蔣雪萍

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，杭州 310019)

近紅外光譜分析儀校準(zhǔn)方法的探討

蔣雪萍

(杭州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院，杭州 310019)

通過(guò)對(duì)各種近紅外光譜分析儀進(jìn)行系統(tǒng)的測(cè)試和論證，初步建立了一套近紅外光譜分析儀的校準(zhǔn)方法。該方法各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果符合儀器的設(shè)計(jì)性能及實(shí)際測(cè)試工作要求。

近紅外光譜分析儀 檢測(cè)方法 探討

近紅外光譜是由于分子振動(dòng)的非諧振性使分子振動(dòng)從基態(tài)向高能級(jí)躍遷時(shí)產(chǎn)生的，記錄的是含氫基團(tuán)X—H(X==C、N、O)振動(dòng)的倍頻和合頻吸收。不同基團(tuán)(如甲基、亞甲基、苯環(huán)等)或同一基團(tuán)在不同化學(xué)環(huán)境中的近紅外吸收波長(zhǎng)與強(qiáng)度都有明顯差別，通過(guò)多元線性回歸、主成分分析、偏最小二乘法等化學(xué)計(jì)量學(xué)的手段，建立物質(zhì)光譜與待測(cè)成分含量間的線性或非線性模型，從而實(shí)現(xiàn)用物質(zhì)近紅外光譜信息對(duì)待測(cè)成分含量的快速計(jì)算。

由于近紅外短波區(qū)域的吸光系數(shù)小，穿透性高，可用透射模式直接分析固體樣品;近紅外的光導(dǎo)纖維易得，利用光纖可實(shí)現(xiàn)在線分析和遙測(cè);可同時(shí)完成多個(gè)樣品不同化學(xué)指標(biāo)的檢測(cè)，無(wú)繁瑣的前處理且不消耗樣品并簡(jiǎn)單快速?？捎糜谑突すI(yè)、煙草與紡織行業(yè)、制藥工業(yè)、面粉加工業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、食品分析等。

目前國(guó)家和浙江省尚無(wú)有關(guān)近紅外光譜分析儀計(jì)量檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范，各技術(shù)機(jī)構(gòu)計(jì)量校準(zhǔn)無(wú)統(tǒng)一的方法，校準(zhǔn)技術(shù)良莠不齊，為此筆者認(rèn)為有必要討論基于近紅外光譜分析技術(shù)的光譜分析儀的校準(zhǔn)方法，以期解決其量值傳遞與溯源技術(shù)。

1 術(shù)語(yǔ)

(1)分辨率:儀器區(qū)分兩個(gè)相鄰吸收峰能力的量度，通常由譜圖帶寬來(lái)表征，即單色器射出的單色譜圖帶最大強(qiáng)度一半處的寬度。

(2)吸光度噪聲:在零吸光度即光路中沒(méi)有樣品的情況下儀器吸光度域的所有噪聲。

(3)吸光度重復(fù)性:在同一條件下對(duì)同一樣品連續(xù)在同一臺(tái)儀器上進(jìn)行多次譜圖測(cè)量結(jié)果之間的差異。用整個(gè)光譜區(qū)間或某一特征峰的吸光度標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。

(4)吸光度線性:對(duì)不同透過(guò)率的吸光度進(jìn)行線性擬合后所得到直線的斜率和截距。

(5)雜散光:要求的分析光除外，其它到達(dá)樣品和檢測(cè)器的光量總和，通常在測(cè)試某波長(zhǎng)的雜散光時(shí)，將具有相應(yīng)截止波長(zhǎng)的材料置于樣品光路中，則在該截止波長(zhǎng)上所測(cè)得的透光率即為儀器的雜散光。

2 校準(zhǔn)指標(biāo)

(1)分辨率:小于5 nm;

(2)波長(zhǎng)準(zhǔn)確度:在±0．2 nm之內(nèi);

(3)波長(zhǎng)重復(fù)性:小于0．02 nm;

(4)吸光度噪音:透過(guò)率為100%時(shí)，吸光度噪聲小于0．0002;透過(guò)率為10%時(shí)，吸光度噪聲小于0．002;

(5)吸光度重復(fù)性:小于0．001;

(6)吸光度線性:斜率和偏差的變動(dòng)范圍在(1．0 ±0．05)之內(nèi);

(7)雜散光:小于0．5%。

3 校準(zhǔn)條件

3．1 環(huán)境條件

溫度:15～30℃;相對(duì)濕度:小于85%。

3．2 配套設(shè)備

(1)低壓汞燈;

(2)透射比的標(biāo)稱值為10%、30%、50%、80%左右的中性濾光片(不確定度小于0．2%);

(3)亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液:質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．005%。

4 校準(zhǔn)方法與數(shù)據(jù)處理

校準(zhǔn)前將汞燈與近紅外光譜分析儀預(yù)熱30 min以上或按設(shè)備使用說(shuō)明書進(jìn)行。

4．1 分辨率

以低壓汞燈作標(biāo)準(zhǔn)光源，在“光譜儀檢測(cè)”項(xiàng)下的“儀器控制”欄目選擇外部光源打開(kāi)，用光纖將低壓汞燈和儀器探測(cè)器連接起來(lái)。

在“光譜儀參數(shù)”選項(xiàng)中調(diào)整“積分時(shí)間”來(lái)改變特征峰值，使汞燈特征峰最大能量值超過(guò)10 000。依次選定低壓汞燈的7個(gè)特征峰譜線696．54、738．40、763．51、826．45、912．30、965．78、1 014 nm進(jìn)行校正，從而使儀器由能量—像素坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為能量—波長(zhǎng)坐標(biāo)，此時(shí)橫坐標(biāo)顯示的波長(zhǎng)范圍即為儀器有效波長(zhǎng)范圍。

分別讀取低壓汞燈在7個(gè)特征峰譜線下的汞燈波長(zhǎng)光譜，各讀取10次，計(jì)算上述7個(gè)特征峰處波長(zhǎng)峰值的半高全寬值，在7個(gè)波峰中的最小值即為儀器分辨率。

4．2 波長(zhǎng)準(zhǔn)確度

在7個(gè)特征峰譜線處按式(1)計(jì)算波長(zhǎng)準(zhǔn)確度:

式中:Δλ——波長(zhǎng)準(zhǔn)確度，nm;

λ－——每個(gè)特征峰10次測(cè)量波長(zhǎng)的平均值，nm;

λr——7個(gè)特征峰的波長(zhǎng)值，nm。

4．3 波長(zhǎng)重復(fù)性

根據(jù)4．1的檢測(cè)結(jié)果，按照式(2)計(jì)算波長(zhǎng)重復(fù)性:

式中: δλ——波長(zhǎng)重復(fù)性，nm;

λi——第i次測(cè)量特征峰的波長(zhǎng)值，nm;

λ－——每個(gè)特征峰10次測(cè)量的波長(zhǎng)平均值，nm;

n——波長(zhǎng)測(cè)量的次數(shù)。

4．4 吸光度噪聲

(1)將光纖接儀器內(nèi)部光源，并打開(kāi)該內(nèi)部光源。在光源與探測(cè)器之間連接一個(gè)濾光片架(若能量飽和，可調(diào)節(jié)積分時(shí)間或再接一個(gè)衰減器，推薦能量值34 000)。分別選擇600～700 nm、700～800 nm、800～900 nm、900～1000 nm等4個(gè)波段測(cè)量。

(2)在儀器“光譜儀測(cè)試”項(xiàng)中選擇“噪聲測(cè)試”，濾光片架內(nèi)不放濾光片時(shí)，獲取兩次100%透過(guò)率下的全波段強(qiáng)度值Y1(100%)和Y2(100%)，在濾光片架內(nèi)放入10%透過(guò)率的中性濾光片后，獲得10%透過(guò)率下的全波段吸光度矩陣Y1(10%)和Y2(10%)在不同透過(guò)率下，分別求得噪聲的均方根即為吸光度噪聲N(t)，按式(3)、(4)計(jì)算:

式中:N(t)——吸光度噪聲;

m——全波段的所有數(shù)據(jù)點(diǎn)的總數(shù)目;

Y1(t)——在t透過(guò)率下第1次測(cè)量的強(qiáng)度值;

Y2(t)——在t透過(guò)率下第2次測(cè)量的強(qiáng)度值;

4．5 吸光度重復(fù)性

在濾光片架中放入80%透過(guò)率的中性濾光片，分別選擇 600～700、700～800、800～900、900～1000等4個(gè)波段進(jìn)行測(cè)量。測(cè)量80%透過(guò)率下的強(qiáng)度，連續(xù)讀取10次，按式(5)、(6)計(jì)算其吸光度:

式中:Ai(t)——吸光度;

Yi(t)——第i次測(cè)量強(qiáng)度;

Y0——同一波段在80%透過(guò)率下的測(cè)量強(qiáng)度平均值;

δ——吸光度重復(fù)性;

n——測(cè)量次數(shù)，n=10。

4．6 吸光度線性

在濾光片架內(nèi)放入10%、30%、50%、80%透過(guò)率的中性濾光片，分別獲得這些透過(guò)率下的光源光譜強(qiáng)度，按式(5)得到不同透過(guò)率下800、900、1 000 nm波長(zhǎng)處的吸光度，以對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)處的吸光度測(cè)試值為縱坐標(biāo)，以該波長(zhǎng)處的吸光度標(biāo)準(zhǔn)值為橫坐標(biāo)進(jìn)行線性擬合，得到直線的斜率k和截距b，即為吸光度的線性值，按式(7)計(jì)算:

式中:A(t)——在測(cè)量波長(zhǎng)處吸光度實(shí)測(cè)值;

As——在測(cè)量波長(zhǎng)處吸光度標(biāo)準(zhǔn)值。

4．7 雜散光

將儀器內(nèi)部光源打開(kāi)，在光源與探測(cè)器之間連接一個(gè)10 mm比色皿架(若能量飽和，可調(diào)節(jié)積分時(shí)間或再接一個(gè)衰減器)。在儀器“光譜儀測(cè)試”項(xiàng)中選擇“雜散光測(cè)試”。

在比色皿架中放入10 mm空白比色皿，獲得參考光譜強(qiáng)度R;取出比色皿，將亞甲基藍(lán)標(biāo)準(zhǔn)溶液緩慢倒進(jìn)10 mm比色皿，再放入比色皿架，獲得亞甲基藍(lán)光譜強(qiáng)度B。在620 nm波長(zhǎng)處，亞甲基藍(lán)的透過(guò)率接近于0，而在此波長(zhǎng)處獲得的透過(guò)率即為儀器的雜散光Z。

按照式(8)計(jì)算雜散光(即亞甲基藍(lán)溶液的透過(guò)率):

式中:Z——儀器的雜散光;

T——亞甲基藍(lán)溶液的透過(guò)率;

B——亞甲基藍(lán)光譜強(qiáng)度;

R——參考光譜強(qiáng)度。

5 結(jié)語(yǔ)

近紅外光譜分析儀校準(zhǔn)方法科學(xué)合理，各項(xiàng)指標(biāo)評(píng)價(jià)結(jié)果基本符合儀器的設(shè)計(jì)性能及化學(xué)分析檢測(cè)的要求。該校準(zhǔn)方法對(duì)計(jì)量技術(shù)檢測(cè)機(jī)構(gòu)開(kāi)展近紅外光譜分析儀的性能評(píng)價(jià)和計(jì)量校準(zhǔn)工作具有一定的指導(dǎo)意義。杭州質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督檢測(cè)院利用該方法對(duì)杭州地區(qū)企事業(yè)單位的國(guó)、內(nèi)外各品牌近紅外光譜分析儀開(kāi)展了計(jì)量校準(zhǔn)工作。近紅外光譜分析儀的校準(zhǔn)周期建議為1年，首次使用前和修理后均應(yīng)進(jìn)行校準(zhǔn)。

［1］ 袁洪福．第三屆中國(guó)在線分析儀器應(yīng)用及發(fā)展國(guó)際論壇論文集［C］．北京:北京化工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，2010．

［2］ 齊曉，韓建國(guó)，李曼莉．近紅外光譜分析儀器的發(fā)展概況［J］．光譜學(xué)與光譜分析，2007(10):2022－2026．

［3］ 葉華俊，劉立鵬，夏阿林．在線近紅外光譜分析儀的研制及應(yīng)用［J］．儀器儀表學(xué)報(bào)，2009(3):531－535．

ABSTRACTBased on system testing and demonstration for a variety of near－infrared spectrometer，a near－infrared spectroscopy calibration method was established，which was scientific，reasonable，simple，and well fit for the demand of instrument performance and actual testing．

KEYWORDSnear－ infrared spectrometer，calibration method，study

STUDY ON CALIBRATION METHOD OF NEAR－INFRARED SPECTROMETER

Jiang Xueping
(Hangzhou Institute of Calibration and Testing for Quality and Technical Supervision，Hangzhou 310019，China)

2010-11-25