利用?AOTF-NIR?光譜技術(shù)在線測(cè)量?Glatt?流化床濕度

摘 要?本文采用美國(guó)?Brimrose 公司?AOTF–NIR?Luminar3075?型小型光譜儀通過(guò)藍(lán)寶石視?窗對(duì) Glatt 流化床中的樣品進(jìn)行掃描，對(duì)樣品的一階微分光譜圖變化區(qū)域進(jìn)行了分析，最終 建立了吸收光譜偏最小二乘法（PLS1）回歸模型并顯示了良好的結(jié)果，模型只用了 3 個(gè)主成?分?jǐn)?shù)，預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)誤差是?0.31，模型的相關(guān)系數(shù)為?0.9853。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，美國(guó)?Brimrose?公司 AOTF-NIR?Luminar3075?小型光譜儀使用光譜數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)模型完全能夠測(cè)定在線?Glatt 流化床的濕度值。

主題詞???聲光可調(diào)濾光器；近紅外；流化床；偏最小二乘法（PLS1）

傳統(tǒng)的紅外分光光度技術(shù)采用棱鏡或光柵做色散元件，以這些色散元件為核心的紅外光?譜測(cè)量系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)成本高，使得分析檢測(cè)僅適于實(shí)驗(yàn)室條件下應(yīng)用。自

20 世紀(jì) 80 年代后期，一種新型的色散元件——聲光可調(diào)濾光器（Acousto-optic tunable filter，簡(jiǎn)稱?AOTF）逐漸受到人們的重視。AOTF?是基于各向異性的雙折射晶體的聲光衍射?原理，利用超聲波與特定的晶體作用而產(chǎn)生分光的光電器件。與傳統(tǒng)的基于機(jī)械調(diào)諧分光元?件的光譜儀器相比，以?AOTF?作為分光元件的光譜儀具有明顯的優(yōu)越性：它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)?系統(tǒng)無(wú)移動(dòng)性部件，體積小，集光能力強(qiáng)，最吸引人之處在于它的波長(zhǎng)切換快、重現(xiàn)性好，?程序化的波長(zhǎng)控制使得這種儀器的應(yīng)用具有更大的靈活性，尤其是外部防塵和內(nèi)置的溫度、?濕度集成控制裝置，大大提高了儀器的環(huán)境適應(yīng)性，加之全固態(tài)集成設(shè)計(jì)產(chǎn)生優(yōu)異的避震性?能，使其近年來(lái)在工業(yè)在線和現(xiàn)場(chǎng)（室外）分析中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

1.實(shí)驗(yàn)部分

1.1??儀器條件和樣品處理

儀器：美國(guó) Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3075 小型光譜儀，光譜范圍 1100～2150nm，?Snap!光譜采集處理軟件，The?Unscrambler?定量分析軟件。德國(guó)?Glatt 流化床。

樣品：Glatt?流化床干燥器上在線采集樣品。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

可用電池操作的美國(guó)?Brimrose 公司 AOTF-NIR?Luminar3075?小型光譜儀可以用于旋轉(zhuǎn)混?料機(jī)，也可在 Glatt 流化床干燥器上操作。在流化床干燥器后面的平板上安裝一個(gè)特殊的托 槽，以便能夠安裝分析儀。用一個(gè)特殊設(shè)計(jì)的法蘭集成來(lái)置換現(xiàn)存的 glatt 的視窗，法蘭集 成包括一個(gè)藍(lán)寶石窗口，使光線能夠從光譜儀到達(dá)干燥器內(nèi)部干燥的藥末。從藥末反射回來(lái) 的光線通過(guò)相同的窗口進(jìn)入光譜儀用來(lái)檢測(cè)其強(qiáng)度。法蘭集成也包括一個(gè)擦拭器，擦拭掉可?能粘在窗口上的粉末，這樣就能保證新的樣品被掃描。儀器使用的是?24?伏的電源，并且不

需要冷卻。光譜儀被做成小型化以適應(yīng)視窗的狹小空間，并且通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)線與配套的 電腦進(jìn)行信息交流。高速掃描能夠在 5 秒內(nèi)收集 200 個(gè)掃描結(jié)果。當(dāng)在瞬間掃描光譜時(shí)將會(huì)?提供一個(gè)很好的信噪比率，防止了光譜收集中的濕度變化影響到檢測(cè)結(jié)果。

1.3 數(shù)據(jù)收集和取樣

從 FBD?取樣口取出一個(gè)樣品，一些樣品被收集了?3?次光譜，一些被收集了?7?次。樣品在?最后幾次潤(rùn)濕和干燥的階段中被收集起來(lái)，用塑料袋包裝、密封、標(biāo)識(shí)，用于濕度值的分析。?光譜以吸收形式收集并處理成一階微分光譜，然后轉(zhuǎn)化格式，用?CAMO?的化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件?Unscrambler?進(jìn)行化學(xué)計(jì)量學(xué)分析。

2. 結(jié)果與討論

?

2.1 光譜圖

圖?1、流化床干燥器中藥末的吸收光譜圖???圖?2、流化床干燥器中藥末的一階微分光譜圖

圖 1 清晰地顯示著在吸收光譜中存在著差異，然而圖表并不是很容易解析。這種變化不 僅源自粉末中的成分變化，而且源自由于視窗前的流化床的運(yùn)動(dòng)造成的微粒密度的變化。密 度變化并不反映成分的變化，而是被當(dāng)作基線的一個(gè)漂移。化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件很好的控制著基?線漂移，并且不被測(cè)量過(guò)程所干涉。

圖 2 的一階微分光譜圖去除了基線漂移的影響，重點(diǎn)放在了化學(xué)物質(zhì)的不同上。被箭頭?標(biāo)示的區(qū)域是最大的化學(xué)變化的發(fā)生區(qū)域。最大的變化在?1360nm 到?1500nm?和?1830nm?到 2000nm 這兩個(gè)區(qū)域內(nèi)發(fā)生，這兩個(gè)區(qū)域也是期望能看到由于濕度變化導(dǎo)致的光譜變化的區(qū) 域。

2.2 回歸與建模

圖?3、對(duì)照?LOD?濕度的吸收光譜偏最小二乘法（PLS1）回歸模型

沒(méi)有烘干的樣品的吸收光譜偏最小二乘法（PLS1）回歸模型顯示了良好的結(jié)果。只應(yīng)用?了 3?種主成分預(yù)測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)誤差是?0.31，模型的相關(guān)系數(shù)為?0.9853，對(duì)于使用少量的樣品來(lái)?說(shuō)這是非常理想的。運(yùn)用從?Karl-fischer?方法得出的更精確的相關(guān)濕度值將會(huì)得出更好的?回歸結(jié)果。在回歸模型中每一個(gè)光譜都被當(dāng)作一個(gè)獨(dú)立點(diǎn)，因?yàn)樗鼈冊(cè)谑占瘯r(shí)間上僅有細(xì)微?的差別，可是參考值是一樣的，因?yàn)樗械姆勰┒际侨∽酝粋€(gè)混合的樣品。

圖?4、對(duì)照?LOD?濕度的吸收光譜的偏?圖 5、PC1?的加載權(quán)

最小二乘法（PLS1）模型的回歸系數(shù)

圖 4 的回歸系數(shù)顯示了含有模型的相關(guān)信息的波長(zhǎng)區(qū)域，此圖顯示了模型的相關(guān)信息來(lái) 自水分吸收的波長(zhǎng)區(qū)。因而濕度的變化也導(dǎo)致了光譜數(shù)據(jù)的變化，而且通過(guò)使用光譜數(shù)據(jù)和?一個(gè)校準(zhǔn)模型，模型也可以用來(lái)檢測(cè)濕度變化。

圖 5 的 PC1 加載權(quán)顯示著 PC1?的回歸模型的波長(zhǎng)區(qū)域。98%的?X 數(shù)據(jù)和 81%的 Y 數(shù)據(jù)在

PC1 中得到了解釋。

圖 6、PC2?的加載權(quán)?圖 7、PC3 的加載權(quán)

圖 6 中的 1%的 X 數(shù)據(jù)和 16%的 Y 數(shù)據(jù)在 PC2?中得到了解釋。PC1?和 PC2 中的 X 數(shù)據(jù)總量

是 99%，Y 數(shù)據(jù)的總量是 97%。

另外在圖 7 中 1%的 X 數(shù)據(jù)和 1%的 Y 數(shù)據(jù)在 PC3?中得到了解釋，這樣 X 數(shù)據(jù)總量是 100%， Y 數(shù)據(jù)的總量是?98%。這三個(gè)加載權(quán)都顯示了在?1450nm?到?1940nm?范圍的水分吸收波峰

的強(qiáng)烈影響。

3．結(jié)論和建議

可以得出結(jié)論，美國(guó)?Brimrose?公司?AOTF-NIR?Luminar3075?光譜儀使用光譜數(shù)據(jù)和校?準(zhǔn)模型完全能夠測(cè)定在線?Glatt?流化床的濕度值，考慮到少量的樣品和濕度參考值的誤差，?這次研究結(jié)果非常好。建議使用通過(guò)?Karl-fischer?方法獲得的相關(guān)數(shù)據(jù)的更大的校準(zhǔn)集來(lái)?創(chuàng)建一個(gè)功能更強(qiáng)，并能達(dá)到使用光譜數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)?Glatt?流化床內(nèi)的濕度值的模型。

產(chǎn)品目錄

AOTF Brimrose KOH在線檢測(cè) Luminar PET KOH PET羥值 PET酸值 便攜式光譜儀 便攜式近紅外 便攜近紅外 傅里葉紅外光譜儀 分子量在線 含水率在線檢測(cè) 在線羥值 在線近紅外 在線近紅外光譜儀 在線近紅外分析系統(tǒng) 在線酸值 手持式光譜儀 紅外光譜 紅外光譜儀 紅外光譜分析 紅外光譜分析儀器 紅外在線 聚酯 近紅外光譜 近紅外光譜分析儀 近紅外光譜技術(shù) 近紅外在線光譜儀 近紅外在線水分測(cè)定儀 酸度?聲光可調(diào)濾光器；近紅外；流化床；偏最小二乘法（PLS1）