高灵敏度光声光谱仪及其生物学应用研究

现代近红外光谱分析仪工作原理

现代近红外光谱分析仪工作原理 现代近红外光谱分析仪工作原理 2011年02月08日 20世纪90年代初,外国厂商开始在我国销售近红外光谱分析仪器产品,但在很长时间内，进展不大，其原因主要是：首先，近红外光谱分析要求光谱仪器、光谱数据处理软件（主要是化学计量学软件）和应用样品模型结合为一体，缺一不可。但被分析样品会由于样品产地的不同而不同，国内外的样品通常有差异，因此，进口仪器的应用模型一般不适合分析国内样品。如果自己建立模型，就需要操作人员了解和熟悉化学计量学知识和软件，而外商在中国的代理机构缺乏这方面的专业人才，不能有效地根据用户的需要组织培训，因此，用户对这项技术缺乏全面了解，影响到了它的推广使用。其次，进口仪器价格昂贵，售后技术服务费用也往往超出大多数用户的承受能力。 现代近红外光谱分析技工作原理 近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的。近红外光谱记录的是分子中单个化学键的基频振动的倍频和合频信息，它常常受含氢基团X-H（X-C、N、O）的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X-H振动的倍频和合频吸收。 由于倍频和合频跃迁几率低，而有机物质在NIR光谱区为倍频与合频吸收，所以消光系数弱，谱带重叠严重。因此从近红外光谱中提取有用信息属于弱信息和多元信息，需要充分利用现有的光机技术、电子技术和计算机技术进行处理。计算机技术主要包括光谱数据处理和数据关联技术。光谱数据处理是消除仪器因素（灯及测量方式等）环境因素（如温度等）和样品物态（如颜色、形态等）等对光谱的影响。常采用的方法有平滑、微分、基线漂移扣减、多元散射校正（MSC）和有限脉冲响应滤波（FIR）等也可以用小波变换来进行部分处理。数据关联技术主要是化学计量学方法。化学计量学的发展使多组分分析中多元信息处理理论和技术日益成熟，解决了近红外光谱区重叠的问题。通过关联技术可以实现近红外光谱的快速分析。在近红外光谱的应用中我们所关心的是被测样品的组成或各种物化性质，因此，如何提取这些有用信息是近红外光谱分析的技术核心。现在的许多研究与应用表明，

光谱仪的分类

光谱仪的种类很多，分类方法也很多，根据光谱仪所采用的分解光谱的原理，可以将其分成两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散（分光）原理上的仪器；新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器，故又称为调制光谱仪。 经典光谱仪依据其色散原理可将仪器分为： 棱镜光谱仪 衍射光栅光谱仪干涉光谱仪 根据接收和记录光谱的方法不同，光谱仪可分为： 根据光谱仪器的工作原理可以分成两大类：一类是基于空间色散和干涉分光的经典光谱仪；另一类是基于调制原理分光的新型光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。 光源和照明系统可以是研究的对象，也可以作为研究的工具照射被研究的物质。一般来说，在研究物质的发射光谱如气体火焰、交直流电弧以及电火花等激发试样时，光源就是研究的对象；而在研究吸收光谱、高利通拉曼光谱或荧光光谱时，光源则作为照明工具（如汞灯、红外干燥灯、乌灯、氙灯、LED、激光器等等）。 看谱仪摄谱仪 光电直读光谱仪光电光谱仪光电单色仪分光光度计根据光谱仪器所能正常工作的光谱范围，光谱仪可分为： 真空紫外（远紫外）光谱仪（6200）紫外光谱仪（185400）可见光光谱仪（380780）近红外光谱仪（780μ）红外光谱仪（2.550μ）远红外光谱仪（50μ1） 根据仪器的功能及结构特点，光谱仪可分为下列类型： 1、单色仪 平面光栅单色仪 凹面光栅单色仪 棱镜单色仪双单色仪 2、发射光谱仪 火焰光度计看谱仪摄谱仪光电光谱仪谱线测量光谱仪 3、吸收光谱仪 真空紫外分光光度计可见分光光度计紫外可见分光光度计 双波长分光光度计红外分光光度计原子吸收分光光度计 4、荧光光谱仪 原子荧光光度计荧光光度计 荧光分光光度计荧光检测计 5、调制光谱仪

近红外光谱仪的性能指标

近红外光谱仪器的主要性能指标 北京英贤仪器有限公司销售工程师王燕岭 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。[1]

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，同样也会影响最终分析结果的准确性。一般仪器波长的重现性应好于0.1nm。[1] 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最高吸光度与最低

紫外线可见光光谱仪UV-vis光激发光光谱仪

本專題研究利用動態光散射(DLS)、紫外線可見光光譜儀(UV-vis)、光激發光光譜儀(PL)及偏光顯微鏡(POM)來探討聚噻吩共軛高分子(P3HT)在二甲苯溶液中的相分離行為對其光學行為的影響分析。研究中發現P3HT/二甲苯溶液隨老化時間條件下對溶液中的分子聚集結構變化及凝膠變化導致P3HT/二甲苯溶液隨老化時間增加呈現顏色變深行為(時間誘導變色性)；相對的在升溫過程下P3HT/二甲苯溶液中的聚集結構或結晶化結構形成瓦解並導致P3HT/二甲苯溶液隨溫度增加呈現顏色變淺行為(溫度誘導變色性)。因此進一步利用光譜分析P3HT/二甲苯溶液在不同條件下誘導光變色行為分析。在P3HT/二甲苯於不同濃度條件下由UV-vis吸收光譜及PL光激發光光譜圖發現當溶液的濃度增加，P3HT/二甲苯溶液之0-0單重態能量轉移光激發光峰呈現明顯的往長波長方向偏移(紅移(顏色變深)行為)，相對的由光激發光行為得知PL光激發光波長位在約570~580nm也為0-0單重態能量轉移並意味為單獨P3HT共軛高分子的主要發光波長。隨著濃度升高或老化過程的增加在P3HT/二甲苯溶液中的聚集結構及其的結晶化結構也誘導發展出兩個640nm及690nm(為0-1及0-2較低能量的單重態能量轉移)的光激發光峰強度明顯隨老化時間及高分子濃度增加而增加，這些現象均表示在P3HT/二甲苯溶液體系中將有明顯的P3HT共軛高分子鏈之間的聚集結構產生(並誘導形成結晶化)而降低共軛高分子間的能量轉移，因此由0-0單重態轉變成0-1及0-2較低能量的轉移。相對的，P3HT/二甲苯凝膠隨溫度的增加而瓦解並熔融形成均一性溶液，這現象意味P3HT聚集結構(及其結晶)再升溫過程中逐漸消失，因此P3HT/二甲苯凝膠的PL光激發光或UV-vis吸收光譜中的吸收峰將逐漸下降而消失導致光譜圖的藍移行為，因此在溫度及老化效應對光變色性P3HT/二甲苯溶液研究中發現P3HT/二甲苯溶液中的聚集結構及其結晶度將隨外在條件而產生明顯的改變。

近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计

中图分类号:TP212 文献标识码:B 文章编号:1009-2552(2008)05-0013-03 近红外光谱仪CMOS图像传感器驱动电路设计 黄玉斌,温志渝 (重庆大学微系统研究中心,重庆400044) 摘　要:简单介绍了一种典型的C MOS图像传感器G9*******D,主要用于近红外光谱仪的设计。 介绍了此传感器的的驱动电路的设计过程,具体介绍了驱动电路中驱动电压和驱动时序的设计过程。驱动时序基于CP LD器件设计,采用VH D L语言编写程序简化了硬件逻辑设计过程,电路简洁,控制可靠。 关键词:C MOS图像传感器;驱动电路;CP LD;VH D L Drive circuit’s design for CMOS im age sensor of near infrared spectrograph HUANG Y u2bin,WE N Zhi2yu (Micro2system R esearch Center of Chongqing U niversity,Chongqing400044,China) Abstract:This article introduces a typical C MOS image sens or G9*******D,it main used for the design of near in frared spectrograph.It presents a method of the drive circuit’s design for this sens or,especially the design of drive v oltage and drive time sequence.The design of the drive time sequence is based on CP LD,and uses VH D L language to program,sim plifying the process of the hardware’s logic design,s o the circuit is to be sim ple and to be relying on control. K ey w ords:C MOS image sens or;drive circuit;CP LD;VH D L 0　引言 对一款性能优良的近红外光谱仪来说,拥有一个良好的信号采集电路系统是十分必要的。而图像传感器作为光谱仪的核心器件图像传感器,它的驱动电路的设计好坏直接影响光谱仪的性能,所以对图像传感器驱动电路的设计就变得十分重要。本文提及的近红外光谱仪所用到的图像传感器是一种C MOS图像传感器。 近几年来各种图像传感器及其系统大量涌现,发展速度惊人,性能水平日益提高,应用领域不断扩大,随着超大规模集成技术的发展,C MOS图像传感器发展强劲,现在的一些参数性能指标已达到或超过CC D,与传统的CC D图像传感器比较而言,C OMS 传感器虽图像的噪声偏大,但有功耗低、成本低,体积小,集成度高的优点。本文中所采用的C M OS 图像传感器,是由某公司研制生产的一种型号为G9*******D铟镓砷(InG aAs)近红外光谱图像探测器(以下简称NIR)。本文主要探讨的是,针对此类典型的C M OS图像传感器,设计一种保证传感器正常工作的基于CP LD的驱动电路。 1　CMOS图像传感器G9*******D G9*******D是一种高精度高稳定性铟镓砷线阵图像探测器,适合应用于近红外光谱区域,其可探测光谱范围为900nm到1700nm。其有效像素数为256,像素间距50μm,像素尺寸50μm(H)×500μm(V)。 G9*******D内部的电荷放大器阵列由C MOS晶体管组成,移位寄存器、时序发生器以及相关二次采样器(C DS)与铟镓砷光电二极管阵列集成在一起,其内部信号处理电路部分的反馈电容C f,可以通过传感器外部电路进行选择(C f=10pf或者C f=0.5pf), G9*******D的实物和内部结构如图1所示。 收稿日期:2007-10-15 基金项目:科技部国际合作项目(2006DF13510);重庆市科技攻关计划项目(CSTC,2006AB2006) 作者简介:黄玉斌(1981-),男,2004年毕业于重庆大学通信学院,现为重庆大学光电学院仪器科学技术专业硕士研究生, 主要研究方向为信息获取与处理。

近红外光谱分析仪的组成

近红外光谱分析仪的组成 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

光谱仪简介解析

光谱仪简介 一、光谱仪 光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。 当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。利用每个波长离开光栅的角度不同，由聚焦反射镜再成像出射狭缝。通过电脑控制可精确地改变出射波长。 光栅基础 光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。为更好协助各位使用者选择，在此做一简要介绍。 光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。 如何选择光栅 选择光栅主要考虑如下因素： 1、闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。 2、光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。 3、光栅效率，光栅效率是衍射到给定级次的单色光与入射单色光的比值。光栅效率愈高，信号损失愈小。为提高此效率，除提高光栅制作工艺外，还采用特殊镀膜，提高反射效率。 光栅方程 反射式衍射光栅是在衬底上周期地刻划很多微细的刻槽，一系列平行刻槽的间隔与波长相当，光栅表面涂上一层高反射率金属膜。光栅沟槽表面反射的辐射相互作用产生衍射和干涉。对某波长，在大多数方向消失，只在一定的有限方向出现，这些方向确定了衍射级次。如图1所示，光栅刻槽垂直辐射入射平面，辐射与光栅法线入射角为α，衍射角为β，衍射级次为m，d为刻槽间距，在下述条件下得到干涉的极大值：Mλ=d（sinα+sinβ） 定义φ为入射光线与衍射光线夹角的一半，即φ=(α-β)/2；θ为相对于零级光谱位置的光栅角，即 θ=(α+β)/2,得到更方便的光栅方程： mλ=2dcosφsinθ 从该光栅方程可看出： 对一给定方向β，可以有几个波长与级次m相对应λ满足光栅方程。比如600nm的一级辐射和300nm的二级辐射、200nm的三级辐射有相同的衍射角，这就是为什么要加消二级光谱滤光片轮的意义。 衍射级次m可正可负。 对相同级次的多波长在不同的β分布开。 含多波长的辐射方向固定，旋转光栅，改变α，则在α+β不变的方向得到不同的波长。 光栅单色仪重要参数： 分辨率 光栅单色仪的分辨率R是分开两条临近谱线能力的度量，根据罗兰判据为： R=λ/Δλ

如何选择近红外光谱仪

如何选择近红外光谱仪 初从事近红外光谱分析的人员常常会提出这样的问题：什么样的近红外光谱仪器最好？如何选择一台合适的近红外光谱仪器？实际上，“最好”仪器的定义是很难确定的，“最好”的仪器也是不存在的。因为对某一特定的仪器所提出的各项要求是随着所需要解决的具体问题的不同而有所差异的。为了帮助使用者根据特定的需要选择合适的仪器，本文将根据不同类型、不同设计方式近红外光谱仪器的特点向选用者作简要介绍，以供参考。 为了使近红外光谱获得可靠的分析结果，近红外光谱仪器必须按照详细的技术规格设计生产。以下表1[1]反应的就是现在近红外光谱仪器的规范。当然也是使用者选择仪器时的主要依据。 表1 对现代近红外光谱仪器的要求 近红外光谱仪器不管按何种方式设计，一般由光源、分光系统、测样器件、检测器、数据处理系统和记录仪（或打印机）等6部分构成。 近红外光谱仪的分类方式比较多，但市场上分类主要还是按照仪器的分光器件不同来分，一般可分为4种主要类型：滤光片型、光栅色散型、傅立叶变换型和声光调制滤

光器型。其中光栅色散型又有光栅扫描单通道和非扫描固定光路多通道检测之分。 滤光片型近红外光谱仪器可分为固定滤光片和可调滤光片两种形式。固定滤光片型光谱仪是近红外光谱仪器的最早设计形式，这种仪器首先要根据测定样品的光谱特征选择适当波长的滤光片。该类型仪器的特点是设计简单、成本低、光通量大、信号记录快、坚固耐用；但这类仪器只能在单一波长下测定，灵活性较差，如样品的基体发生变化，往往会引起较大的测量误差。可调滤光片型光谱仪采用滤光轮，可以根据需要比较方便地在一个或几个波长下进行测定。这种仪器一般作专用分析，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。 扫描型仪器通过光栅的转动，使单色光按波长高低依次通过测样器件，与样品作用后，进入检测器检测。与滤光片型的近红外光谱仪器相比，色散型近红外光谱仪器具有可实现全谱扫描、分辨率较高、仪器价位适中和便于维护等优点，其最大的弱点是光栅或反光镜的机械轴承长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性，抗震性较差，一般不适合作为过程分析仪器使用。 傅立叶变换光谱技术是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅立叶积分变换的方法来测定和研究光谱的技术。与传统的色散型光谱仪相比，傅立叶变换光谱仪能同时测量、记录所有波长的信号，并以更高的效率采集来自光源的辐射能量，具有更高的波长精度、分辨率和信噪比。但由于干涉仪中动镜的存在，仪器的在线长久可靠性受到一定的限制，另外对仪器的使用和放置环境也有较高的要求。 声光可调滤光器（Acousto-optic Tunable Filter，缩写为AOTF）是利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件。用AOTF作为分光系统，被认为是90年代近红外光谱仪器最突出的进展。与传统的单色器相比，采用声光调制产生单色光，即通过超声射频的变化实现光谱扫描。光学系统无移动部件，波长切换快、重现性好，程序化的

光谱中红外,紫外,可见光的光谱范围

可见光 指能引起视觉的电磁波。可见光的波长范围在0.77～0.39微米之间。波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同。0.77～0.622微米，感觉为红色；0.622～0.597微米，橙色；0.597～0.577微米，黄色；0.577～0.492微米，绿色；0.492～0.455微米，蓝靛色；0.455～0.39微米，紫色。 可见光是电磁波谱中人眼可以感知的部分，可见光谱没有精确的范围；一般人的眼睛可以感知的电磁波的波长在400到700纳米之间，但还有一些人能够感知到波长大约在380到780纳米之间的电磁波。正常视力的人眼对波长约为555纳米的电磁波最为敏感，这种电磁波处于光学频谱的绿光区域 人眼可以看见的光的范围受大气层影响。大气层对于大部分的电磁波辐射来讲都是不透明的，只有可见光波段和其他少数如无线电通讯波段等例外。不少其他生物能看见的光波范围跟人类不一样，例如包括蜜蜂在内的一些昆虫能看见紫外线波段，对于寻找花蜜有很大帮助。 红外光谱 红外光谱（infrared spectra），以波长或波数为横坐标以强度或其他随波长变化的性质为纵坐标所得到的反映红外射线与物质相互作用的谱图。按红外射线的波长范围，可粗略地分为近红外光谱（波段为0.8～2.5微米）、中红外光谱（2.5～25微米）和远红外光谱（25～1000微米）。对物质自发发射或受激发射的红外射线进行分光，可得到红外发射光谱，物质的红外发射光谱主要决定于物质的温度和化学组成；对被物质所吸收的红外射线进行分光，可得到红外吸收光谱。每种分子都有由其组成和结构决定的独有的红外吸收光谱，它是一种分子光谱。分子的红外吸收光谱属于带状光谱。原子也有红外发射和吸收光谱，但都是线状光谱。 量子场论或量子电动力学可以正确地描述和解释红外射线（一种电磁辐射）与物质的相互作用。若采用半经典的理论处理方法，即对组成物质的分子和原子作为量子力学体系来处理，辐射场作为一种经典物理中的电磁波并忽略其光子的特征，则分子红外光谱是由分子不停地作振动和转动而产生的。分子振动是指分子中各原子在平衡位置附近作相对运动，多原子分子可组成多种振动模式。当孤立分子中各原子以同一频率、同一相位在平衡位置附近作简谐振动时，这种振动方式称简正振动。含N个原子的分子应有3N－6个简正振动方式；如果是线性分子，只有3N－5个简正振动方式。图中示出非线性3原子分子仅有的3种简正振动模式。分子的转动指的是分子绕质心进行的运动。分子振动和转动的能量不是连续的，而是量子化的。当分子由一种振动（或转动）状态跃迁至另一种振动（或转动）状态时，就要吸收或发射与其能级差相应的光。 研究红外光谱的方法主要是吸收光谱法。使用的光谱有两种类型。一种是单通道或多通道测量的棱镜或光栅色散型光谱仪，另一种是利用双光束干涉原理并进行干涉图的傅里叶变换数学处理的非色散型的傅里叶变换红外光谱仪。 红外光谱具有高度的特征性，不但可以用来研究分子的结构和化学键，如力常数的测定等，而且广泛地用于表征和鉴别各种化学物种。 紫外光谱 紫外光谱是分子中某些价电子吸收了一定波长的电磁波，由低能级跃近到高能级而产生的一种光谱，也称之为电子光谱。目前使用的紫外光谱仪波长范围是200~800nm。其基本原理是用不同波长的近紫外光（200~400nm）依次照一定浓度的被测样品溶液时，就会发现部分波长的光被吸收。如果以波长λ为横坐标（单位nm），吸收度（absorbance）A为纵坐标作图，即得到紫外光谱（ultra violet spectra，简称UV）。

光谱仪简介

光谱仪 spectrometer 又称分光仪。以光电倍增管等光探测器在不同波长位置，测量谱线强度的装置。其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上(或扫描某一波段)进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。 光谱仪简介： 光谱仪( Spectroscope)是将成分复杂的光分解为光谱线的科学仪器，由棱镜或衍射光栅等构成，利用光谱仪可测量物体表面反射的光线，。阳光中的七色光是肉眼能分的部分(可见光)，但若通过光谱仪将阳光分解，按波长排列，可见光只占光谱中很小的范围，其余都是肉眼无法分辨的光谱，如红外线、微波、紫外线、X射线等等。通过光谱仪对光信息的抓取、以照相底片显影，或电脑化自动显示数值仪器显示和分析，从而测知物品中含有何种元素。这种技术被广泛的应用于空气污染、水污染、食品卫生、金属工业等的检测中。 将复色光分离成光谱的光学仪器。光谱仪有多种类型，除在可见光波段使用的光谱仪外，还有红外光谱仪和紫外光谱仪。按色散元件的不同可分为棱镜光谱仪、光栅光谱仪和干涉光谱仪等。按探测方法分，有直接用眼观察的分光镜，用感光片记录的摄谱仪，以及用光电或热电元件探测光谱的分光光度计等。单色仪是通过狭缝只输出单色谱线的光谱仪器，常与其他分析仪器配合使用。 图片 图中所示是三棱镜摄谱仪的基本结构。狭缝S与棱镜的主截面垂直，放置在透镜L的物方焦面内，感光片放置在透镜L的像方焦面内。用光源照明狭缝S，S的像成在感光片上成为光谱线，由于棱镜的色散作用，不同波长的谱线彼此分开，就得入射光的光谱。棱镜摄谱仪能观察的光谱范围决定于棱镜等光学元件对光谱的吸收。普通光学玻璃只适用于可见光波段，用石英可扩展到紫外区，在红外区一般使用

微型近红外光谱仪系统的设计剖析

微型近红外光谱仪系统的设计 1 微型近红外光谱仪系统相关理论 1.1 近红外光谱仪系统的工作原理 近红外光谱是由于分子振动能级的跃迁(同时伴随转动能级跃迁)而产生的。近红外分析技术是依据被检测样品中某一化学成分对近红外光谱区的吸收特性而进行定量检测的一种方法，它记录的是分子中单个化学键基频振动的倍频和合频信息，它的光谱是在700--2500 nm 范围内分子的吸收辐射。这与常规的中红外光谱定义一样，吸收辐射导致原子之间的共价键发生膨胀、伸展和振动，中红外吸收光谱中包括有C-H 键、C-C 键以及分子官能团的吸收带。然而在NIR 测量中显示的是综合波带与谐波带，它是R-H 分子团(R 是O、C、N 和S)产生的吸收频率谐波，并常常受含氢基团X-H(C-H、N-H、O-H)的倍频和合频的重叠主导，所以在近红外光谱范围内，测量的主要是含氢基团X-H 振动的倍频和合频吸收。 图1.1是近红外技术的分析过程图，左侧箭头是建模过程，右侧箭头是检测过程。 图1.1近红外技术分析过程图 1.2 近红外光谱仪光学系统基本理论 在近红外光谱分析系统中，用于测量近红外光谱的近红外光谱仪是系统的基础，而分光光学系统是光谱仪的核心。 1.2.1 色散原理 色散系统是光谱分析仪器中的重要组成部分，色散系统的选择与设计直接关系到光谱仪器的性能。按其工作原理可分为空间色散型和干涉调制型。空间色散

型包括物质色散、多缝衍射和多光束干涉；而调制型主要为傅里叶变换分光、哈达玛变换分光和光栅调制分光等，这里主要介绍衍射色散分光。 在物理光学中，可以把光波看成在空间分布的标量电磁场，由于光波的波动性质，当光波通过具有一定宽度狭缝时，会发生衍射现象。如果光波同时通过两个相邻的狭缝时，由两狭缝发出的光波将在产生干涉的同时还会受到单缝衍射的调制。由此类推，对于多缝衍射，可以认为多缝衍射光强是多光束干涉光强被单缝衍射光强调制的结果，这就是衍射光栅的工作原理。衍射光栅就是利用多缝的干涉衍射效应，对于任何装置，只要它能起到等间隔地分割波阵面的作用，都可以称为衍射光栅。 采用光栅可以使光学系统结构相对简单，有利于光谱仪器的微型化，也便于光谱仪器的集成化，并且可具有较大光谱范围。实际上，现有的大多数微小型光谱仪器均采用光栅作为系统的分光元件。 1.2.2 分光光学系统像差理论及校正 光谱仪器光学系统不仅是能量传递系统，也是光谱成像系统，各类光谱仪器的光学系统会产生种种像差，从而影响光谱成像质量，使仪器的光谱分辨率下降，并且改变谱线和谱面上的光能量分布。设计光谱仪器时必须了解光学系统像差产生的原因及其对光谱仪器质量的影响，采取适当的像差校正措施，使光学系统的残留像差值减小。光学系统在单色光下工作时，会产生球差、彗差、像散、场曲和畸变五种单色光像差，这几种像差产生的原因及影响如下： 球差是轴上物点唯一的单色光像差，如果光谱仪器光学系统存在球差，则会使光谱的谱线轮廓增宽，谱线中心光强度下降，因此球差会直接影响光谱仪器的分辨率。光谱仪器光学系统的球差的影响严重时，物体的细微结构成像会变得模糊不清。 彗差是光束失去了对称性，各条光线在高斯理想像面上的交点高度各不相同所造成的成像偏差。在光谱仪器中，彗差的宏观效果是使谱线发生单边扩散现象：谱线的一边成像明晰，而另一边如同彗尾般逐渐扩展、变暗。谱线的单边扩散会造成单根谱线的中心位置偏移Δλ，也会明显地降低相邻谱线间的分辨率。 像散的产生是由于轴外物点发出的光束通过光学系统后，将在两个不同位置形成两条方位互相垂直的短焦线。在光谱仪器中，线状入射狭缝位于子午面内，

近红外光谱仪

中国矿业大学（北京） 研究生课程考试试卷考试科目现代仪器分析 考试时间2014.5.28 学号TSP130301040 姓名贾梦阳 所属学院化环学院 类别（硕士、博士、进修生）硕士 评语： 任课教师签名：

近红外光谱仪的发展概况 贾梦阳 化学与环境工程学院，中国矿业大学（北京），北京，100083 摘要：随着科技的进步, 高性能的近红外光谱分析仪器层出不穷。文章就近红外光谱分析仪器从诞生至今的发展史及包括滤光片型、傅里叶变换型、声光可调滤光型等类型的近红外光谱分析仪的工作原理、特点作了较为详细的评述, 并阐述了近红外光谱仪在煤炭行业的应用。 关键词：近红外光谱仪，原理，应用 红外线是英国科学家William于1800年发现的,当时被称为热线。虽然从发现至今, 已有200多年的历史, 但第一台实验用红外光谱分析设备的出现时间已经到了20世纪30年代。第二次世界大战的爆发推动了红外分析技术的兴起。战争期间, 人们利用红外技术分析橡胶和石油产品品质。第一台商用红外光谱仪诞生于20 世纪40 年代, 随之而来的便是红外光谱分析技术的快速发展阶段。红外光谱可分为近红外(780～2500nm)、中红外(2500～25000nm)和远红外(25000～1000000nm) 3个谱区。 红外光谱分析最初集中在对中红外谱区信息的利用, 大多数学者认为近红外谱区的信息可利用性不大, 因此近红外谱区曾被称为“被遗忘的谱区”。最早的近红外光谱仪器是一台摄谱仪, 大约在20世纪初,人们采用摄谱的方法首先获得了有机化合物的近红外光谱, 并对有关基团的光谱特征进行了解析,预示近红外光谱可能作为一种新的分析技术得到应用。随着检测器制造技术的发展(尤其出现了以PbS为光敏材料的检测器)和高性能计算机的问世,近红外光谱分析技术越来越多地吸引了学者们的兴趣。 在近红外光谱技术是利用有机化学物质在近红外光谱区的电磁波的光学特性,快速检测样品中一种或几种化学成分含量的新技术, 近年来广泛用于农业、医疗、矿业等行业, 特别是随着光谱测量技术与化学计量学学科的有机结合, 该技术在煤炭化工行业得到越来越多的应用。 1．近红外光谱仪的原理 近红外光谱的产生, 是由于分子振动的非谐振性, 使分子振动从基态向高能级的跃迁成为可能。在近红外光谱范围内, 主要研究的是含氢基团振动的倍频及合频吸收。不同的分子具有表征其结构特性的振动频率, 即对应特有的红外吸收光谱, 这是红外光谱定性分析的物理基础。近红外光谱仪器主要由光源、测样部件、光色散和检测器

红外可见光检测宝玉石剖析

《红外可见光检测宝玉石》 论文 姓名： 学号： 班级： 专业：宝石及材料工艺学

前言 彩色宝石的颜色是评价宝石的基础, 颜色的美与否决定着宝石的档次、品级和价值。大部分宝石的颜色都是宝石晶体中含有杂质或结构缺陷而产生的颜色。颜色是由吸收引起的。光吸收反映了宝石的化学成分( 呈色元素) 和品体结构( 呈色离子所在的配位体及环境) , 二者的综合信息。因此, 颜色的真伪可用吸收光谱加以鉴别。宝石在若干特定波长出现相应强度的宽带和窄带吸收便构成了有鉴定意义的特征吸收谱。紫外-可见光、红外光谱、拉曼光谱、X 荧光等大型高科技仪器在宝石鉴定中越来越占据重要位置。本文着重讨论红外-可见吸收光谱。 红外可见光吸收光谱 一、实验目的 1、了解红外可见光光谱仪的基本结构和工作原理； 2、掌握红外可见光光谱仪的基本操作流程。 二、实验原理 1、红外光谱基本理论 当一束红外光照射在矿物上时，矿物就要吸收一部分能量，同时将吸收的能量转变为分子振动能和分子转动能。 分子振动光谱：分子振动能级比分子转动能级大，当分子振动能级跃迁时伴随有分子转动能级跃迁。 分子转动光谱：出现在远红外区，它能给出分子的转动惯量、核间距离、分子的对称性。 在近红外、中红外区光子激发分子振动能级的同时，也激发分子转动能级，但不能激发电子能级跃迁。 当一束红外光照射在矿物上时，一种可能为矿物内部分子运动全部吸收，不再从矿物内部射出，另一种可能为红外光束强度大，部分能量被分子能级跃迁吸收，还有部分能量透过矿物。 有关的名词解释： 波长―二个相邻波峰（波谷）之间距离, 波长单位：微米（μ）。 波数―单位长度波振动次数（波长倒数cm-1），波数单位：厘米-1（cm-1）。

近红外光谱仪的基本工作原理

近红外光谱仪的基本工作原理: 波长在700nm – 2,500nm (4,000–14,300cm-1) 的光谱为近红外光谱。它是一种既快速(十到二十秒钟) 又简便(不需作样品前处理) 的测试手段, 这种方法的特点是对样品作一步式组份(需测的浓度大于0.01%) 分析而不需破坏样品。如果产品颜色是质量指标之一、您可选400nm-1,100nm 的图谱数据作鉴定。近红外光谱仪适用于对含有C-H, N-H, O-H 和S-H 化学键的化合物作组份分析。在700 – 2,500 nm 的近红外波长范围内, 含有上述化合键的物质(药品、烟草、食品、农作物、聚合物、石油化工产品等) 会产生吸收。一些物质除在1,450 nm 到2,050 nm 之间产生第一谐波外，往往还会分别在1,050 nm - 1,700nm 和700 nm - 1,050 nm 谱带内产生第二及第三谐波。这些谐波的组合构成了被测物质在近红外光谱带内的特征吸收谱图-指纹图。相同的近红外谱图(样品的指纹图) 一定是从相同的物质得到。这也是应用近红外光谱仪作质量管理的主导基础原理。有机物在近红外光谱带内的吸收强度比在中红外(如FT-IR) 的吸收强度弱10 到1,000 倍。由于这特殊的弱吸收优点, 近红外射线能很容易地穿透未经研片与稀释等需作预处理的非透明样品，实现透射吸收；而另一部分反射光谱也可很容易地被检测。但是如何利用近红外图谱来对原材料或产品进行质量监控呢? 答案是利用统计学理论建立被测样品的数据库或校正曲线，而统计学之成败与校正曲线(数据库) 的相互转移性有决定性的关系。在建立校正曲线或数据库之前, 近红外仪器的使用者把日常的测试样品先作近红外扫描, 然后再用传统分析法(如：GC、HPLC、TKN、FIA、折光仪、……) 准确测定出样品的数值, 具有不同指标的样品在近红外光谱中将产生不同强度的吸收图谱(不是某一吸收峰)，利用专用软件处理, 便可得到校正曲线或数据库，分析人员可利用该校正曲线或数据库方便快速地通过测定未知样品的近红外谱图得知其被测指标的数据。 近红外光谱仪在制药与石化/高聚合物工业中的应用: - 原料及成品在实验室或在线作鉴定、定性、定量- - 制药工艺过程中反应程度及反应终点的判断 - 固体或液体制剂质量控制- - 药品的指纹图和药品真伪识别 - 化工反应程度及产率、物料混合比、回流比、溶剂循环量控制 - -化工原料及产品在实验室或现场作品质鉴定、定性、定量 - 炼油、混合过程辛烷值的监控- - 化学反应过程控制及终点判定 - -反应程度、转化率、共聚组成、反应物粘度、 - 原料的品质鉴定、定性、定量 - 添加剂含量、含水率、羟基含量、聚合度 - 工程塑料后加工过程中共混比的监控 - 及反应终点的监控在线监控流动床干燥切片含水率过程 近红外光谱仪在烟草工业的应用 - 烟叶及香烟在实验室或现场作现场鉴定、定性、定量 - 制烟工艺过程中生产程度及生产终点判断 - -包装材料的质量检验 - 液体样品（如香精、香料）的质量分析

近红外光谱仪及其应用

实验四近红外光谱仪及应用 一、目的要求 1、学习并掌握近红外光谱仪的使用方法； 3、初步学会对近红外吸收光谱图的解析。 二、基本原理 近红外光（Near Infrared，NIR）是介于可见光（VIS）和中红外光（MIR）之间的电磁波，ASTM 定义的近红外光谱区的波长范围为780~2526nm （12820～3959cm1），习惯上又将近红外区划分为近红外短波（780~1100nm）和近红外长波（1100~2526nm）两个区域。 近红外光谱主要是由于分子振动的非谐振性使分子振动从基态向高能级跃迁时产生的，记录的主要是含氢基团X－H（X=C、N、O）振动的倍频和合频吸收。不同团（如甲基、亚甲基，苯环等）或同一基团在不同化学环境中的近红外吸收波长与强度都有明显差别，NIR 光谱具有丰富的结构和组成信息，非常适合用于碳氢有机物质的组成与性质测量。三、仪器和试剂 仪器：傅立叶变换近红外光谱仪（美国PerkinElmer公司Spectrum One）； 试剂、耗材： 各种纤维 四、实验内容 不同纤维的近红外吸收光谱测量 1）安装积分球，打开Perkinelmer Spectrum软件 2）设置合适的各参数（扫描范围在10000-1100cm-1，分辨率4cm-1，累计时间20s..） 3）将测量器皿放在积分球台面上，盖上白板，进行背景扫描； 4）选择两到三种纯纤维1g左右，放入测量器皿中，盖上白板，点击扫描，得到吸收光谱，导出数据，保存至文件夹。 5）选择2-3种纤维混合均匀，摊成薄膜，放入测量器皿中，盖上白板，点击扫描，得到吸收光谱，导出数据，保存至文件夹。 6）对所得到的纤维图谱进行数据处理和分析。

光谱仪的分类

光谱仪的分类 光谱仪的种类很多，分类方法也很多，根据光谱仪所采用的分解光谱的原理，可以将其分成两大类：经典光谱仪和新型光谱仪。经典光谱仪是建立在空间色散（分光）原理上的仪器；新型光谱仪是建立在调制原理上的仪器，故又称为调制光谱仪。 经典光谱仪依据其色散原理可将仪器分为：????? 棱镜光谱仪衍射光栅光谱仪干涉光谱仪 根据接收和记录光谱的方法不同，光谱仪可分为： ?????????????????? 看谱仪摄谱仪 光电直读光谱仪光电光谱仪光电单色仪分光光度计 根据光谱仪器所能正常工作的光谱范围，光谱仪可分为： ~nm ~nm ~nm nm~2.5m ~m m~mm ???????????真空紫外（远紫外）光谱仪（6200）紫外光谱仪（185400） 可见光光谱仪（380780）近红外光谱仪（780μ） 红外光谱仪（2.550μ）远红外光谱仪（50μ1） 根据仪器的功能及结构特点，光谱仪可分为下列类型： 1、单色仪??????? 平面光栅单色仪凹面光栅单色仪棱镜单色仪 双单色仪

2、发射光谱仪? ? ? ? ? ? ? ?? 火焰光度计 看谱仪 摄谱仪 光电光谱仪 谱线测量光谱仪 3、吸收光谱仪? ? ? ?? ? ? ? ? ?? 真空紫外分光光度计可见分光光度计 紫外可见分光光度计双波长分光光度计红外分光光度计 原子吸收分光光度计 4、荧光光谱仪? ? ? ? ? ?? 原子荧光光度计荧光光度计 荧光分光光度计荧光检测计 5、调制光谱仪? ? ? ? ? 傅里叶变换光谱仪阿达玛变换光谱仪栅栏调制光谱仪 6、其他光谱仪? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 激光拉曼光谱仪快速扫描光谱仪相关光谱仪 光声光谱仪 成像光谱仪 多光谱扫描仪色度仪 测色色差计 白度计