主题：【原创】【近红外光谱分析技术系列讲座二】不同类型近红外光谱仪器的主要特点和工作原理

近红外光谱仪种类繁多，根据不用的角度有多种分类方法。从应用的角度分类，可以分为在线过程监测仪器、专用仪器和通用仪器。从仪器获得的光谱信息来看，有只测定几个波长的专用仪器，也有可以测定整个近红外谱区的研究型仪器；有的专用于测定短波段的近红外光谱，也有的适用于测定长波段的近红外光谱。较为常用的分类模式是依据仪器的分光形式进行的分类，可分为滤光片型、色散型(光栅、棱镜)、傅里叶变换型等类型。下面分别加以叙述。
一、滤光片型近红外光谱仪器：
滤光片型近红外光谱仪器以滤光片作为分光系统，即采用滤光片作为单色光器件。滤光片型近红外光谱仪器可分为固定式滤光片和可调式滤光片两种形式，其中固定滤光片型的仪器时近红外光谱仪最早的设计形式。
仪器工作时，由光源发出的光通过滤光片后得到一宽带的单色光，与样品作用后到达检测器。
该类型仪器优点是：仪器的体积小，可以作为专用的便携仪器；制造成本低，适于大面积推广。
该类型仪器缺点是：单色光的谱带较宽，波长分辨率差；对温湿度较为敏感；得不到连续光谱；不能对谱图进行预处理，得到的信息量少。故只能作为较低档的专用仪器。
二、色散型近红外光谱仪器：
色散型近红外光谱仪器的分光元件可以是棱镜或光栅。为获得较高分辨率，现代色散型仪器中多采用全息光栅作为分光元件，扫描型仪器通过光栅的转动，使单色光按照波长的高低依次通过样品，进入检测器检测。根据样品的物态特性，可以选择不同的测样器件进行投射或反射分析。
该类型仪器的优点：是使用扫描型近红外光谱仪可对样品进行全谱扫描，扫描的重复性和分辨率叫滤光片型仪器有很大程度的提高，个别高端的色散型近红外光谱仪还可以作为研究级的仪器使用。化学计量学在近红外中的应用时现代近红外分析的特征之一。采用全谱分析，可以从近红外谱图中提取大量的有用信息；通过合理的计量学方法将光谱数据与训练集样品的性质（组成、特性数据）相关联可得到相应的校正模型；进而预测未知样品的性质。
该类型仪器的缺点：是光栅或反光镜的机械轴承长时间连续使用容易磨损，影响波长的精度和重现性；由于机械部件较多，仪器的抗震性能较差；图谱容易受到杂散光的干扰；扫描速度较慢，扩展性能差。由于使用外部标准样品校正仪器，其分辨率、信噪比等指标虽然比滤光片型仪器有了很大的提高，但与傅里叶型仪器相比仍有质的区别。
三、傅里叶变换型近红外光谱仪器：
傅里叶变换近红外分光光度计简称为傅里叶变换光谱仪，它利用干涉图与光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图并对干涉图进行傅里叶积分变换的方法来测定和研究近红外光谱。其基本组成包括五部分：①分析光发生系统，由光源、分束器、样品等组成，用以产生负载了样品 信息的分析光；②以传统的麦克尔逊干涉仪为代表的干涉仪，以及以后的各类改进型干涉仪，其作用是使光源发出的光分为两束后，造成一定的光程差，用以产生空间（时间）域中表达的分析光，即干涉光；③检测器，用以检测干涉光；④采样系统，通过数模转换器把检测器检测到的干涉光数字化，并导入计算机系统；⑤计算机系统和显示器，将样品干涉光函数和光源干涉光函数分别经傅里叶变换为强度俺频率分布图，二者的比值即样品的近红外图谱，并在显示器中显示。
在傅里叶变换近红外光谱仪器中，干涉仪是仪器的心脏，它的好坏直接影响到仪器的心梗，因此有必要了解传统的麦克尔逊干涉仪以及改进后的干涉仪的工作原理。
⑴传统的麦克尔逊（Michelson）干涉仪：传统的麦克尔逊干涉仪系统包括两个互成90度角的平面镜、光学分束器、光源和检测器。平面镜中一个固定不动的为定镜，一个沿图示方向平行移动的为动镜。动镜在运动过程中应时刻与定镜保持90度角。为了减小摩擦，防止振动，通常把动镜固定在空气轴承上移动。光学分束器具有半透明性质，放于动镜和定镜之间并和它们成45度角，使入射的单色光50%透过，50%反射，使得从光源射出的一束光在分束器被分成两束：反射光A和透射光B。A光束垂直射到定镜上；在那儿被反射，沿原光路返回分束器；其中一半透过分束器射向检测器，而另一半则被反射回光源。B光束以相同的方式穿过分束器射到动镜上；在那儿同样被反射，沿原光路返回分束器；再被分束器反射，与A光束一样射向检测器，而以另一半则透过分束器返回原光路。A、B两束光在此会合，形成为具有干涉光特性的相干光；当动镜移动到不同位置时，即能得到不同光程差的干涉光强。
⑵改进的干涉仪：干涉仪是傅里叶光谱仪最重要的部件，它的性能好坏决定了傅里叶光谱仪的质量，在经典的麦克尔逊干涉仪的基础上，近年来在提高光通量、增加稳定性和抗震性、简化仪器结构等方面有不少改进。
传统的麦克尔逊干涉仪工作过程中，当动镜移动时，难免会存在一定程度上的摆动，使得两个平面镜互不垂直，导致入射光不能直射入动镜或反射光线偏离原入射光的方向，从而得不到与入射光平行的反射光，影响干涉光的质量。外界的振动也会产生相同的影响。因此经典的干涉仪除需经十分精确的调整外，还要在使用过程中避免振动，以保持动镜精确的垂直定镜，获得良好的光谱图。为提高仪器的抗振能力，Bruker公司开发出三维立体平面角镜干涉仪，采用两个三维立体平面角镜作为动镜，通过安装在一个双摆动装置质量中心处的无摩擦轴承，将两个立体平面角镜连接。
三维立体平面角镜干涉仪的实质是用立体平面角镜代替了传统干涉仪两干臂上的平面反光镜。由立体角镜的光学原理可知，当其反射面之间有微小的垂直度误差及立体角镜沿轴方向发生较小的摆动时，反射光的方向不会发生改变，仍能够严格地按与入射光线平行的方向射出。由此可以看出，采用三维立体角镜后，可以有效地消除动镜在运动过程中因摆动、外部振动或倾斜等因素引起的附加光程差，从而提高了一起的抗振能力和重复性。

（参考资料：胡昌勤/冯艳春*著《近红外光谱法快速分析药品》化学工业出版社）

表*色散型近红外光谱仪与傅里叶变换近红外光谱仪的比较