所吸收的能量以光的形式释放出去，这个过程称原子发射光谱。可见原子吸收光谱过程吸收辐射能量，而原子发射光谱过程则释放辐射能量。 红外分析原理红外分析原理有机物以及部分无机物分子中化学键结合的各种基团（有机物以及部分无机物分子中化学键结合的各种基团（C=C，N=C，O=C，O=H，N=H）的运动（伸缩、振动、弯曲等）的运动（伸缩、振动、弯曲等）都有它固定的振动频率。当分子受到红外线照射时，被激发都有它固定的振动频率。当分子受到红外线照射时，被激发产生共振，同

4、时光的能量一部分被吸收，测量其吸收光，可产生共振，同时光的能量一部分被吸收，测量其吸收光，可得到极为复杂的图谱，这种图谱表示被测物质的特征得到极为复杂的图谱，这种图谱表示被测物质的特征4。不。不同物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，每种成分都有特定同物质在近红外区域有丰富的吸收光谱，每种成分都有特定的吸收特征，这就为近红外光谱定量分析提供了基础。的吸收特征，这就为近红外光谱定量分析提供了基础。 红外分析特点：1.适合分析含C-H，O-H，N-H等基团化合物;2.不同的基团和同一基团在不同化学环境中的吸收波长有明显差别；3.可使用较长的光程（约780nm-2526nm）；4.吸收系数小 ,样品不经

5、稀释就可直接测量；5. 痕量污染对测量的干扰不大；6.近红外各谱带宽和交叠多;7.无近红外光谱吸收的物质也能够通过它对共存的本体物质影响引起的光谱变化，间接地反映它存在的信息；8可测量形式如漫反射、透射和反射各种各样的物态样品的光谱 。 同一官能团在不同物质里吸收位置不同（地开石，明矾石，叶蜡石， 高岭石）光谱仪的分类光谱仪的分类（1）.经典光谱仪经典光谱仪 建立在空间色散空间色散原理上 ，都是狭缝狭缝光谱仪器 （2）.新型光谱仪新型光谱仪 建立在调制调制原理上，是非空间分光非空间分光的,它采用圆孔进光圆孔进光 根据色散组件的分光原理根据色散组件的分光原理 1. 棱镜光谱仪棱镜光谱仪 2. 衍

6、射光栅光谱仪衍射光栅光谱仪 3.干涉光谱仪干涉光谱仪经典光谱仪器经典光谱仪器近红外光谱分析仪 样品测量类型：漫反射技术仪器分光类型：单光路光栅扫描型二、近红外仪的结构工作原理切 光器透 镜光 栅及反射镜 光 源 积 分 球图 框 路光CCD红外光谱仪结构示意图无移动部件型(CCD)光栅扫描型便携式近红外光谱仪光 源统系样取 光 学 系 统放大系统A/D 模块 单 片 机 主 机扫描驱动系统图框体总统系切光器 样机模型三、便携式近红外仪分光系统（单色器）：光栅扫描型体积小，价格适中，精度满足要求1、傅立叶干涉型的光谱仪精度高，重复性好，但其造价高，且其核心器件傅立叶干涉仪大且重，无法做成便携式；

7、2、滤光片型不能进行全谱测量，精度不够 采用光栅扫描型的原因采用光栅扫描型的原因1、多光路的仪器信号强，易于提高信噪比，重复性易于得到保证，但光学元件过多，光程长，体积难以做小；2、单光路仪器可以做小，且通过电路的加强和光路的改进，可以使信噪比达到要求，由于测量时间短，重复性能得到保证； 光栅扫描型光谱仪分为： 单光路和多光路单光路的扫描型仪器图分光系统原理图入射狭缝S1出射狭缝S2离轴抛物镜M1平面光栅单色仪反射镜M2光栅G光电倍增管光源凸透镜如图所示，光源发出的光聚焦在狭缝S1处，而S1恰好处于离轴抛物镜M1的焦面上，所以入射光成为平行光射向光栅G。光栅表面有着细密的刻纹，它的作用与棱镜类

8、似，都可以将一束混合平行成出射光分解角不同的各路单色光。这一系列分开的单色光最终经反射镜M2反射后会聚成像在不同的位置。如果我们控制光栅G，使其绕轴缓慢转动，则各路出射光的像点也会跟着移动，这样相应波长的光就会依次射出狭缝S2，这就是平面光栅单色仪的分光原理。图中的光电倍增管是一种光电转换器件，它的作用是将光信号转换成电信号并放大，以便输入外围检测电路测量出强度大小。转动光栅，测出各不同波长的光分量对应的信号强度，我们就可以得到光源的能谱曲线。当然，即使入射光的能谱是均匀的，最终的电信号响应也很可能随出射光波长而变。这就需要我们在处理电信号时将系统的波长相关非线性响应特性考虑进去。平面光栅的分

9、光作用右图是平面光栅的分光示意图。一束白光射向光栅，由于光栅表面有序的细密条纹，光波在其表面上产生衍射和干涉，最后各波长分量被分解开来。我们知道棱镜也有类似的分光功能，那为什么本实验要用光栅而不是棱镜呢？这是因为，相对与棱镜，光栅的分光能力更强，并且更容易定标（出射光的波长与光栅的转角有着简单的对应关系）。外光路与内光路的匹配d入射狭缝S1凸透镜离轴抛物面镜M1l由于入射狭缝S1恰好处于离轴抛物镜的焦点上，所以光源经过凸透镜聚焦后必须成像在入射狭缝处，这样才能使入射光在离轴抛物镜的作用下变成平行光；同时为使光栅起到较好的分光效果，入射光应刚好照射满整个抛物面镜，这就对入射光的张角大小有一定的要

10、求，通过调节凸透镜和狭缝的距离可以满足这一要求，如右边的公式所示，其中D和f分别是抛物面镜的宽度和焦距。Dfd/l=D/f=1/6.7程序：先定凸透镜位置再定光源位置 对样品红外分析方式漫反射原理图 便携式红外仪对样品测量便携式红外仪对样品测量方式：漫反射方式：漫反射 样品池结构图样品池结构图（利用积分球使光变得均匀）自然界中的一切物体，只要温度高于绝对温度(-273)就存在分子和原子无规则的运动，其表面就不断地辐射红外线。所以近红外光谱仪器面临很大的环境噪声的干扰。鉴于它有以上的特点，所以在开发中有以下问题要重点解决。1、避开杂散光的干扰，必须有较强的抗干扰能力；2、系统的信噪比要高；3、必

11、须使用短焦距的光学器件以减小体积； 存在的问题存在的问题1、对光源的光进行切光，使其变为 频域的光，从而避开自然光的干扰。并可避免信号处理上的一大难题对微弱直流信号放大; 2、由于体积限制不能使用长焦距光学元件，限制了光能的利用率。可以把原来的一个透镜改为两个面积较大的透镜，从而使光的利用率有所提高; 方案解决方案解决3.通过对比试验测的光纤取样法由于缺少耦合探头使得反射光损失太大，从而采用积分球作为探头，并确定了用法，使得光信号得到了最大利用，提高了信噪比，同时可降低光源的功率。 四.便携式红外光谱仪应用范围用于粮食、饲料、肉类、奶制品、水果、蔬菜的成分测定和纺织工业及制药业中，且不破坏样品1.体积小；体积小；2.重量轻；重量轻；3.功耗小；功耗小；4.抗干扰性好抗干扰性好。便携式光谱分析仪器的特点便携式光谱分析仪器的特点近红外可分析的样品状态块状、气体、粉末、液体，且无需预处理，不损坏样品 由于近红外光在常规光纤中有良好的传输特性，且其仪器较简单、分析速度快、非破坏性和样品制备量小、几乎适合各类样品（液体、粘稠体、涂层、粉末和固体）分析、多组分多通道同时测定等特点 美国热电（收购瑞士ARL） 德国斯派克 德国布鲁克 日本岛津国际上知名厂家 五、聚光SupNIR系列产品介绍 1.聚光Su