应用案例：使用PRONIR光谱仪测量钬和镝玻璃滤光片的近红外吸收光谱

关键词：近红外光谱；ProNIR光谱仪；稀土元素；镨钕玻璃滤光片；钬玻璃滤光片；

引言

稀土元素是周期表中由15种镧系元素（从镧到镥）以及钪和钇组成的17种化学元素组，其定义由国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）确立。

某些稀土元素（如钕、镨、铒、钬）以三价离子形式存在时，在紫外（UV）、可见（Vis）及近红外（NIR）区域呈现出鲜明的吸收峰。

钬、双钕（钕与镨的混合物）及氧化铈是具有一系列特征鲜明吸收峰的稀土元素，常用于校准分光光度计在紫外、可见及近红外区域的波长标尺。这些元素被广泛用于波长鉴定，并获得所有主要药典和监管机构的认可。

测量宽光谱范围（即190至2500纳米）的吸收光谱需要两组光源（氘灯用于紫外光谱，卤钨灯用于可见-近红外光谱）以及两台工作范围不同的探测器。首台探测器通常采用硅基电荷耦合器件（CCD）或光电倍增管（PMT），其最佳工作范围为200至850纳米；而第二台探测器通常采用砷化铟镓（InGaAs），其最佳工作范围为850至2500纳米。

由于检测范围和仪器条件（如狭缝宽度和光栅）不同，宽范围吸收光谱需要用户进行两次独立测量：首次在200至850纳米范围内测量，第二次在850至2500纳米范围内测量，且第二次测量条件与首次不同。

本应用说明采用ProNIR光谱仪，在配备W20光源、标准比色皿架及固体样品架的实验装置中，测定了钬氧化物与镨氧化物玻璃滤光片的近红外吸收光谱（850至2500 nm）。此外，还探讨了结合两台光谱仪采集数据以获得宽范围吸收光谱的优势。本文所呈现数据均通过全新软件包LightScan 2.0获取。

材料与方法

试剂

• 钬玻璃滤光片；
• 钕玻璃滤光片；

仪器及配件：

• W20光源；
• 标准比色皿支架；
• 直径600微米可见-近红外光纤；
• 固体样品支架；
• ProNIR光谱仪（狭缝：50微米；光栅：150条沟槽/1200纳米；热电冷却探测器：滨松512像素探测器）；

图1 – W20光源（1）、标准比色皿支架（2）、固体样品支架（3）、ProNIR光谱仪（4），用于测量钬和镨钕玻璃滤光片的近红外吸收光谱。

实验步骤

1. 将每块稀土玻璃滤光片插入固体样品托架；
2. 启动ProNIR检测器并冷却至-20ºC，以显著提高信噪比和采集稳定性；
3. LightScan软件中选定的仪器设置详见表1；

表1 – 用于这些实验测量的仪器设置。

结果

钬玻璃滤光片和镨钕玻璃滤光片的紫外-可见-近红外吸收光谱（波长范围达900 nm）已通过新型FAbS分光光度计测得，如图2所示。有关氧化钬玻璃滤光片吸收峰的详细信息可参见其他文献。

图2——用新型FAbS分光光度计测得的钬（蓝线）和镝（黄线）玻璃滤光片的归一化吸收光谱。

钬玻璃滤光片与镱玻璃滤光片均能在300至900纳米波长范围内提供清晰锐利的吸收峰。相较于钬玻璃滤光片，镱玻璃滤光片具有更宽的光谱覆盖范围，使其更适合作为波长参考材料，用于验证分光光度计的波长标度。然而，尽管光谱范围更广，镝镨玻璃滤光片并未获得所有主要药典认可用于波长精度测试。目前仅钬玻璃滤光片是经批准用于此目的的唯一固态参考标准。

关于钬与镝在近红外区域（900至2500纳米）的吸收光谱数据极为匮乏。钬玻璃滤光片的透射光谱报告寥寥可数，钐玻璃滤光片仅发现一份透射光谱数据。图3与图4分别展示了钬玻璃滤光片与钐玻璃滤光片在300至2500纳米波长范围内的吸收光谱。除紫外-可见光区域的吸收峰外，钬玻璃滤光片还具有两个近红外吸收峰：首个吸收带出现在1150 nm附近，第二个吸收带位于1900 nm附近，其主峰值约在1960 nm处。

图3所示的近红外吸收带结构与波长与文献中钬玻璃滤光片的透射光谱相吻合。

图3 – 采用FAbS测得的钬玻璃滤光片吸收光谱（300至900 nm，蓝线），以及采用ProNIR测得的吸收光谱（900至2300 nm，黄线）。

与钬玻璃滤光片相比，镱玻璃滤光片在近红外区域具有三个主要宽吸收带。首个观测到的吸收带起始于1300纳米，峰值约位于1520纳米。第二条带起始于1750 nm，峰值约在1920 nm。第三条也是最后一条带起始于2300 nm，峰值约在2430 nm。图4所示的近红外吸收带结构与波长均与文献记载的透射光谱一致。

图4 – 采用FAbS测得的镨钕玻璃滤光片吸收光谱（300至900 nm，蓝线），以及ProNIR测得的吸收光谱（900至2300 nm，黄线）。

本应用说明演示了如何使用搭载全新LightScan 2.0系统的FAbS和ProNIR光谱仪，轻松测量钬氧化物和镨氧化物玻璃滤光片在180至2600纳米波段的宽吸收光谱（分别见图3和图4）。这款全新软件作为简洁而强大的光谱分析平台，可实现所有设备的互联互通，充分释放光谱系统的潜力。数据采集由LightScan 2.0统一控制，并支持通过两台工作范围不同的光谱仪进行同步测量。

结论

采用新型LightScan 2.0软件和新型ProNIR光谱仪，测量了钬和镨钕氧化物玻璃滤光片的吸收光谱，测量波长范围为850至2500纳米。

ProNIR上的热电冷却探测器可实现吸收、透射和反射光谱的卓越采集，噪声极低，采集时间范围从毫秒到秒级。此外，它还为近红外范围内的发射测量提供了极高的灵敏度。

ProNIR获取的吸收光谱与法布里-珀罗光谱仪在300至900nm波段测得的数据实现完美重合，尤其在850至900nm区间呈现完全吻合。实验证实，两种校准基准材料——钬玻璃滤光片与镨钕玻璃滤光片的吸收光谱，其FAbS测量结果与ProNIR测量结果完全吻合。这表明通过同步采集技术整合两台光谱仪，可获得宽范围吸收光谱数据。该同步采集方法可在数秒内完成单次测量，为用户提供185至2500纳米的宽广光谱范围。此功能已集成于新版LightScan 2.0软件中。