27、近红外光谱单色器：原理、设计与应用

近红外光谱单色器：原理、设计与应用

1. 引言

近红外光谱（NIRS）是测量样品对近红外（NIR）光的吸收波长和强度的技术。NIR光谱区域涵盖700 - 2500 nm（14285 - 4000 cm⁻¹），其中的吸收代表了中红外（MIR）区域基本分子振动的泛音和组合。这些泛音和组合主要与C - H、N - H、O - H和S - H官能团相关。NIRS利用化学计量学分析样品混合物中的官能团，作为一种质量和过程控制技术，其分析方法应用于原材料、中间体和成品。

历史上，为了实现所需的扫描范围、分辨率、动态范围和杂散光控制，曾采用过多种不同的单色器设计，使用一个、两个甚至三个光栅。如今，光栅通常采用全息刻线技术，这种光栅坚固且易于制造，每毫米的凹槽数量比刻线光栅更多，能提高色散和分辨率，杂散光水平更低，还能定制尺寸。基于凹面全息光栅和单元素探测器的单光束NIR分光光度计设计是本文的重点。

1.1 不同光谱区域的系统选择

探测器灵敏度、光源强度和样品吸收率共同决定了最佳光谱系统。下表比较了中红外（MIR）、近红外（NIR）和紫外 - 可见光（UV - VIS）区域的探测器灵敏度和光源强度：
| 组件 | UV - VIS | NIR | MIR |
| — | — | — | — |
| 探测器灵敏度 | 高 (10¹³) | 相当高 (10¹¹ - 10¹³) | 低 (10⁸ - 10¹⁰) |
| 光源强度 | 高 (氘灯、钨灯) | 高 (钨灯) | 低 (球状体、陶瓷) |
| 样品吸收率 | 中等 | 低 | 高 |
| 常用系统 | 单色器 | 单色器 | 傅里叶变换 |