微型近红外光谱仪分析系统的研制

摘　要　近红外光谱技术是光谱测试技术、化学计量学技术与计算机技术的有机结合, 文章立足于食品有效成分无损定量检测的目标, 介绍了微型近红外光谱分析系统的研制过程。作为系统测试的基础, 文章重点研究了适用于在线实时分析的微型化近红外光谱仪, 研制出的微型近红外光谱仪样机工作波长: 850～1 690nm , 分辨率小于10 nm。通过对样机主要参数的测试表明, 性能接近国外同类产品水平。另外, 化学计量学与计算机技术的结合是系统的核心, 提出了基于最小二乘的局部加权回归(LS2LWR) 的建模方法。最后, 应用研制出的系统对葡萄糖水溶液定量测试实验表明, 其预测集的相关系数达到了01995 , 预测标准偏差为0106 。

    近红外(near inf rared : NIR) 光谱是指波长在780～2 526nm 范围内的电磁波。通过对特定物质的NIR 光谱分析可定量或定性地确定其组分[1 ] , 具有分析样品用量少、分析速度快和结果稳定性好等优点[2 ] , 广泛应用于农业、生物学、石化、食品、医药、纺织等领域[3 ] 。近红外光谱分析主要利用分子的倍频与合频吸收, 属于微弱信号与多元信息的处理[4 ] , 对复杂样品进行近红外光谱分析就是从复杂、重叠和变动的光谱中提取微弱信息, 难度很大[5 ] 。但是近红外光谱
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性质测量。
    国际上, 近红外光谱仪产品以傅里叶( FT) 类型居多[6 ] ,大多是FT 中红外光谱仪产品的延伸, 分辨率和灵敏度较高, 但是, 干涉仪有移动部件, 具有易损和不稳定的倾向,对工作环境要求高, 主要用于实验室分析。近年来出现的二极管阵列和声光近红外光谱仪, 特点是无移动部件, 稳定且扫描速度快, 但分辨率不如FT 类型的高。这两种光谱仪体积都较小, 对环境要求不高, 均可作为便携式仪器实现在线检测, 但声光近红外光谱仪造价昂贵, 难以大量推广。本文介绍的微型近红外光谱仪是属于二极管阵列式, 成本相对较低, 解决了市场上亟需微型化、便携式、可实现在线检测的近红外光谱分析仪的问题。
    实用的近红外分析技术必须是是成套的, 包括光谱仪、定量定性软件和应用模型三部分[7 ] 。本文从前两方面介绍微型近红外光谱仪系统的研制过程, 并以葡萄糖水溶液模型的建立给予验证。