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。導數光譜在1200nm，1400nm，1700nm，1900nm-2000nm和2100-2200.nm的波長區域顯示清晰可辨的光譜差異。一階導數光譜數據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，可以從光譜數據中定量測量辛烷值。這項研究的結果證明，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據對辛烷值進行定量。
介紹
聲光可調濾波器（AOTF）的原理是基于各向異性介質中光的聲衍射。 該設備由一個與雙折射晶體結合的壓電換能器組成。 當換能器被施加的RF信號激勵時，在晶體中會產生聲波。 傳播的聲波產生折射率的周期性調制。 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
光譜的近紅外區域從800nm擴展到2500nm。在該區域最突出的吸收帶是由于泛音和中紅外區域中活躍的基本振動的組合所致。能量躍遷在基態與第二或第三激發振動態之間。由于較高的能量躍遷相繼發生的可能性較小，因此每個泛音的強度都相繼較弱。達到第二或第三激發態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區域很復雜，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將成分的參考分析與近紅外光譜的參考分析聯系起來的校準方法。 NIR數據的數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。 將原始光譜數據后處理為吸光度和一階導數。 一階導數光譜已導入化學計量學軟件程序The Unscrambler。 對一階導數光譜進行PCA分析。 使用一階導數光譜和辛烷值參考值創建了PLS 1回歸模型。
結果
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。 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拉伸吸收區有一個大的吸收峰。 這是可以預料的，因為術語辛烷是指與連接到氫分子的所有其他鍵結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。 一階導數光譜將使這些差異更加明顯。 下圖顯示了一階導數光譜。
汽油樣品的一階導數光譜
一階導數光譜在1200nm，1400nm，1700nm，1900nm-2000nm和2100-2200.nm的波長區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域中一階導數光譜的差異。
汽油樣品從1176nm到1241nm的一階導數光譜
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域。
汽油樣品從1696nm至1732nm的一階導數光譜
汽油樣品從2116nm到2154nm的一階導數光譜
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。 一階導數光譜已導入化學計量學軟件程序The Unscrambler。 創建PCA模型用于分類目的。 創建了PLS 1回歸模型，將一階導數光譜與辛烷值相關。 建模結果如下所示。
2. 建模與回歸
汽油樣品PCA模型的得分圖
PCA模型中的分數圖顯示了是否存在基于光譜數據對樣本進行分類的基礎。 分類使用了三個主要成分。 此處顯示的分組是顯而易見的，很明顯可以根據光譜數據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信息的波長范圍。 峰在相同的波長范圍內，在光譜中可以看到差異，這證明該模型適合相關信息。 使用辛烷值和光譜數據創建PLS 1回歸模型。 PLS 1模型的結果如下所示。
汽油辛烷值的PLS 1回歸模型
將汽油中的辛烷值與光譜數據相關的PLS 1回歸模型顯示了出色的結果。 校準和驗證相關系數非常高，分別為0.9989和0.9988。 使用了一個主要成分，表明光譜數據非常適合辛烷值的參考值。 預測標準誤差（SEP）等于0.1。 該模型的結果證明，可以使用Brimrose AOTF-NIR光譜儀和校準模型從收集的光譜數據中定量測量辛烷值。
討論和結論
這項研究的結果證明了使用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據測量汽油中辛烷值的可行性。 光譜數據與參考值之間的相關性極好，PCA和PLS 1建模結果證明，可以對樣品進行分類或根據光譜數據定量測量辛烷值。 過去的經驗表明，在實驗室中進行的研究結果可以在現實的在線情況下復制。
AOTF技術使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。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，便可以在顯示器上看到讀數。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。如果讀數超出規格，則可以設置警報極限，并且可以將信號發送到過程控制系統。結論是，可以使用Brimrose AOTF-NIR光譜儀和校準模型從收集的光譜數據中測量辛烷值。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!
◎為實時過程應用提供更便攜，更具成本效益的解決方案
◎用于在線過程應用的微型自由空間近紅外過程分析儀
Brimrose的固態Luminar 4030 AOTF/NIR微型自由空間過程分析儀可直接安裝在生產線上。
其堅固的設計和固態技術允許安裝到生產環境中，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，可集成在各種外殼中，以滿足您的工藝區域需求。但實驗室使用也受歡迎。
Brimrose提供這種堅固耐用的固態分析儀，具有多種不同的配置，可滿足不同行業和應用的高需求。
自由空間分析儀符合制藥行業在線應用的所有要求和標準，即使在最惡劣的環境條件下也能可靠地工作。 集成的AOTFNIR技術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
實時應用
◎混合控制：實時均勻性監控和混合控制過程
◎制藥：100％檢查固體，凝膠，液體和粉末
◎農業/食品：脂肪，蛋白質，水分，淀粉等的在線食品分析
◎聚合物：顆粒，薄膜和涂層的現場測量
◎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特點
美國Brimrose 的AOTF 近紅外光譜分析技術的獨特之處在于非常適合在線質量控制和現場品質檢測。AOTF 近紅外光譜分析技術具有掃描速度快而且不受外界環境如溫度、濕度、灰塵等影響的獨特優勢。這是其他任何分光系統不可比擬的。
基于AOTF 近紅外技術的光譜儀與傳統機械調諧分光元件的光譜儀相比，無論是在定性、定量，還是對生產過程的質量控制顯示了其明顯的優勢。
