成分含量近红外快速检测技术及系统的研究

　　1　引　　言

　　对产品的各种成分含量实施快速检测,是实现准确可靠的质量监测和生产过程控制的必要前提。常规的分析化学方法在实时性与经济成本上已不能满足实际需求。近些年在分析领域里发展迅速的近红外光谱分析技术,由于测量速度快,测试成本低,样品无需预处理,且不会遭到破坏,无需化学试剂,堪称为绿色检测技术[1],为物质多成分含量的实时无损检测提供了一种新的方法。

　　在美、日等国家,近红外光谱分析技术在一些领域已进行了应用性研究。例如在食品工业,应用于醋的生产线,检测总酸、还原糖等成分的含量[2];在生命科学领域,应用于人体血糖无创伤检测[3]。此项技术在我国起步较晚,虽然近几年在农业[4]、石油化工[5]等领域取得了很大的进展,但目前国内基于声光可调谐滤光器(AOTF)分光原理的近红外光谱分析技术的应用研究还很少,这里探索性地研究了它的基本方法和测量系统组成,目的在于对各行业非破坏快速检测,尤其是工业现场在线分析提供参考。

　　2　测量原理

　　近红外光谱含有物质分子结构的丰富信息,可用来分析物质的成分含量。近红外光谱分析技术不同于传统的其它波段的光谱分析方法,近红外是分子振动的倍频和合频光谱波段,主要是X-H键(X为C,O,N等)的吸收,它几乎包括了有机物中所有的含氢基团信息。根据朗伯-比耳吸收定律(Lambert-Beer Law)[5]:

　　其中:A—吸光度;L—光程长;c—吸收物的浓度;α—吸光系数(波长的函数);n—溶液中物质成分个数。含有这些基团的有机物以及与其结合的无机物样品随着成分含量的变化,其光谱特征也将随之发生变化。通过化学计量理论对样品光谱和成分浓度进行关联,建立校正模型,然后通过校正模型和未知浓度的样品的光谱信息来预测样品的组成。由于物质近红外吸收峰重叠严重,吸收强度较弱,很难由单一波长对其成分含量进行直接测定,因此需要通过化学计量理论在多波长下对吸光度微小差别所产生的微弱信号进行有效的提取,这一特性要求光谱测量仪器具有较高的信噪比和光谱分辨率。

　　近红外光谱分析技术是一种间接测量技术,化学计量理论所支撑的建模分析是它的一个重要不可分割的组成部分。建模所占比重和实现难度远高于传统仪器中的软件。

　　3　测量系统

　　3.1　分光方案的选择

　　根据实际应用的要求选择分光分析方法及分光器件,应主要考虑5个因素:分光速度;波长分辨率;光谱范围;光能利用率;器件的尺寸。常用的分光分析方法主要有4种,即衍射光栅型(时间扫描型和空间多通道型);声光可调谐滤光器(AOTF)型;傅立叶变换型;以及各种组装型(如多个光学滤波器或者多个单色光源的组合)。在实际应用中,在线实时测量要求较高的分光速度;微弱信号检测要求较高的光能利用率;多种成分的同时测量要求宽广的光谱范围;工业现场应用要求小尺寸,稳定可靠的分光器件。