小型化近红外 (NIR) 光谱仪的原理和应用

小型化近红外 (NIR) 光谱仪的原理和应用

这篇综述文章重点介绍了小型化近红外 (NIR) 光谱仪的原理和应用。这项技术及其适用性在过去几年中取得了长足的进步，并彻底改变了多个应用领域。特别值得注意的是，这些应用具有明显的多样性，从农业和食品部门到材料科学、工业和环境研究。与成熟的台式 FTNIR 光谱仪的相当统一的设计不同，小型化仪器采用多种技术解决方案，这对其操作特性产生影响。不断的进步导致市场上出现新的仪器。目前分析 NIR 光谱的重点是评估设备和相关方法，

小规模：小型化光谱仪通过为这种已经成熟的分析技术开辟新的应用范围，彻底改变了近红外光谱。这篇综述介绍了这个蓬勃发展的领域中的当前问题。强调了基础技术的多样性、小型化与性能以及旨在确定这些设备适用性的系统可行性研究的非常活跃的研究领域。

关键词：分析方法，手持设备，红外光谱，小型化光谱仪，近红外光谱

一、简介

近红外 (NIR) 光谱作为一种无损分析技术获得了显着的价值，并已成为多个应用领域的首选工具。 [ 1 , 2 ] 它在实际应用中的主要优势，1) 适用于各种样品；2）快速、无创分析，与能够进行现场分析的自主、便携式光谱仪形成良好的协同作用。此类 NIR 光谱仪在过去十年中出现，并导致该技术实际应用发展的重大飞跃。 [ 3 , 4 ] 然而，与小型化光谱仪的特性相关的几个问题已经变得明显。与 FTNIR 台式光谱仪的成熟设计相比，手持设备的统一性要差得多，并且实现了多样化和新颖的技术解决方案。这导致微型光谱仪与实验室仪器以及每个型号之间的性能曲线不同。最明显的区别是紧凑型设备操作时光谱区域较窄和/或光谱分辨率较低。由于这些原因，当前的研究重点是对此类设备在各种应用中的适用性限制和分析性能进行彻底的系统评估。本次审查的范围是提供有关小型化 NIR 光谱仪的综合信息，

1.1. 小型化近红外光谱应用的实际重要性和剩余挑战

近红外光谱在分析化学中的价值源于物理化学和仪器的综合原因。这些将在第 2.1 和 2.2 节中简要讨论。在这里，应该关注在各种实际角色中采用 NIR 光谱背后的主要驱动因素。通常，它是时间效率低且资源密集的传统分析方法（如 HPLC）的可行替代方案。在已建立的 NIR 光谱分析框架内，这些苛刻的方法只需要一次，它们的作用是为后续校准提供参考数据。一旦建立了可靠的校准模型，该模型将测得的 NIR 光谱与样品的给定特性（例如，所选化合物的浓度或可从参考分析中获得的一组化合物的浓度）联系起来， [5] 因此，近红外光谱应用的最大收益是在分析中，其中使用了大量具有相对均匀特性的样品。因此，近红外光谱被广泛用于农业和各个行业的高通量分析。在这种高效、短时间出结果的方法中，瓶颈限制最初是仍然不可避免的光谱测量实验室设置。因此，自主、便携式 NIR 光谱仪的出现可以被视为几个既定角色的重大突破。此外，这一飞跃提供了全新的、以前无法实现的应用程序的开发。需要直接在现场进行光谱测量的场景成为可能，这一因素引起了人们的浓厚兴趣，例如，农业食品或天然药物行业。便携式 NIR 光谱在此类应用中的潜力已被反复证明。

值得注意的是，仪器的小型化不仅仅针对近红外光谱。相反，这是在广泛理解的光谱学和光谱学中观察到的趋势。 [3] 在某些应用中，衰减全反射红外 (ATR-IR) 或拉曼技术可能是 NIR 光谱的替代品。 [ 6 , 7 ] 在这两种情况下，便携式设备既无法满足小型化 NIR 的可负担性，也无法满足其紧凑性光谱仪。另一方面，具有此类功能的仪器可用的某些其他技术，例如荧光，在基本能力方面不如 NIR 光谱，例如方法的化学特异性和对广泛样品选择的适用性。 [4]

如今，关于小型化 NIR 光谱仪的文献报道数量正在迅速增加，这反映了该技术对仅限于实验室使用的常规光谱学的适用性的锐利优势。然而，小型化的革命性步骤需要实施新技术解决方案，这无疑影响了便携式 NIR 光谱仪的性能。在过去十年中引入市场的仪器中已经实施了几个不同的设计原则。此外，在一些应用中，便携式光谱仪的单位成本对于广泛采用至关重要，并且提供经济实惠的仪器是一种经济刺激。鉴于这两个原因，可用的小型化 NIR 光谱仪之间的操作特性差异很大。从分析的角度来看，系统的可行性研究对于评估这些仪器在各种应用中的准确性和稳健性是必要的。目前，这是分析化学的一个活跃研究领域。

2. 基本背景

小型化 NIR 光谱的独特优势和局限性源于物理和仪器性质的潜在因素。在讨论这些功能之前，提供了必要的关键信息，感兴趣的读者将在参考文献中找到更详尽的信息。

2.1. 近红外光谱的物理原理

近红外光谱通过分子振动激发从样品中提取信息，类似于红外和拉曼技术。然而，近红外光谱与后两种技术的主要区别在于，在近红外光谱区域（通常定义为 12 500-4000 cm -1或 800-2500 nm），只能观察到泛音和组合跃迁。

这些是“被禁止的”转换，对本次审查的范围产生了有意义的影响。这种跃迁发生的概率显着低于基本跃迁（即，在 IR 和拉曼光谱中最相关）的概率，后者被直接观察为样品在 NIR 区域的吸收指数低得多。 [8] 这导致 NIR 辐射更深地穿透样品表面（从几毫米到几厘米），从而可以通过 NIR 光谱法研究更大的样品体积。此外，随着近红外波数的增加，波段强度降低，而局域模式效应使光谱相对简单。 [9] 与 IR 和拉曼光谱相反，许多广泛重叠的波段导致在 NIR 光谱中观察到宽线形状。因此，光谱仪的高光谱分辨率在 NIR 光谱中变得相对不那么重要。此外，NIR 吸收带的这种特性使得直接解释光谱变得更加困难。 [9] 应该提到短波 NIR (SW-NIR) 区域，通常定义为大约 14 285-9090 cm -1 (700-1100 nm) 的区域，尽管在这种情况下确切的边界相当随意。 [10] 可用的技术解决方案使构建在该地区运行的非常紧凑且价格合理的光谱仪成为可能。SW-NIR 光谱显示出巨大的潜力，常用于食品分析。 [11] 通常，在 SW-NIR 光谱的背景下，应注意非常低的吸收指数（可以在样品表面深处感应）、检查潮湿样品的适用性以及分析高散射样品的良好性能。应用程序。 [10]

2.2. 近红外光谱仪器的基础知识

台式 NIR 光谱仪的设计与光学吸收光谱中使用的任何仪器的一般方案保持一致。主要构建块包括光源、波长选择器和检测器。此类仪器有两大类，不同之处在于实现波长选择的原理。色散仪器只让选定的波长（窄波段）同时到达检测器；例如，这些波长由衍射光栅和光学狭缝系统选择。基于这种方案的台式仪器在很大程度上被傅立叶变换 (FT) 设备边缘化了，这些设备要么是最流行的迈克尔逊，要么是不太常见的偏振干涉仪。FT 光谱仪让整个波长区域以干涉图的形式到达检测器，一个频率相关的量。原则上，这可以直接提高光谱仪的光通量，从而获得更好的信噪比 (SNR)。然而，应该注意的是，大多数便携式 NIR 光谱仪使用截然不同的技术和光谱元件来获取光谱。