校正光谱仪的强度偏差的方法及设备的制造方法
【专利说明】校正光谱仪的强度偏差的方法及设备发明领域
[0001]本发明涉及一种用于校准从样品确定电磁光谱的光谱仪的方法。更具体地，本发明涉及一种校正光谱仪的强度偏差的方法。
【背景技术】
[0002]在食品行业(例如，乳制品行业)内，具有关于各种食物产品的特征(例如其化学成分及其相关联浓度)的知识通常是至关重要的。一种测量这些特征的方法利用光谱仪。光谱仪通常根据包括于电磁光谱的特定区域(例如，光谱的红外部分)中的一个波数或波长集合或者一个波数谱带来测量透射穿过样品或由样品反射的电磁辐射的强度。谱带波数位置可用于借助于样品的化学结构标识样品中的含量。
[0003]待分析的食物产品可为液态、固态或气态形式且保存在样品比色皿中以用于分析。举例来说，液态食物产品可为奶、酒、奶油或酸奶。此外，固态食物产品可为乳酪、肉类、谷物等等。如果样品是液态或气态形式，那么样品在测量期间通常保持在流通型比色皿中。
[0004]光谱仪包括许多敏感光学元件，借此其在其可被使用之前需要经受仔细的校准程序。敏感光学元件暴露到(例如)由光谱仪的操作以及改变的操作条件(例如周围大气条件的改变)诱发的各种类型的损耗。更具体地，在可发起可靠测量之前需要校准强度及波长。在分析同一样品时，两个不同光谱仪的所测量强度通常由于其不同的背景光谱而不同。举例来说，每一背景光谱可包括关于电磁源、光谱仪中的光学零件以及本征检测器性质的信息。因此，需要将背景光谱从所测量的光谱减去以便获得独立于所使用的特定光谱仪的光谱。
[0005]这些光谱仪的问题是其中每一者需要校准，这可为冗长且耗时的任务。幸运地，已研发用于标准化光谱仪的方法以便解决这个问题。在US 5，933，792中，披露了一种用于标准化从样品产生光谱的光谱仪的方法。根据该方法，通过待标准化的光谱仪获得标准化样品(例如水与丙醇的混合物)的一个或若干个光谱，借此每一光谱在预定的频率范围中展示特征图案。接着将这些特征图案与构成来自标准化样品的所期望的标准响应的参考图案进行比较。此后，确定并存储描述将待标准化的光谱仪的所产生的特征图案转变成参考图案的一组标准化参数。因此，根据US 5，933，792中所披露的方法，校准可随意在不同的光谱仪之间转移。通常必须以规则的时间间隔重新校准经校准的光谱仪。
[0006]然而，在操作期间，比色皿通常因其中所包括的样品而降级，这导致校准随时间变得不稳定。
【发明内容】
[0007]因此，本发明概念的目标是提供一种用于校正比色皿路径长度偏差的经改进的方法。
[0008]本发明概念的另一目标是提供一种用于实施这种校正的设备。
[0009]根据本发明概念的一个第一方面，提供了一种用于确定一个样品的一个路径长度偏差的方法。该方法包括:将该样品暴露到多个波数下的电磁辐射，确定在该多个波数下该样品中的电磁吸收，确定与一个吸收谱带的一个第一吸收水平相关联的一个第一波数及与该吸收谱带的一个第二吸收水平相关联的一个第二波数，其中该第二波数不同于该第一波数，确定该第一波数与该第二波数之间的一个差，以及基于该差确定该路径长度偏差。
[0010]辐射装置可被安排为用于将样品暴露到电磁辐射，该电磁辐射在透射之后可由检测器检测到。检测器可被安排为用于检测不同波数下所接收的电磁辐射的强度。所谓路径长度或样品路径长度是指电磁辐射穿过样品的距离。路径长度可视为样品沿平行于经发送穿过样品的电磁辐射的方向的一个方向的厚度。如果样品保持在样品比色皿中，那么样品路径长度将与比色皿内长度延伸一致。比色皿内长度延伸通常视为比色皿的内壁之间的长度延伸。因此，术语比色皿路径长度与样品路径长度可互换地使用。当然，由于比色皿内长度延伸可沿着其内壁变化，因此样品路径长度也可相应地变化。在非限制性实例中，典型比色皿路径长度具有介于30微米到60微米之间的延伸。
[0011]所谓路径长度偏差是指与路径长度的标称值或参考值的偏差。举例来说，路径长度的参考值可为特定时刻的路径长度。在非限制性实例中，通过本发明方法所确定的典型路径长度偏差介于I微米与5微米之间。应理解，一旦确定路径长度偏差，即还可通过加上或减去与路径长度的参考值的路径长度偏差来确定路径长度。应注意，根据替代实施例，本发明方法可用于通过使样品的路径长度与差相关来确定该路径长度的绝对值。
[0012]第一及第二波数可对应于参考液体或参考液体的至少一种组分的电磁辐射吸收谱带。优选地，这种液体在明确界定的波数范围中呈现大量吸收。参考液体的实例包括水及矿物油。
[0013]明显地，可替代地使用波长或频率来替代在波数方面表达关于电磁辐射的光谱信息。此外，该多个波数可为离散波数集合，或替代地，连续的波数集。优选地，电磁辐射为多色的，但同样地还可设想单色辐射。还应理解，替代确定样品中的电磁吸收，同样可确定电磁强度或透射。
[0014]根据本发明概念，可基于第一波数与第二波数之间的差确定样品的路径长度偏差，这意味着当本方法适用时，US 5，933，792中所规定的方法可变得多余。更具体地，为校正路径长度偏差，无需利用标准化样品(例如水与丙醇的混合物)。因此，当标准化样品难以引入到光谱仪时，本发明概念可为有利的。上述情形可在光谱仪是在线工艺的部分且难以接达时发生。
[0015]另外，无需将所测量的光谱的特征图案与参考图案进行比较。因此，提供了一种用于校正比色皿路径长度偏差的经改进的方法。鉴于比尔-郎伯定律(其描述所测量的强度与路径长度之间的关系)，因此还可通过本发明概念校正强度偏差或替代地吸收率偏差。
[0016]在某些情况中，由于特定波数范围中的大量吸收，因此可能难以或不可能测量某一化学官能团的强度。尽管如此，借助于本发明方法，仍可确定这种范围的宽度，这又可与路径长度偏差相关。因此，在某一准确程度上，甚至在存在大量吸收的波数区域中，可确定路径长度偏差，其中强度信号可为实质上饱和的(或取决于如何执行测量而低于噪声本底)。
[0017]本发明概念的额外优势为提供一种用于基于样品(例如，参考流体)的个别光谱检测路径长度偏差的方法。
[0018]本发明概念的又一优势为无需本领域的处置标准化样品的专业技能。此外，本发明方法可应用于较不标准化的操作环境中。例如，可对光谱仪的一组经允许操作温度存在较弱要求。
[0019]任选地，可通过确定多个吸收水平及多个相关联波数来确定路径长度偏差。
[0020]根据一个实施例，电磁辐射为红外辐射。在这种情形中，待分析的光谱区域涉及红外光谱，即在从大约14 OOOcm 1到1cm 1的范围中的波数(分别对应于在从700纳米到I毫米的范围中的波长)。特定来说，可使用具有从3微米到10微米的波长的中红外辐射。使用红外辐射的优势为红外光谱法是简单且可靠的。另外，大多数有机组分吸收光谱的红外部分。
[0021]根据一个实施例，通过傅里叶变换光谱法确定吸收。在IR光谱法的情形中，可使用傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪。根据替代实施例，通过例如色散光谱法的其他类型光谱法来确定吸收。
[0022]根据一个实施例，第一吸收水平与第二吸收水平相同。第一吸收水平与第二吸收水平可在某一预定的准确水平范围内为相同的。
[0023]根据一个实施例，第一波数及第二波数对应于水的电磁辐射吸收谱带的斜率上的位置。此处，样品可包括水，优选地呈液态形式。在一个实例中，整个样品由水组成。在另一实例中，仅样品的一部分包括水。所使用的水的吸收谱带可为集中于波数1640cm 1处的光谱带，这与水的O-H弯曲振动相关。
[0024]然而，也可设想水的其他吸收谱带。第一波长及第二波长可对应于水谱带的终点。这个实施例的优势为水在可应用本发明方法的典型操作环境中容易获得。举例来说，当使用中红外光谱法来测量液体(例如奶及酒)时，当执行参考测量时通常将水引入到比色皿中。上述情况与现有技术中引入如上文所描述的通常包括非常特定类型的液体的标准化样品形成对比，该液体为标准化光谱仪所需要的额外组分，且可能不容易被待校准设备的用户获得。因此，可仅基于来自水光谱的信息而校正可能比色皿路径长度偏差。这个实施例的另一优势为水是纯净的，或至少可容易净化。
[0025]根据一个实施例，该方法进一步包括以下动作:通过确定与一个第三吸收水平相关联的一个第三波数及与一个第四吸收水平相关联的一个第四波数来估计一个背景光谱。第三吸收水平及第四吸收水平可位于曲线图(其中波数在水平轴上且强度在竖直轴上)中的最大值处或接近于该最大值处。如果满足一组预定的准则，那么所估计的背景光谱可视为足够接近于真实背景光谱。借助于背景光谱，可使原始、未