NIR近红外光谱简介

本文介绍了近红外光谱(NIR)的基本概念,包括其分类和特点。NIR主要测量含氢基团的振动倍频和合频吸收,具有非破坏性、快速分析等优点,常用于木材成分的定量测定。然而,由于谱带重叠,通常需要结合化学计量学方法如PCA和PLS进行分析。在固体样品测定中,光谱预处理和多角度测量是提高准确性的关键步骤。

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(1)红外光谱:分为近红外、中红外、远红外光谱。其中近红外光谱分为近红外短波(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震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和合频信息,在近红外光谱范围内,测量的主要是含氢基团X-HX=CNO)振动的倍频和合频吸收。

(2)NIR优点与缺点

优点:样品不需要预处理,近红外区内光穿透深度大,使得近红外光谱技术可以用漫反射技术对样品直接测定,同时还具有分析具有非破坏性、分析速度快、远距离测定和实时分析、测定重现性好、适用的样品范围广、分析成本较低、对操作人员的要求较低等优点。缺点:不适用于分散性样品的分析、不适用于痕量分析。

  NIR用于

红外光谱分析技术作为一种有效的分析手段在二十世纪三十年代就得到了认可,当时红外仪器主要用于分子结构理论的研究。近红外区的光谱吸收带是有机物质中能量较高的化学键(主要是 CH、OH、NH)在中红外光谱区基频吸收的倍频、合频和差频吸收带叠加而成的。由于近红外谱区光谱的严重重叠性和不连续性,物质近红外光谱中的与成份含量相关的信息很难直接提取出来并给予合理的光谱解析。而有机物在中红外谱区的吸收带较多、谱带窄、吸收强度大及有显著的特征吸收性,传统的光谱学家和化学分析家习惯于在中红外基频吸收波段进行光谱解析,所以近红外谱区在很长一段时间内是被人忽视和遗忘的谱区。 随着红外仪器技术的发展,更加稳定的电源、信号放大器、更灵敏的光子探测器、微型计算机等的发展使得近红外光谱区作为一段独立的且有独特信息特征的谱区得到了重视和发展。Karl Norris 作为近红外光谱分析技术发展的奠基人,于二十世纪五十年代在美国农业部的支持下开始进行近红外光谱分析技术用于农产品(包括谷物、饲料、水果、蔬菜等)成份快速定量检测的探讨研究。Norris 的早期工作主要是探求合理的近红外光谱分析方法用于研究物质在近红外光照射下所体现出的光谱吸收特性和散射特性,他首先提出了多元线性回归(MLR)算法在物质成份近红外光谱定标模型建立和光谱信息提取解析方面所体现出的优势,这为后来系统的近红外光谱技术理论体系的形成起到了很重要的作用。二十世纪六十年代,Norris 领导的课题组进行了大量的光谱学方法论证,其中包括可见和近红外波段透射、反射及透反射等测量方法比较,在这一阶段的工作中最大的成果莫过于得到了植物叶子和谷物的反射吸收光谱,这为近红外光谱技术的发展提供了更大的优势和方便。与此同时,Norris 研制出世界上第一台近红外扫描光谱仪,这台光谱仪是在 Cary 14 单色仪的基础上改进得到的,拥有与微型计算机进行数据传输的功能,也就是在这台扫描光谱仪上,多元线性回归分析方法在提取与成份相关的光谱信息方面的优势得到了演示,这台仪器就成为了后来近红外光谱分析仪器发展的雏形。
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