利用 AOTF-NIR 光谱技术在线测量 Glatt 流化床湿度

摘 要 本文采用美国 Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3075 型小型光谱仪通过蓝宝石视 窗对 Glatt 流化床中的样品进行扫描，对样品的一阶微分光谱图变化区域进行了分析，最终 建立了吸收光谱偏最小二乘法（PLS1）回归模型并显示了良好的结果，模型只用了 3 个主成 分数，预测的标准误差是 0.31，模型的相关系数为 0.9853。实验结果显示，美国 Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3075 小型光谱仪使用光谱数据和校准模型完全能够测定在线 Glatt 流化床的湿度值。

主题词    声光可调滤光器；近红外；流化床；偏最小二乘法（PLS1）

传统的红外分光光度技术采用棱镜或光栅做色散元件，以这些色散元件为核心的红外光 谱测量系统，结构复杂，设计和生产成本高，使得分析检测仅适于实验室条件下应用。自

 

20 世纪 80 年代后期，一种新型的色散元件——声光可调滤光器（Acousto-optic tunable filter，简称 AOTF）逐渐受到人们的重视。AOTF 是基于各向异性的双折射晶体的声光衍射 原理，利用超声波与特定的晶体作用而产生分光的光电器件。与传统的基于机械调谐分光元 件的光谱仪器相比，以 AOTF 作为分光元件的光谱仪具有明显的优越性：它结构简单，光学 系统无移动性部件，体积小，集光能力强，最吸引人之处在于它的波长切换快、重现性好， 程序化的波长控制使得这种仪器的应用具有更大的灵活性，尤其是外部防尘和内置的温度、 湿度集成控制装置，大大提高了仪器的环境适应性，加之全固态集成设计产生优异的避震性 能，使其近年来在工业在线和现场（室外）分析中得到越来越广泛的应用。

 

1.实验部分

1.1  仪器条件和样品处理

仪器：美国 Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3075 小型光谱仪，光谱范围 1100～2150nm， Snap!光谱采集处理软件，The Unscrambler 定量分析软件。德国 Glatt 流化床。

样品：Glatt 流化床干燥器上在线采集样品。

1.2 实验方法

可用电池操作的美国 Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3075 小型光谱仪可以用于旋转混 料机，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装一个特殊的托 槽，以便能够安装分析仪。用一个特殊设计的法兰集成来置换现存的 glatt 的视窗，法兰集 成包括一个蓝宝石窗口，使光线能够从光谱仪到达干燥器内部干燥的药末。从药末反射回来 的光线通过相同的窗口进入光谱仪用来检测其强度。法兰集成也包括一个擦拭器，擦拭掉可 能粘在窗口上的粉末，这样就能保证新的样品被扫描。仪器使用的是 24 伏的电源，并且不

需要冷却。光谱仪被做成小型化以适应视窗的狭小空间，并且通过标准的以太网线与配套的 电脑进行信息交流。高速扫描能够在 5 秒内收集 200 个扫描结果。当在瞬间扫描光谱时将会 提供一个很好的信噪比率，防止了光谱收集中的湿度变化影响到检测结果。

 

1.3 数据收集和取样

从 FBD 取样口取出一个样品，一些样品被收集了 3 次光谱，一些被收集了 7 次。样品在 最后几次润湿和干燥的阶段中被收集起来，用塑料袋包装、密封、标识，用于湿度值的分析。 光谱以吸收形式收集并处理成一阶微分光谱，然后转化格式，用 CAMO 的化学计量学软件 Unscrambler 进行化学计量学分析。

 

2. 结果与讨论

 

2.1 光谱图

图 1、流化床干燥器中药末的吸收光谱图                              图 2、流化床干燥器中药末的一阶微分光谱图

 

 

图 1 清晰地显示着在吸收光谱中存在着差异，然而图表并不是很容易解析。这种变化不 仅源自粉末中的成分变化，而且源自由于视窗前的流化床的运动造成的微粒密度的变化。密 度变化并不反映成分的变化，而是被当作基线的一个漂移。化学计量学软件很好的控制着基 线漂移，并且不被测量过程所干涉。

图 2 的一阶微分光谱图去除了基线漂移的影响，重点放在了化学物质的不同上。被箭头 标示的区域是最大的化学变化的发生区域。最大的变化在 1360nm 到 1500nm 和 1830nm 到 2000nm 这两个区域内发生，这两个区域也是期望能看到由于湿度变化导致的光谱变化的区 域。

2.2 回归与建模

图 3、对照 LOD 湿度的吸收光谱偏最小二乘法（PLS1）回归模型

没有烘干的样品的吸收光谱偏最小二乘法（PLS1）回归模型显示了良好的结果。只应用 了 3 种主成分预测的标准误差是 0.31，模型的相关系数为 0.9853，对于使用少量的样品来 说这是非常理想的。运用从 Karl-fischer 方法得出的更精确的相关湿度值将会得出更好的 回归结果。在回归模型中每一个光谱都被当作一个独立点，因为它们在收集时间上仅有细微 的差别，可是参考值是一样的，因为所有的粉末都是取自同一个混合的样品。

图 4、对照 LOD 湿度的吸收光谱的偏                                             图 5、PC1 的加载权

最小二乘法（PLS1）模型的回归系数

图 4 的回归系数显示了含有模型的相关信息的波长区域，此图显示了模型的相关信息来 自水分吸收的波长区。因而湿度的变化也导致了光谱数据的变化，而且通过使用光谱数据和 一个校准模型，模型也可以用来检测湿度变化。

图 5 的 PC1 加载权显示着 PC1 的回归模型的波长区域。98%的 X 数据和 81%的 Y 数据在

PC1 中得到了解释。

图 6、PC2 的加载权                                                     图 7、PC3 的加载权

图 6 中的 1%的 X 数据和 16%的 Y 数据在 PC2 中得到了解释。PC1 和 PC2 中的 X 数据总量

是 99%，Y 数据的总量是 97%。

另外在图 7 中 1%的 X 数据和 1%的 Y 数据在 PC3 中得到了解释，这样 X 数据总量是 100%， Y 数据的总量是 98%。这三个加载权都显示了在 1450nm 到 1940nm 范围的水分吸收波峰

的强烈影响。

3．结论和建议

可以得出结论，美国 Brimrose 公司 AOTF-NIR Luminar3075 光谱仪使用光谱数据和校 准模型完全能够测定在线 Glatt 流化床的湿度值，考虑到少量的样品和湿度参考值的误差， 这次研究结果非常好。建议使用通过 Karl-fischer 方法获得的相关数据的更大的校准集来 创建一个功能更强，并能达到使用光谱数据预测 Glatt 流化床内的湿度值的模型。

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