概要
使用帶有透反射探頭附件的Brimrose AOTF-NIR手持式光譜儀來掃描三個具有不同辛烷值的汽油樣品。第一個樣品標記為低辛烷值，辛烷值為87。第二個樣品標記為中辛烷值，辛烷值為89。第三個樣品標記為高辛烷值，辛烷值為93。導數(shù)光譜在1200nm，1400nm，1700nm，1900nm-2000nm和2100-2200.nm的波長區(qū)域顯示清晰可辨的光譜差異。一階導數(shù)光譜數(shù)據(jù)已導入化學計量學軟件程序The Unscrambler。主成分分析（PCA）顯示了三組樣品之間的清晰分組。偏最小二乘（PLS）模型表明，可以從光譜數(shù)據(jù)中定量測量辛烷值。這項研究的結(jié)果證明，可以對具有不同辛烷值的樣品進行分類，并且可以基于使用Brimrose手持式光譜儀收集的光譜數(shù)據(jù)對辛烷值進行定量。

介紹
聲光可調(diào)濾波器（AOTF）的原理是基于各向異性介質(zhì)中光的聲衍射。 該設(shè)備由一個與雙折射晶體結(jié)合的壓電換能器組成。 當換能器被施加的RF信號激勵時，在晶體中會產(chǎn)生聲波。 傳播的聲波產(chǎn)生折射率的周期性調(diào)制。 這提供了一個移動相位光柵，該光柵在適當條件下將使入射光束的一部分衍射。 對于固定的聲頻，窄頻帶的光頻率滿足相位匹配條件并且被累積地衍射。 隨著RF頻率的改變，光帶通的中心也相應(yīng)地改變，從而保持了相位匹配條件。

AOTF原理圖

光譜的近紅外區(qū)域從800nm擴展到2500nm。在該區(qū)域最突出的吸收帶是由于泛音和中紅外區(qū)域中活躍的基本振動的組合所致。能量躍遷在基態(tài)與第二或第三激發(fā)振動態(tài)之間。由于較高的能量躍遷相繼發(fā)生的可能性較小，因此每個泛音的強度都相繼較弱。達到第二或第三激發(fā)態(tài)所需的能量大約是一階躍遷所需能量的兩倍或三倍。而且，吸收的波長與能量成反比，因此吸收帶出現(xiàn)在基本吸收的波長的大約一半和三分之一處。除了簡單的泛音外，還會出現(xiàn)組合音帶。這些通常包括拉伸以及搖擺模式的一個或多個彎曲。可能有許多不同的組合，因此NIR區(qū)域很復(fù)雜，許多頻帶分配尚未解決。

近紅外光譜法目前被用作定量工具，其依靠化學計量學來開發(fā)將成分的參考分析與近紅外光譜的參考分析聯(lián)系起來的校準方法。 NIR數(shù)據(jù)的數(shù)學處理包括多線性回歸（MLR），主成分分析（PCA），主成分回歸（PCR），偏最小二乘（PLS）和判別分析。所有這些算法都可以單獨使用或組合使用，以達到定量預(yù)測和定性描述樣品中目標成分的目的。

方法
使用帶有透反射探頭附件的Brimrose AOTF-NIR手持式光譜儀來掃描三個具有不同辛烷值的汽油樣品。 第一個樣品標記為低，辛烷值為87。第二個樣品標記為中，辛烷值為89。第三個樣品標記為高，辛烷值為93。每個讀數(shù)收集100次掃描， 平均一個頻譜。 每個樣品收集十個光譜，總共三十個光譜。 波長范圍為1100nm至2300，分辨率為2nm。 將原始光譜數(shù)據(jù)后處理為吸光度和一階導數(shù)。 一階導數(shù)光譜已導入化學計量學軟件程序The Unscrambler。 對一階導數(shù)光譜進行PCA分析。 使用一階導數(shù)光譜和辛烷值參考值創(chuàng)建了PLS 1回歸模型。

結(jié)果
1. 光譜

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原始透射光譜被后處理為吸光度和一階導數(shù)。 下面的兩個圖顯示了吸收光譜和透射光譜。

在1700nm附近的C-H拉伸吸收區(qū)有一個大的吸收峰。 這是可以預(yù)料的，因為術(shù)語辛烷是指與連接到氫分子的所有其他鍵結(jié)合在一起的八個碳分子。 在三個樣品之間的吸收光譜中，可見光譜差異很小。 一階導數(shù)光譜將使這些差異更加明顯。 下圖顯示了一階導數(shù)光譜。

汽油樣品的一階導數(shù)光譜

一階導數(shù)光譜在1200nm，1400nm，1700nm，1900nm-2000nm和2100-2200.nm的波長區(qū)域中顯示出樣品之間清晰可見的光譜差異。 下圖顯示了其中一些波長區(qū)域中一階導數(shù)光譜的差異。

汽油樣品從1176nm到1241nm的一階導數(shù)光譜

三組樣本之間的分組很清楚。 下圖顯示了光譜差異明顯的其他波長區(qū)域。

汽油樣品從1696nm至1732nm的一階導數(shù)光譜

汽油樣品從2116nm到2154nm的一階導數(shù)光譜

三組光譜之間的差異很明顯，將為分類分析和辛烷值的定量測量提供基礎(chǔ)。 一階導數(shù)光譜已導入化學計量學軟件程序The Unscrambler。 創(chuàng)建PCA模型用于分類目的。 創(chuàng)建了PLS 1回歸模型，將一階導數(shù)光譜與辛烷值相關(guān)。 建模結(jié)果如下所示。

2. 建模與回歸

汽油樣品PCA模型的得分圖

PCA模型中的分數(shù)圖顯示了是否存在基于光譜數(shù)據(jù)對樣本進行分類的基礎(chǔ)。 分類使用了三個主要成分。 此處顯示的分組是顯而易見的，很明顯可以根據(jù)光譜數(shù)據(jù)對三組樣本進行分類。 PCA模型的載荷圖顯示了該模型獲得相關(guān)信息的波長范圍。 該PCA模型的第一個主要成分的載荷圖如下所示。

汽油樣品PCA模型的第一個主要成分的載荷圖

載荷圖中的峰表示模型獲得其相關(guān)信息的波長范圍。 峰在相同的波長范圍內(nèi)，在光譜中可以看到差異，這證明該模型適合相關(guān)信息。 使用辛烷值和光譜數(shù)據(jù)創(chuàng)建PLS 1回歸模型。 PLS 1模型的結(jié)果如下所示。

汽油辛烷值的PLS 1回歸模型

將汽油中的辛烷值與光譜數(shù)據(jù)相關(guān)的PLS 1回歸模型顯示了出色的結(jié)果。 校準和驗證相關(guān)系數(shù)非常高，分別為0.9989和0.9988。 使用了一個主要成分，表明光譜數(shù)據(jù)非常適合辛烷值的參考值。 預(yù)測標準誤差（SEP）等于0.1。 該模型的結(jié)果證明，可以使用Brimrose AOTF-NIR光譜儀和校準模型從收集的光譜數(shù)據(jù)中定量測量辛烷值。

討論和結(jié)論

這項研究的結(jié)果證明了使用Brimrose AOTF-NIR手持式光譜儀與透反射探頭附件和校準模型收集的光譜數(shù)據(jù)測量汽油中辛烷值的可行性。 光譜數(shù)據(jù)與參考值之間的相關(guān)性極好，PCA和PLS 1建模結(jié)果證明，可以對樣品進行分類或根據(jù)光譜數(shù)據(jù)定量測量辛烷值。 過去的經(jīng)驗表明，在實驗室中進行的研究結(jié)果可以在現(xiàn)實的在線情況下復(fù)制。

AOTF技術(shù)使Brimrose Luminar Free Space光譜儀成為在線或離線實時測量的理想工具。 AOTF技術(shù)可在不移動部件的情況下進行快速掃描，而無需重新校準系統(tǒng)。在這種情況下，可以使用本研究中使用的相同類型的光譜儀進行離線測量。可以將顯示器放置在光譜儀的前面，并且一旦獲得讀數(shù)，便可以在顯示器上看到讀數(shù)。如果需要在線測量，可以在過程中放置流通池。流通池將連接到饋入光譜儀的光纖。如果讀數(shù)超出規(guī)格，則可以設(shè)置警報極限，并且可以將信號發(fā)送到過程控制系統(tǒng)。結(jié)論是，可以使用Brimrose AOTF-NIR光譜儀和校準模型從收集的光譜數(shù)據(jù)中測量辛烷值。建議進行進一步討論，以確定使用Brimrose AOTF-NIR光譜儀在線或離線測量汽油中辛烷值的最佳方法。

光譜儀選擇

Luminar 4030 AOTF-近紅外微型自由空間過程分析儀

◎基于漫反射光學模式的非接觸式無損測量

◎Brimrose 分析軟件 – Snap32!

◎為實時過程應(yīng)用提供更便攜，更具成本效益的解決方案

◎用于在線過程應(yīng)用的微型自由空間近紅外過程分析儀

Brimrose的固態(tài)Luminar 4030 AOTF/NIR微型自由空間過程分析儀可直接安裝在生產(chǎn)線上。

其堅固的設(shè)計和固態(tài)技術(shù)允許安裝到生產(chǎn)環(huán)境中，其微型尺寸允許在空間緊張的情況下實施，例如小型真空干燥器，管道，流化床等。這種高速近紅外分析儀基于漫反射光學系統(tǒng)，可集成在各種外殼中，以滿足您的工藝區(qū)域需求。但實驗室使用也受歡迎。

Brimrose提供這種堅固耐用的固態(tài)分析儀，具有多種不同的配置，可滿足不同行業(yè)和應(yīng)用的高需求。

自由空間分析儀符合制藥行業(yè)在線應(yīng)用的所有要求和標準，即使在最惡劣的環(huán)境條件下也能可靠地工作。 集成的AOTFNIR技術(shù)提供出色的信噪比和超高速掃描速率，可以實時，在線和實驗室精度進行分析。

主要特征

◎雙光束，預(yù)對準燈組件，InGaAs探測器

◎快速掃描速度 – 16,000波長/秒

◎SNAP32! Brimrose 分析軟件，使用Brimrose宏語言

◎6mm或10mm直徑樣品區(qū)域，45mm或55mm采樣距離

◎同一不銹鋼外殼中的微型集成電子和光學模塊

實時應(yīng)用

◎混合控制：實時均勻性監(jiān)控和混合控制過程

◎制藥：100％檢查固體，凝膠，液體和粉末

◎農(nóng)業(yè)/食品：脂肪，蛋白質(zhì)，水分，淀粉等的在線食品分析

◎聚合物：顆粒，薄膜和涂層的現(xiàn)場測量

◎紡織品：在線測量棉/滌綸比例

◎干燥過程：直接放置在噴霧或流化床干燥器上

◎紙漿和紙張：在線厚度和涂層分析

◎煙草：尼古丁，糖，鉀等的測量

美國BRIMROSE AOTF 近紅外光譜分析技術(shù)特點
美國Brimrose 的AOTF 近紅外光譜分析技術(shù)的獨特之處在于非常適合在線質(zhì)量控制和現(xiàn)場品質(zhì)檢測。AOTF 近紅外光譜分析技術(shù)具有掃描速度快而且不受外界環(huán)境如溫度、濕度、灰塵等影響的獨特優(yōu)勢。這是其他任何分光系統(tǒng)不可比擬的。

基于AOTF 近紅外技術(shù)的光譜儀與傳統(tǒng)機械調(diào)諧分光元件的光譜儀相比，無論是在定性、定量，還是對生產(chǎn)過程的質(zhì)量控制顯示了其明顯的優(yōu)勢。