2.6.1红外光谱仪

红外光谱仪是一种测量物质对红外辐射的吸收率(或透过率)的分析仪器，由于每种物质都有一定的特征吸收谱(它只吸收某些波长而不吸收其他波长的辐射光)，所以可以利用特征的吸收谱进行定性分析。同时，物质的总量与吸收总量成线性关系，因此利用吸收谱还可以进行物质成分的定量分析。红外光谱仪经过几十年的发展历程，从仪器的设计方式到性能和测量方法都发生了很大的变化。

从样品光谱信息的获得看，分为可在一个或几个波长范围内测定的专用型滤光仪器和在红外光波长范围内测定全谱信息的研究型仪器。从光谱测定的波长范围看，由于采用不同的检测器和分光器件，可分专用于短波红外光区域和用于长波红外光区域。从红外光仪器的分光器件看，可分为4种主要类型：滤光片、光栅分光、傅里叶变换和声光调制滤光器。从检测器对分析光的响应看，有单通道和多通道两种类型，多通道型又有采用电荷耦合器件和二极管阵列器件作检测器的红外光谱仪。

滤光片型红外光谱仪早在20世纪50年代就已得到应用，该类仪器采用滤光片作为单色光器件。该类仪器的特点是设计简单、成本低，只能获得几个特定波长处的光谱信息。这类仪器已广泛应用于专用或便携式仪器。

色散型红外光谱仪器采用光栅作为分光器件，根据使用的检测器类型不同，可分为光栅扫描单通道型和固定光路多通道型。光栅扫描单通道仪器是20世纪60年代末70年代初发展起来的一类仪器。这类仪器的特点是可进行全谱扫描，分辨率高，但是存在机械轴承容易磨损、抗振性较差等问题，故不适合在线分析。固定光路多通道型仪器是90年代发展起来的一类仪器。这类仪器采用固定光栅分光，经光栅色散的光聚焦在多通道检测器的焦面上。

傅里叶变换光谱技术是利用干涉图和光谱图之间的对应关系，通过测量干涉图和对干涉图进行傅里叶变换的方法来测定和研究光谱的技术。能同时测量、记录所有波长的信号，并以比传统的色散型光谱仪更高的效率采集来自光源的辐射能量，具有更高的信噪比和分辨率。

声光可调滤光器(Acousto-Optic Tunable Filter, AOTF)红外光谱仪器，用AOTF作为分光系统，被认为是20世纪90年代红外光谱仪器最突出的进展。这类仪器采用双折射晶体，来改变频率调节扫描的波长。这类仪器最大的特点是无机械移动部件，扫描速度快，且精度高，准确性好。这类仪器具有较好的稳定性，特别适合用于在线分析。

多通道红外光谱仪器是因为仪器的检测器采用多通道光敏器件而得名。这类仪器的色散系统一般采用平面光栅或全息光栅，与光栅扫描型仪器相比，光栅不需要转动即可实现确定波长范围的扫描。这类仪器的最大特点是仪器内部无可移动部件，仪器的稳定性和抗干扰性能好；另外一个特点是扫描速度快，一般单张光谱的扫描速度只有几十毫秒。这两个特点的结合，使该类仪器特别适合作为现场或在线分析仪器使用。

我国对红外光谱仪器的研制起步较晚，大约在20世纪90年代中后期，通过一些厂家和科研单位的积极努力，在红外光谱仪器的研制方面取得了一定的成绩：如北京第二光学仪器厂研制了傅里叶变换红外辛烷值分析仪，石油化工科学研究院研制了采用电荷耦合检测器(CCD)的多通道红外光谱仪，中国农业大学研制了滤光片型漫透射红外谷物品质分析仪，中国农业机械化科学研究院研制的CA-XP粮油品质红外分析系统等。

在仪器研制方面，国外已经有商业化的仪器。如德国Bruker公司、美国Thermo-Fisher公司、美国PE公司、瑞典Foss公司等。由于国内硬件工艺水平所限，以及缺乏功能完善的光谱定量分析软件，国产光谱仪器的使用和推广受到极大的限制，在我国科研所和一些企业用户使用的红外光谱仪器，绝大多数采用的是国外生产的光谱仪。但是近十年来国产近红外仪器得到了快速的发展，以聚光为代表的国产光谱仪器在国内多个生产领域得到了初步的应用。

2.6.2拉曼光谱仪

按照拉曼散射光随着频移分散开的方式进行分类，拉曼光谱仪主要有滤光器型、色散30(光栅分光)和傅里叶变换型(迈克尔干涉仪)。滤光器型拉曼光谱仪是最早、最简单的拉曼光谱仪，其缺点是来自试样的绝大部分拉曼散射被阻挡，只有很狭窄的光谱段进入检测器。而色散型和傅里叶变换型拉曼光谱仪能克服这个缺点。实际应用证明：色散型拉曼光谱仪具有更高的灵敏度，适用于各种样品；而采用低能量1064mm激光作为光源的傅里叶变换型光谱仪对样品破坏性小，可消除荧光背景，更适合生物样品的测试乙色散型拉曼光谱仪大多带有显微镜，用以实现高灵敏度和高空间分辨率。目前各大厂商的主流机型为共聚焦显微拉曼光谱仪，其工作原理如图2-12所示。若以3层样品的中间层为检测目标，当激光聚焦于中间层面时，来自于中间层面上的信号能够完全通过“共焦孔”到达检测器，非焦平面(上层和下层)上的信号通不过针孔。

激光器作为激发光源对拉曼光谱技术的发展至关重要，其突出优点是方向性强、单色性好、亮度高、相干性好，可远距离传输。表2-2列出了常用于拉曼光谱仪的激光器。

图2-12共聚焦原理图

表2-2 常用拉曼光谱仪激光器

相关链接：光谱模型评价指标

文章来源：《多光谱食品品质检测技术与信息处理研究》

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