概要
使用带有透反射探头附件的Brimrose AOTF-NIR手持式光谱仪来扫描三个具有不同辛烷值的汽油样品。第一个样品标记为低辛烷值，辛烷值为87。第二个样品标记为中辛烷值，辛烷值为89。第三个样品标记为高辛烷值，辛烷值为93。导数光谱在1200nm，1400nm，1700nm，1900nm-2000nm和2100-2200.nm的波长区域显示清晰可辨的光谱差异。一阶导数光谱数据已导入化学计量学软件程序The Unscrambler。主成分分析（PCA）显示了三组样品之间的清晰分组。偏最小二乘（PLS）模型表明，可以从光谱数据中定量测量辛烷值。这项研究的结果证明，可以对具有不同辛烷值的样品进行分类，并且可以基于使用Brimrose手持式光谱仪收集的光谱数据对辛烷值进行定量。
介绍
声光可调滤波器（AOTF）的原理是基于各向异性介质中光的声衍射。 该设备由一个与双折射晶体结合的压电换能器组成。 当换能器被施加的RF信号激励时，在晶体中会产生声波。 传播的声波产生折射率的周期性调制。 这提供了一个移动相位光栅，该光栅在适当条件下将使入射光束的一部分衍射。 对于固定的声频，窄频带的光频率满足相位匹配条件并且被累积地衍射。 随着RF频率的改变，光带通的中心也相应地改变，从而保持了相位匹配条件。
AOTF原理图
光谱的近红外区域从800nm扩展到2500nm。在该区域最突出的吸收带是由于泛音和中红外区域中活跃的基本振动的组合所致。能量跃迁在基态与第二或第三激发振动态之间。由于较高的能量跃迁相继发生的可能性较小，因此每个泛音的强度都相继较弱。达到第二或第三激发态所需的能量大约是一阶跃迁所需能量的两倍或三倍。而且，吸收的波长与能量成反比，因此吸收带出现在基本吸收的波长的大约一半和三分之一处。除了简单的泛音外，还会出现组合音带。这些通常包括拉伸以及摇摆模式的一个或多个弯曲。可能有许多不同的组合，因此NIR区域很复杂，许多频带分配尚未解决。
近红外光谱法目前被用作定量工具，其依靠化学计量学来开发将成分的参考分析与近红外光谱的参考分析联系起来的校准方法。 NIR数据的数学处理包括多线性回归（MLR），主成分分析（PCA），主成分回归（PCR），偏最小二乘（PLS）和判别分析。所有这些算法都可以单独使用或组合使用，以达到定量预测和定性描述样品中目标成分的目的。
方法
使用带有透反射探头附件的Brimrose AOTF-NIR手持式光谱仪来扫描三个具有不同辛烷值的汽油样品。 第一个样品标记为低，辛烷值为87。第二个样品标记为中，辛烷值为89。第三个样品标记为高，辛烷值为93。每个读数收集100次扫描， 平均一个频谱。 每个样品收集十个光谱，总共三十个光谱。 波长范围为1100nm至2300，分辨率为2nm。 将原始光谱数据后处理为吸光度和一阶导数。 一阶导数光谱已导入化学计量学软件程序The Unscrambler。 对一阶导数光谱进行PCA分析。 使用一阶导数光谱和辛烷值参考值创建了PLS 1回归模型。
结果
1. 光谱
汽油样品的原始透射光谱和吸收光谱
原始透射光谱被后处理为吸光度和一阶导数。 下面的两个图显示了吸收光谱和透射光谱。
在1700nm附近的C-H拉伸吸收区有一个大的吸收峰。 这是可以预料的，因为术语辛烷是指与连接到氢分子的所有其他键结合在一起的八个碳分子。 在三个样品之间的吸收光谱中，可见光谱差异很小。 一阶导数光谱将使这些差异更加明显。 下图显示了一阶导数光谱。
汽油样品的一阶导数光谱
一阶导数光谱在1200nm，1400nm，1700nm，1900nm-2000nm和2100-2200.nm的波长区域中显示出样品之间清晰可见的光谱差异。 下图显示了其中一些波长区域中一阶导数光谱的差异。
汽油样品从1176nm到1241nm的一阶导数光谱
三组样本之间的分组很清楚。 下图显示了光谱差异明显的其他波长区域。
汽油样品从1696nm至1732nm的一阶导数光谱
汽油样品从2116nm到2154nm的一阶导数光谱
三组光谱之间的差异很明显，将为分类分析和辛烷值的定量测量提供基础。 一阶导数光谱已导入化学计量学软件程序The Unscrambler。 创建PCA模型用于分类目的。 创建了PLS 1回归模型，将一阶导数光谱与辛烷值相关。 建模结果如下所示。
2. 建模与回归
汽油样品PCA模型的得分图
PCA模型中的分数图显示了是否存在基于光谱数据对样本进行分类的基础。 分类使用了三个主要成分。 此处显示的分组是显而易见的，很明显可以根据光谱数据对三组样本进行分类。 PCA模型的载荷图显示了该模型获得相关信息的波长范围。 该PCA模型的第一个主要成分的载荷图如下所示。
汽油样品PCA模型的第一个主要成分的载荷图
载荷图中的峰表示模型获得其相关信息的波长范围。 峰在相同的波长范围内，在光谱中可以看到差异，这证明该模型适合相关信息。 使用辛烷值和光谱数据创建PLS 1回归模型。 PLS 1模型的结果如下所示。
汽油辛烷值的PLS 1回归模型
将汽油中的辛烷值与光谱数据相关的PLS 1回归模型显示了出色的结果。 校准和验证相关系数非常高，分别为0.9989和0.9988。 使用了一个主要成分，表明光谱数据非常适合辛烷值的参考值。 预测标准误差（SEP）等于0.1。 该模型的结果证明，可以使用Brimrose AOTF-NIR光谱仪和校准模型从收集的光谱数据中定量测量辛烷值。
讨论和结论
这项研究的结果证明了使用Brimrose AOTF-NIR手持式光谱仪与透反射探头附件和校准模型收集的光谱数据测量汽油中辛烷值的可行性。 光谱数据与参考值之间的相关性极好，PCA和PLS 1建模结果证明，可以对样品进行分类或根据光谱数据定量测量辛烷值。 过去的经验表明，在实验室中进行的研究结果可以在现实的在线情况下复制。
AOTF技术使Brimrose Luminar Free Space光谱仪成为在线或离线实时测量的理想工具。 AOTF技术可在不移动部件的情况下进行快速扫描，而无需重新校准系统。在这种情况下，可以使用本研究中使用的相同类型的光谱仪进行离线测量。可以将显示器放置在光谱仪的前面，并且一旦获得读数，便可以在显示器上看到读数。如果需要在线测量，可以在过程中放置流通池。流通池将连接到馈入光谱仪的光纤。如果读数超出规格，则可以设置警报极限，并且可以将信号发送到过程控制系统。结论是，可以使用Brimrose AOTF-NIR光谱仪和校准模型从收集的光谱数据中测量辛烷值。建议进行进一步讨论，以确定使用Brimrose AOTF-NIR光谱仪在线或离线测量汽油中辛烷值的最佳方法。
光谱仪选择
Luminar 4030 AOTF-近红外微型自由空间过程分析仪
◎基于漫反射光学模式的非接触式无损测量
◎Brimrose 分析软件 – Snap32!
◎为实时过程应用提供更便携，更具成本效益的解决方案
◎用于在线过程应用的微型自由空间近红外过程分析仪
Brimrose的固态Luminar 4030 AOTF/NIR微型自由空间过程分析仪可直接安装在生产线上。
其坚固的设计和固态技术允许安装到生产环境中，其微型尺寸允许在空间紧张的情况下实施，例如小型真空干燥器，管道，流化床等。这种高速近红外分析仪基于漫反射光学系统，可集成在各种外壳中，以满足您的工艺区域需求。但实验室使用也受欢迎。
Brimrose提供这种坚固耐用的固态分析仪，具有多种不同的配置，可满足不同行业和应用的高需求。
自由空间分析仪符合制药行业在线应用的所有要求和标准，即使在最恶劣的环境条件下也能可靠地工作。 集成的AOTFNIR技术提供出色的信噪比和超高速扫描速率，可以实时，在线和实验室精度进行分析。
主要特征
◎双光束，预对准灯组件，InGaAs探测器
◎快速扫描速度 – 16,000波长/秒
◎SNAP32! Brimrose 分析软件，使用Brimrose宏语言
◎6mm或10mm直径样品区域，45mm或55mm采样距离
◎同一不锈钢外壳中的微型集成电子和光学模块
实时应用
◎混合控制：实时均匀性监控和混合控制过程
◎制药：100％检查固体，凝胶，液体和粉末
◎农业/食品：脂肪，蛋白质，水分，淀粉等的在线食品分析
◎聚合物：颗粒，薄膜和涂层的现场测量
◎纺织品：在线测量棉/涤纶比例
◎干燥过程：直接放置在喷雾或流化床干燥器上
◎纸浆和纸张：在线厚度和涂层分析
◎烟草：尼古丁，糖，钾等的测量
美国BRIMROSE AOTF 近红外光谱分析技术特点
美国Brimrose 的AOTF 近红外光谱分析技术的独特之处在于非常适合在线质量控制和现场品质检测。AOTF 近红外光谱分析技术具有扫描速度快而且不受外界环境如温度、湿度、灰尘等影响的独特优势。这是其他任何分光系统不可比拟的。
基于AOTF 近红外技术的光谱仪与传统机械调谐分光元件的光谱仪相比，无论是在定性、定量，还是对生产过程的质量控制显示了其明显的优势。
