为什么控制温度可以获得准确性和重复性更高的近红外光谱测量结果

本文探讨了温度对近红外吸收光谱的影响，以及为什么控制温度至关重要—尤其是在分析液体样品时，旨在帮助您了解如何提高近红外光谱测量的准确性和重复性。

近红外光谱简介

近红外光谱是一种基于光与物质间相互作用的分析方法。近红外光谱仪通过测量样品在780~2500 nm波长范围对近红外区域光的吸收，据此检测液体和固体的化学参数、物理参数和流变参数：不仅可在1分钟内快速获得结果，而且无需样品前处理或化学试剂。不过，由于近红外光谱是一种辅助分析方法，因此需要先使用滴定等参考方法来建立一个预测模型。

您可查阅我们的博客文章，了解有关近红外光谱基础知识的更多信息。

博客文章：什么是近红外光谱？

振动跃迁与温度的相关性理论

解释分子振动特性的基本模型是谐振子模型（图 1）[1,2]。

图1. 用于描述分子振动的谐振子模型示意图，仅包含离散能级（n = 0、1、2 等）和振动模式。

这一理论是在量子力学的框架内发展起来的，可以使用以下公式来表述分子或官能团的振动能量：

E = Energy

n = quantum level

h = Planck constant

ν = frequency

如图1及上述公式所示，谐振子模型认为只存在某些特定的离散能级（量子态 n）。因此，不同振动状态（如，n = 0 到 n = 1）之间的转换只有在特定能量（ΔE）存在时才会发生。

∆E = hν

能量差∆E取决于普朗克常数h和频率ν，其中ν受分子或官能团内原子结合强度的影响。由于计算出的能量差在红外（IR）光和近红外（NIR）光的范围内，因此红外光和近红外光可以诱发振动跃迁。此外，该模型还解释了为什么产生的吸收谱带可与不同的官能团相关联。

虽然谐振子公式中没有明确提到温度，但温度却起着重要作用，因为它决定了分子所处的能级。分子处于某种能级的概率可由玻尔兹曼分布[3]来描述：

P_n = probability of population of quantum level n

E_n = energy

k_b = Boltzmann constant

T = temperature

Z = partition function

在极低的温度下，分子主要占据较低能级（n = 0）。随着温度的升高，分子占据较高能级（n = 1、2、3...）的概率也随之增加。

同时，温度还会影响分子的运动，进而影响谱带的宽度。在较高的温度下，由于多普勒效应和分子碰撞的增加，分子的流动性更高，因此会导致谱峰变宽。这些因素的影响在气体中比在液体中更加明显，而在固体中则不明显[4]。

温度变化对近红外光谱测量结果的影响

为了研究温度对近红外光谱测量结果的影响，我们选择了多种液体应用，并对其在特定温度下测量结果的变化进行了监测。此次研究的温度范围为26-38℃。

在每个温度下对样品重复测量三次，确定近红外光谱测量结果的重复性误差。每次测量均使用 OMNIS 奥秘一代近红外光谱仪（液体）和 OMNIS 奥秘一代软件进行。样品容器采用光程为 8 mm、总容量为 1 mL的标准玻璃样品瓶。使用 OMNIS 奥秘一代近红外光谱仪的内置温控功能进行温度控制。其中，具有代表性的系列测量见表 1。

表1. 多元醇样品的系列测量。使用 OMNIS 奥秘一代近红外光谱仪将样品冷却至 25℃，并在此温度下保持 300 秒，然后将样品加热至目标温度（如，26℃），并开始测量。该过程再重复两次，每个目标温度总计测量三次。

从定性角度来看，在相同温度下进行的测量具有很高的重复性，这一点从光谱的良好重合度（图 2a）可以看出。图 2b 所示定量分析的重复性则进一步证实了这一点，根据重复测量结果计算得出的重复性误差很低（绝对误差 = 0.05 mg KOH/g，相对误差 = 0.20%）。

图2. a) 在相同温度（T = 26 ℃）下测量的三个光谱的叠加，没有本质区别。b) 相同温度（T = 26 ℃）下重复性测量的结果。

在比较不同温度下测量得到的近红外光谱时，可以直观地看到光谱形状的不同（图 3a）。这种变化会影响近红外光谱的测量结果，如图 3b 所示，在样品温度较高时，测量值呈明显的下降趋势。

图3. 近红外光谱测量结果与温度的关系。 a) 在不同温度下，1900 nm 左右波长区域的光谱形状发生变化，这一点与羟基官能团有关。 b) 不同样品温度下近红外光谱测量值的散点图。

对其它应用的研究也证实了温度对测量结果的影响。图 4 显示了温度对多元醇的羟值、丙二醇单甲醚的水分含量以及柴油的十六烷指数和粘度测量值的影响。对上述多个应用进行比较后发现，测量结果随温度变化呈线性变化。每个参数的温度每变化1℃，测量结果的绝对值就会发生变化，这反映了光谱形状随样品温度变化而发生的一致变化。

图4. 近红外光谱测量结果与样品温度的关系。测量结果的线性变化反映了样品温度每变化1℃，光谱特征就会发生一致的变化。

因此，在测量过程中忽视样品的温度控制将影响近红外光谱测量结果的准确性和重复性。表 2 显示了与每1℃温度变化相关的变化。对于浓度较低的样品，每1℃温度所引起的绝对变化会造成更大的相对误差。

表 2. 不同应用中，样品温度每变化1℃，近红外光谱测量结果的绝对值和相对值的变化。对于浓度较低的相关参数，温度变化引起的相对误差非常显著。

表 3 总结了多元醇示例中所测量参数—羟值的总误差，包括重复性误差以及偏差 1℃ 或 2 ℃时的温度所引起的误差。如表所示，2 ℃的温度偏差已造成超过1%的显著误差。

表 3. 26℃时，近红外光谱测量值为 24.91 mg KOH/g的多元醇样品的总误差（重复性误差和温度变化误差）。

如何提高近红外光谱测量结果的准确性和重复性

图5. 加热样品适配器所引起的 8 mm样品瓶中样品温度的变化（目标温度为 30 ℃）。等待 100 秒后，样品温度（初始温度为 26℃）才达到 30 ℃。

基于上述发现，强烈建议使用行之有效的方法将样品加热或冷却至目标温度。为近红外光谱应用提供总体使用指南的ASTM D6122,中专门强调了这一要求：

A1.5 样品温度

由于密度变化和分子间的相互作用，样品温度对光谱测量的重复性有很大影响，且可能因此影响测量值。

在使用近红外光谱仪时，一种较为常见的解决方案是：先将样品适配器加至目标温度，放入样品后，再使用设定的等待时间来达到热平衡。这种方法所面临的一个挑战是：既要确定适合的等待时间，使得样品达到目标温度，还要充分发挥近红外光谱分析的速度优势。这一点尤其具有挑战性，因为样品的初始温度会受到实验室内季节性变化（如，冬季/夏季）的影响。在许多情况下，等待时间为 30-60 秒，但实验表明这么短的时间其实是不够的（图 5）。

因此，更为适合的方法是：监测样品本身的温度。在上述实验中使用的 OMNIS 奥秘一代近红外光谱仪，由于结合了多个温度传感器和精密算法，从而可以实现这一操作。OMNIS 奥秘一代近红外光谱仪可以设定温控测量，仪器会在测量开始前自动评估和调节样品温度。这一点具有多重优势：

无需设定等待时间，即可准确达到目标温度，还可保持很快的分析速度。
在测量过程中，可减少因实验室环境的季节性温度变化而产生的温度波动。

总结

温度变化对近红外光谱测量的影响及其对准确性和重复性的影响并不总是立即显现出来的。这是因为温度波动通常发生在较长的时间段内（如，实验室的季节性温度变化），在开发应用和建立近红外光谱预测模型或库的初始状态下并不那么明显。

不过，如本系列测量所示，这种温度波动会严重影响近红外光谱测量结果的准确性和重复性，样品温度每变化1℃，影响幅度就会超过1%。因此，应该进行温度控制，而且应该使用能够监测样品温度而非样品适配器温度的功能来实现这一点。

参考文献

[1] Heisenberg, W. Über quantentheoretische Umdeutung kinematischer und mechanischer Beziehungen. Z. Für Phys. 1925, 33 (1), 879–893. DOI:10.1007/BF01328377

[2] Landsberg, Gr. Molekulare Lichtzerstreuung in festen Körpern. I: Lichtzerstreuung im kristallinischen Quarz und ihre Temperaturabhängigkeit. Z. Für Phys. 1927, 43 (9–10), 773–778. DOI:10.1007/BF01397337

[3] Boltzmann, L. Weitere Studien Über Das Wärmegleichgewicht Unter Gasmolekülen. Sitzungsberichte Akad. Wiss. Zu Wien 76, 373–435.

[4] Herzberg, G.; Herzberg, G. Infrared and Raman Spectra of Polyatomic Molecules, 22. print.; Molecular spectra and molecular structure / by Gerhard Herzberg; van Nostrand: New York, 1987.