近紅外光譜儀器

前言

　　科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史表明，科學(xué)儀器對(duì)認(rèn)識(shí)自然界的規(guī)律，促進(jìn)生產(chǎn)技術(shù)的進(jìn)步和革命，起著非常重要的作用?？茖W(xué)儀器水平直接反映了一個(gè)國(guó)家科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展水平。世界發(fā)達(dá)國(guó)家都將科學(xué)儀器作為信息產(chǎn)業(yè)源頭，列入新興產(chǎn)業(yè)范疇，把發(fā)展科學(xué)儀器工業(yè)作為提高整個(gè)社會(huì)勞動(dòng)生產(chǎn)力和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的強(qiáng)有力的支柱。所以發(fā)展科學(xué)儀器對(duì)我國(guó)科技進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展具有極為重要的戰(zhàn)略意義?！　》治鰞x器是科學(xué)儀器的重要組成部分。當(dāng)前，分析儀器的儀器擁有量增加很快，據(jù)統(tǒng)計(jì)，2002年分析儀器全球銷售額比2000年增長(zhǎng)了23％。我國(guó)分析儀器進(jìn)口額，2002年比2000年增長(zhǎng)了78％。分析儀器的應(yīng)用范圍也越來越廣，特別在營(yíng)養(yǎng)與食品安全、藥物與代謝產(chǎn)物、生態(tài)環(huán)境、材料科學(xué)、石化與油田化學(xué)、公共衛(wèi)生等直接關(guān)系到人類生存和發(fā)展的各學(xué)科和領(lǐng)域的應(yīng)用，更受到普遍的關(guān)注。同時(shí)，由于新原理、新技術(shù)、新材料和新工藝的廣泛采用，分析儀器得到了日新月異的發(fā)展。儀器的小型化、微型化、智能化發(fā)展十分迅速；為適應(yīng)過程分析要求，各種實(shí)時(shí)、非侵入式在線分析儀器得到快速發(fā)展，科學(xué)儀器也正從通用型轉(zhuǎn)向?qū)Ｓ眯?；各種新技術(shù)、新方法的廣泛應(yīng)用，使儀器靈敏度更高、分析速度更快、適用范圍更廣；儀器可靠性和自動(dòng)化程度不斷提高，儀器的操作更為簡(jiǎn)便。因此，加強(qiáng)分析儀器知識(shí)的繼續(xù)教育，對(duì)分析儀器研究、開發(fā)、生產(chǎn)、使用者，乃至一切關(guān)心我國(guó)分析儀器發(fā)展的同志都是一個(gè)極為重要的問題?！　榇四康?，經(jīng)化學(xué)工業(yè)出版社提議，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)分析儀器學(xué)會(huì)組織編寫了《分析儀器使用與維護(hù)叢書》。這套叢書以“簡(jiǎn)明實(shí)用、選材新穎、特色鮮明、通俗易懂”為主導(dǎo)思想，著重介紹分析儀器結(jié)構(gòu)、原理、應(yīng)用領(lǐng)域，也扼要介紹儀器的使用方法、維護(hù)要點(diǎn)、故障處理與校正，力圖反映分析儀器領(lǐng)域的基本知識(shí)、基本方法以及最新成果。這套叢書由長(zhǎng)期從事儀器分析或分析儀器實(shí)際工作的專家撰寫，其完整性、實(shí)用性非常突出，不失為從事和關(guān)心儀器分析的人員更好地了解和掌握分析儀器及其使用和維護(hù)保養(yǎng)知識(shí)的專業(yè)參考書。

內(nèi)容概要

本書是《分析儀器使用與維護(hù)叢書》的分冊(cè)。     本書系統(tǒng)介紹了近紅外光譜的基本概念、近紅外光譜分析常用的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法、近紅外光譜儀器的類型和原理、在線近紅外光譜儀器及其工程化實(shí)施、近紅外光譜分析涉及的軟件，以及近紅外光譜技術(shù)的最新進(jìn)展等。在線近紅外光譜系統(tǒng)和近紅外光譜技術(shù)的最新進(jìn)展等章節(jié)是本書最具特色的內(nèi)容。     本書內(nèi)容翔實(shí)、語言流暢、專業(yè)信息量大、可讀性強(qiáng)，可供從事儀器分析、分析儀器、過程優(yōu)化與控制等專業(yè)的廣大科技工作者閱讀參考，也可作為大學(xué)相關(guān)專業(yè)高年級(jí)學(xué)生和研究生的教學(xué)參考書。

書籍目錄

1　近紅外光譜分析基本概念　1.1　引言　1.2　吸收光譜與朗伯?比耳定律　1.3　漫反射光譜及定量理論　1.4　近紅外光譜的定量及定性計(jì)算　　1.4.1　多元定量校正及主成分分析 　　1.4.2　定性分析　1.5　近紅外光譜分析步驟　1.6　與參考分析方法的關(guān)系　　1.6.1　準(zhǔn)確性　　1.6.2　方法的溯源　　1.6.3　近紅外光譜分析與常規(guī)分析方法的選擇　1.7　方法的標(biāo)準(zhǔn)化　參考文獻(xiàn)2　近紅外光譜常用的化學(xué)計(jì)量學(xué)方法　2.1　引言　2.2　矩陣和數(shù)理統(tǒng)計(jì)基礎(chǔ)　　2.2.1　矩陣基礎(chǔ)　　2.2.2　朗伯?比耳定律的矩陣表示　　2.2.3　方差和正態(tài)分布　　2.2.4　顯著性檢驗(yàn)　　2.2.5　相關(guān)系數(shù)　　2.2.6　協(xié)方差與協(xié)方差矩陣　　2.2.7　線性回歸　2.3　光譜預(yù)處理方法　　2.3.1　均值中心化　　2.3.2　標(biāo)準(zhǔn)化　　2.3.3　歸一化　　2.3.4　平滑　　2.3.5　導(dǎo)數(shù)　　2.3.6　SNV和去趨勢(shì)算法　　2.3.7　多元散射校正　　2.3.8　正交信號(hào)校正　2.4　變量壓縮和選擇方法　　2.4.1　波長(zhǎng)的選擇方法　　2.4.2　變量壓縮和選擇方法　　2.4.3　校正樣本的選擇方法　2.5　多元定量校正方法　　2.5.1　主成分回歸　　2.5.2　偏最小二乘法　　2.5.3　人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法　　2.5.4　支持向量回歸　2.6　近紅外光譜分析中的模式識(shí)別方法　　2.6.1　無監(jiān)督模式識(shí)別方法——聚類分析　　2.6.2　有監(jiān)督模式識(shí)別方法——判別分析　2.7　界外樣本識(shí)別方法　　2.7.1　校正過程界外樣本的檢測(cè)　　2.7.2　預(yù)測(cè)過程界外樣本的檢測(cè)　2.8　模型評(píng)價(jià)參數(shù)　2.9　模型傳遞方法　參考文獻(xiàn)3　實(shí)驗(yàn)室近紅外光譜儀　3.1　儀器概述　　3.1.1　光譜儀基本構(gòu)造　　3.1.2　光源　　3.1.3　單色器　　3.1.4　檢測(cè)器　　3.1.5　其他　3.2　分光技術(shù)　　3.2.1　濾光片型近紅外光譜儀　　3.2.2　光柵掃描型近紅外光譜儀　　3.2.3　陣列檢測(cè)型近紅外光譜儀　　3.2.4　傅里葉變換型近紅外光譜儀　　3.2.5　聲光可調(diào)濾波型近紅外光譜儀　　3.2.6　阿達(dá)瑪變換型近紅外光譜儀 　　3.2.7　多通道傅里葉變換光譜儀　3.3　液體測(cè)量附件　　3.3.1　比色皿　　3.3.2　液體池　　3.3.3　光纖測(cè)量附件　　3.3.4　漫透射和漫透反射測(cè)樣附件　3.4　固體測(cè)量附件……4　在線近紅外光譜分析儀5　便攜式近紅外光譜儀6　近紅外光譜配套的軟件平臺(tái)7　近紅外光譜分析技術(shù)新進(jìn)展參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　近紅外光譜儀器與中紅外光譜儀器在分光技術(shù)和儀器結(jié)構(gòu)等方面有著明顯不同。目前，在中紅外光譜儀器中，傳統(tǒng)光柵掃描型儀器已經(jīng)基本退出了歷史舞臺(tái)，取而代之是單一品種的傅里葉變換型紅外光譜儀，已經(jīng)占據(jù)幾乎整個(gè)中紅外光譜儀器市場(chǎng)。中紅外光譜儀除有很少量的在線和便攜式儀器外，主要為實(shí)驗(yàn)室光譜儀器。由于近紅外光波長(zhǎng)比中紅外光波長(zhǎng)短，能量更高，從而對(duì)材料具有更強(qiáng)的光穿透能力，可以穿透中紅外光無法穿透的普通玻璃或石英光纖等材料，而且具有很強(qiáng)的散射能力，這些特點(diǎn)為開發(fā)適應(yīng)各種應(yīng)用需求的近紅外光譜儀器帶來了很大便利。近紅外光譜儀器經(jīng)過了50多年的發(fā)展歷程，目前，已發(fā)展了很多種儀器類型，包括各式各樣的實(shí)驗(yàn)室光譜儀、在線光譜儀、車載光譜儀、便攜光譜儀等?？梢哉f，在分析儀器中，近紅外光譜儀器產(chǎn)品的種類是最多的。然而，所有的近紅外光譜儀器發(fā)展都源于實(shí)驗(yàn)室光譜儀器，因此，本章將首先詳細(xì)介紹實(shí)驗(yàn)室近紅外光譜儀。　　3.1儀器概述　　所謂“實(shí)驗(yàn)室儀器”，英文為“l(fā)aboratoty purpose or bench-top instrument”，直譯為在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上放置的儀器。實(shí)際指離線用途的儀器，此類儀器安裝在室內(nèi)，室內(nèi)應(yīng)具備一定的環(huán)境條件，如室溫、濕度、防塵、電源等。實(shí)驗(yàn)室近紅外光譜儀器包括光譜儀、軟件、校正模型、計(jì)算機(jī)、附件等部分。　　3.1.1光譜儀基本構(gòu)造　　實(shí)驗(yàn)室近紅外光譜儀一般包括光源、單色器、檢測(cè)器、樣品測(cè)量附件等部分。　　圖3-1和圖3-2分別為透射型近紅外光譜儀器和反射型近紅外光譜儀器的基本構(gòu)造示意圖。光源發(fā)出的光為近紅外區(qū)域連續(xù)波長(zhǎng)的復(fù)色光，經(jīng)過單色器后被色散為各種波長(zhǎng)的單色光，然后這些單色光照射到檢測(cè)器上，被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，經(jīng)過電路轉(zhuǎn)化數(shù)字信號(hào)，得到由波長(zhǎng)和吸光度組成的數(shù)字化光譜文件（見表3一1）。對(duì)于透明液體樣品，采用透射型近紅外光譜測(cè)量形式，如圖3-1所示。對(duì)于固體樣品。采用反射型近紅外光譜測(cè)量形式，如圖3-2所示。樣品測(cè)量可以放在光源與單色器之間，稱為前分光（predispersive）；也可以放在單色器和檢測(cè)器之間，稱為后分光（post-dispersive）。為了完成光譜測(cè)量和控制測(cè)量條件，還應(yīng)配備相應(yīng)的機(jī)械系統(tǒng)、控制電路系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)等。

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