基于遗传算法的近红外光谱定性分析特征波长提取方法研究

近红外光谱分析技术虽在多领域获得广泛应用,但应用时仍以实验室仪器为主,目前光谱仪存在体积大、功耗高、价格贵等问题,有能力购买与使用此类仪器的主要是高校、科研院所、大型企业等,常用的基于傅里叶变换或光栅原理的光谱仪价格通常高达几十万元,超出中小企业、普通百姓的经济承受能力,因此近红外光谱仪的进一步推广应用仍有难度。降低仪器造价并实现微型化,是推广近红外光谱技术应用的一个重要方向,近红外光谱仪小型化的努力方向有CT正交型光栅技术以及微机电系统技术,但这两种技术方案对光谱仪体积缩小幅度有限,仍存在价格高、内部有移动部件等问题,难以做到真正微型化。据光谱仪的工作原理可知,其价格高低及微型化难度与仪器所能检测波段以及分辨率密切相关,以线性渐变滤光片与InGaAs探测器为例,分辨率越高,检测的波长点越多,其价格越高,制造难度越大。针对某一特定的定性分析任务,若能从大量波长点中挑选出少量特征波长点,并利用挑选得到的少量特征波长点完成对被测样本的定性分析任务,则可降低仪器制造成本,并降低光谱仪微型化难度,从而有利于近红外光谱分析技术的推广与应用。以玉米单倍体和多倍体籽粒作为研究对象,针对两类籽粒分类任务,分多天以漫透射方式采集被研究对象的近红外光谱,按时间顺序将所采数据分为5个数据集,对第1个数据集使用遗传算法提取出10个特征波长点,再将提取得到10个特征波长点,用于剩余4个数据集的单倍体、二倍体鉴别,以检验方法的有效性。实验结果表明使用10个特征波长点能够获得与全光谱基本一致的鉴别效果,说明使用少量特征波长点上的吸光度值也能够有效鉴别单倍体,可为其他领域某特定任务开发低成本便携式微型近红外光谱仪提供借鉴。     

实木板材抗弯强度的SWCSS-GFK-SVM数据迁移建模方法

木材的抗弯强度是木材重要的力学指标.光谱分析操作简单、方便、快速,已成为木材检测的重要手段.但是在应用中,面对检测环境的温湿度变化、仪器部件老化和附件更换等情况,采集到的光谱数据会发生一定程度的偏移.为了解决这一问题,以落叶松抗弯强度的近红外光谱预测模型为研究对象,针对不同类型光谱仪数据差异而导致主机模型泛化能力差的问...     

基于MEMS微镜技术的近红外光谱仪的研究

针对传统近红外光谱仪的不足,设计了基于MEMS微镜技术的近红外光路,并对其电路和处理软件做出简要描述,最后用标准样品进行实验,实验结果表明,该光谱仪在重复性和稳定性得到保证的前提下可以做到小型化、便携化.     

近红外光谱分析仪器的发展概况

近红外光谱分析技术被誉为分析化学领域的“巨人”, 已成为发展最快、最引人注目的光谱分析技术之一。在国外,定性、定量分析所使用的近红外光谱分析仪器已走过了50年的发展历程,并且在不断完善的过程当中;我国的近红外光谱仪器的研制仅仅历经20年的时间,虽然处在起步阶段,但近几年的研究成果还是十分显著的。随着科技的进步,高性能的近红外光谱分析仪器层出不穷。文章就近红外光谱分析仪器从诞生至今的发展史及包括滤光片型、傅里叶变换型、声光可调滤光型等类型在内的五种近红外光谱分析仪的工作原理、特点作了较为详细的评述,并列举了当今国内外主要的近红外光谱分析仪制造商的主流产品。最后,作者展望了近红外光谱分析仪器的发展前景。     

基于双直角分束器的反射式静态傅里叶光谱仪光学系统EI北大核心CSCD

基于双直角分束器设计了一种反射式静态傅里叶变换光谱仪光学系统,并搭建了样机。该光谱仪光学系统的分光装置采用双直角分束器,其他光路全部采用反射式结构,有效折叠光路,与透射式静态傅里叶光谱仪相比,系统体积减小一半以上。用汞灯作为静态傅里叶光谱仪光源时,得到了404.7,435.8,546.1,577.0nm的峰值谱线,实验结果很好地复原了汞灯实际光谱;用波长为650nm的激光进行实验,光谱分辨率约为5.93nm,与理论计算结果基本相符。该光学系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、抗震性强等诸多优点,可为小型化、便携式静态傅里叶光谱仪器的研制提供技术支持。     

基于双直角分束器的反射式静态傅里叶光谱仪光学系统

基于双直角分束器设计了一种反射式静态傅里叶变换光谱仪光学系统,并搭建了样机。该光谱仪光学系统的分光装置采用双直角分束器,其他光路全部采用反射式结构,有效折叠光路,与透射式静态傅里叶光谱仪相比,系统体积减小一半以上。用汞灯作为静态傅里叶光谱仪光源时,得到了404.7,435.8,546.1,577.0nm的峰值谱线,实验结果很好地复原了汞灯实际光谱;用波长为650nm的激光进行实验,光谱分辨率约为5.93nm,与理论计算结果基本相符。该光学系统具有结构紧凑、体积小、重量轻、抗震性强等诸多优点,可为小型化、便携式静态傅里叶光谱仪器的研制提供技术支持。     

便携式近红外漫反射中药质量监控仪的研制

介绍了便携式近红外漫反射中药质量监控仪的设计思想、基本结构、测试条件和使用方法。该光谱仪具有体积小、重量轻、成本低等特点,现场监控中药质量是非常便利的。     

基于便携式近红外光谱仪的重金属离子定量分析研究

近红外光谱分析技术凭借分析速度快、样品预处理简单等特点,被广泛用于农业、医药、环境、石油化工等领域。为实现高效率的现场检测,便携式的近红外光谱仪越来越备受关注。由于近红外光谱分析技术能够对多组分同时进行测定,因此在该研究中使用便携式近红外光谱仪探索同时对稀溶液中多种重金属离子定量分析的可行性。使用胺基改性聚合淀粉富集水中的镍离子和铜离子,然后使用便携式近红外光谱仪直接采集胺基改性聚合淀粉的近红外漫反射光谱,再借助光谱预处理方法和偏最小二乘回归法建立模型,最后通过交叉验证和外部验证证明所建立模型的稳定性。结果表明,在其他干扰离子存在下,氨基改性聚合淀粉仍能分别以99.5%和99.8%高效率地富集稀溶液中的镍离子和铜离子。便携式光谱仪采集的近红外漫反射光谱分别经连续小波变换和多元散射校正结合卷积求导光谱预处理之后,使用偏最小二乘回归能够得到相关系数分别为0.981 9和0.965 4的稳健模型,实现了对稀溶液中镍离子和铜离子的同时测定,并且检测到的镍离子和铜离子的最低浓度均为3.0 mg·L-1。该方法不仅提高了近红外光谱分析技术的检测灵敏度,同时也表明了便携式近红外光谱仪对多种重金属离子同时定量分析的可行性,是一种拓宽近红外光谱分析技术的有益探索。     

面向生物过程的阿达玛变换近红外光谱仪

对生物过程中营养物质的消耗进行监测,有利于控制微生物的生长环境,使其始终处于最佳生长条件,从而使目标产物的产量最大化。针对酵母培养液中甘油、甲醇和葡萄糖含量的监测需求,研制了一种基于阿达玛变换(hadamard transform,HT)技术的近红外光谱仪。该光谱仪使用自主改进设计的近红外原位探头进行光谱信号的收集,采用数字微镜(digital micro-mirror devices,DMD)进行阿达玛模板的编码调制,配合自主开发的光谱采集软件和光谱分析处理软件,实现了培养液中营养物含量的实时监测。给出了光谱仪的光路设计、近红外原位探头改进设计、硬件电路和软件模块的设计。通过实验测得该光谱仪的杂散光为0.875%,波动率为±4.28%。利用该光谱仪对一系列标准浓度的甘油水溶液进行光谱采集和数学建模,实验结果表明该仪器测量准确,能够满足生物过程监测的要求。     

蛋白饲料原料粗蛋白含量近红外光谱模型转移研究

建立良好的蛋白饲料近红外光谱定量分析模型及实现在不同仪器间的模型共享,能极大提高模型的利用效率,满足饲料行业快速发展的需要。针对蛋白饲料原料粗蛋白含量近红外分析模型适用性问题,首次采用光谱差值转移、直接校正和分段直接校正法进行了三台不同类型的近红外光谱仪之间的模型转移研究。实验样品为四种蛋白饲料原料：玉米蛋白粉、菜粕、酒糟和鱼粉。实验仪器包括MATRIX-Ⅰ傅里叶变换型近红外光谱仪(主仪器),Spectrum 400傅里叶变换型近红外光谱仪(从仪器1)和SupNIR-2750光栅扫描型近红外光谱仪(从仪器2)。研究表明,同一样品体系在主仪器和从仪器2上所得光谱数据的差异性相对较小,且均与从仪器1所得光谱数据的差异性相对较大。除分段直接校正法对玉米蛋白粉从仪器2的预测结果无促进作用之外,其他模型的预测均方根误差和系统偏差均明显低于转移前。玉米蛋白粉、菜粕和酒糟样品采用三种方法转移后的模型预测相对分析误差(RPD)均大于3.0,预测效果良好。鱼粉样品模型转移后的预测RPD均大于2.5,预测效果较好。三种方法对于蛋白饲料原料不同仪器间的光谱差异进行了有效校正。该研究结果对于蛋白饲料品质近红外快速分析模型的广泛应用具有重要意义。     

New Developments and Applications of Handheld Raman,Mid-Infrared,and Near-Infrared Spectrometers

Abstract: Recently, miniaturization of Raman, mid-infrared (IR), and near-infrared (NIR) spectrometers has made substantial progress. Though mid-infrared systems are based exclusively on attenuated total reflection (ATR) measurements, near-infrared spectrometers operate in the diffuse reflection or transmission mode. The reduction in size, however, must not be accompanied by deterioration in measurement performance, and portable instrumentation will only have a real impact on quality and process control if Raman, IR, and NIR spectra of comparable quality to laboratory spectrometers can be obtained.

In the present communication, a short overview on the building principles of novel handheld systems will be provided and the results of qualitative and quantitative analyses of selected liquid and solid sample systems obtained with these Raman, Fourier transform infrared (FTIR), and NIR spectrometers will be evaluated in terms of their comparability with laboratory instruments and their suitability for on-site and field measurements.     

HERAS: A helium jet to prevent damage on works of art in Raman experiments

Raman spectroscopy is often used for non‐destructive analysis of works of art, polymers and biological materials, but in some cases, the laser beam can cause damages on the surface being studied due to the deposited beam energy. When possible, such damage can be prevented by minimizing laser intensity or acquisition time, but this is usually available only on high sensitivity bench‐top spectrometers. Portable Raman spectrometers are commonly not so flexible and an alternative is needed to ensure the safe study of sensitive works of art and other fragile materials. A helium jet aimed directly at the laser spot may prevent this damage from occurring and, in some cases, helps improving the Raman spectra. We designed a simple system (HERAS, Helium Raman System) consisting of a pinhole collimator, coupled to a helium line and a gas mass flux control and tested it on pyroxylin, vermilion and ochre paint references and pigment samples, using a 785 nm portable Raman spectrometer at various laser powers. Experimental conditions slightly differ for each sample, but small burns on the surface were avoided in all cases and only some ablation was observed on the most sensitive materials. The use of this coupled system allows the non‐destructive application of Raman to a wider variety of materials, while the technique remains portable. This setup may be used in bench‐top apparatus as well. Copyright © 2013 John Wiley & Sons, Ltd.     

成像光谱仪同心光学系统的研究

介绍了Offner凸面光栅成像光谱仪和Dyson凹面光栅成像光谱仪两种常用的同心光学系统。Offner凸面光栅成像光谱仪采用全反射的形式,使用光谱范围很宽,加工、装调较为简单,受外界环境影响较小;Dyson凹面光栅成像光谱仪在体积和尺寸上的优势较为明显,易于实现整体结构的小型化。给出了这两种成像光谱仪的具体设计实例,两种光学系统的成像质量均能达到较为理想的结果,其结构畸变均＜0005%,在使用光谱范围内,光谱分辨率均能到达3 nm,具有高质量的光学传递函数。最后,给出了配合成像光谱仪使用的多种前置光学系统的结构形式,并讨论了消除系统杂散光的方法及消除光谱级次重叠的方法。     

小型宽波段凹面全息光栅单色仪的优化设计

随着户外物性分析实验的日渐增多,开发轻小型、便携式,且响应波段范围宽的光谱仪器的需求越来越迫切。根据凹面全息光栅均方根优化理论,设计了一款轻小型宽波段单色仪。该单色仪主要由三块IV型凹面全息光栅和上下两层可旋转的平台组成,三块光栅对称地固定于上层平台上,由一台步进电机带动上层平台旋转实现光栅之间的切换,另一台步进电机带动下层平台旋转实现单块光栅的扫描。三块光栅的响应波长范围分别为400～1000,1000～1700和1700～2500nm,其理论分辨极限分别优于2.5,2.8和4.0nm。并对三块光栅的制作误差和双层平台结构误差进行了分析,结果表明,在能够保证的误差范围内,该单色仪的光谱质量可以较好地满足户外光谱分析的要求。     

Fast detection of sulphate minerals (gypsum,anglesite, baryte) by a portable Raman spectrometer

Well‐resolved Raman spectra of gypsum, anglesite and baryte were detected using a portable Raman instrument (Ahura First Defender XL) in the laboratory and outdoor under atmospheric conditions. Spectra were obtained using a 785‐nm excitation. The portable spectrometers display generally lower spectral resolution compared with the laboratory confocal instrument but permit the fast, unambiguous detection of minerals under field conditions. Portable Raman instruments can be advocated as excellent tools for field geological, environmental as well as exobiological applications. A miniaturized Raman instrument will be included in the Pasteur analytical package of the ESA ExoMars mission and interesting research applications can now be proposed for in situ field planetary studies. Additionally, portable Raman instruments represent an ideal tool for demonstrating possible applications of Raman spectroscopic techniques outdoor. In geosciences this approach represents a new field which could completely change classical field work. Copyright © 2009 John Wiley & Sons, Ltd.     

光谱成像仪快速光谱定标方法研究

光谱定标是确定光谱仪器各通道中心波长的过程,为了获取光谱辐亮度,通常需要对光谱仪器进行辐射定标,将光谱仪器输出的数值,映射为物理量——辐亮度。不同的光谱仪器的光谱响应不同,因此还需要在光谱定标过程中确定各个通道的光谱响应。光谱成像仪可以看成是多个光谱仪组成的,需要对所有点的中心波长和光谱响应进行定标。自第一台成像光谱仪诞生以来,其定标方法逐渐固定,通常需要采用光谱分辨率较光谱成像仪更高的单色仪输出准单色光进行光谱定标,其准单色光的光谱带宽远小于光谱成像仪的光谱响应带宽,可以将准单色光抽象为脉冲函数。根据脉冲函数的特性,改变准单色光的波长,扫描光谱成像仪的响应波长范围,是对光谱响应函数进行间隔采样的过程,通过光谱定标数据可以直接得到光谱成像仪的中心波长和光谱响应函数。随着技术的发展,探测器的灵敏度越来越高,光谱成像仪的分辨率也越来越高,为了完成光谱定标,对光谱定标需要的准单色光提出了更高的要求。然而准单色光的带宽越窄,其能量越低,获取满足信噪比要求的数据需要更长的时间,使定标的效率降低。从光谱定标的目的出发,结合准单色光和光谱成像仪光谱响应近似高斯函数的特点,通过理论分析,提出一种利用宽...     

Comparison of matrix effects on portable and stationary XRF spectrometers for cultural heritage samples

In this work, we compare the matrix effects for two different X-ray fluorescence spectrometers, a portable and a stationary one, in order to evaluate their performances in terms of scattering radiation for different matrices. Five reference materials were analyzed: orchard leaves (NBS-1571), clay (ISE-954), bone ash (NIST-1400), 70% copper alloy (BCR-691) and 22 ct gold alloy (Fisher). The results obtained showed similar behavior for both spectrometers. The lowest background was obtained for the light matrix and an increase was observed for intermediate atomic number matrices, reaching a maximum for copper and gold alloys.     

便携式拉曼光谱仪用于合成大麻素类物质快速定性分析探究

我国于2021年7月将合成大麻素类物质整类列入管制,在一线查缉现场对疑似合成大麻素样品进行快速定性分析是办案民警的迫切需求。研究系统考察了拉曼光谱对合成大麻素的整体区分能力,比较了四款手持式拉曼光谱仪分析实际缴获样品时的结果差异,探讨了制约拉曼光谱在一线查缉现场广泛应用的原因。ProTT-EZRaman-A7便携式拉曼光谱仪的整体性能介于台式拉曼和手持式拉曼之间,选用该仪器采集了90种合成大麻素对照品的拉曼光谱,并利用兼容性强的KnowItAll软件建立了90种合成大麻素通用拉曼光谱库。分析90种合成大麻素的拉曼光谱,结果表明,当不存在荧光干扰时,拉曼光谱可以区分所有合成大麻素物质,但对部分结构相差一个甲基、卤素原子等的结构类似物区分度欠佳。不同款拉曼光谱仪的性能差异大,为考察其原因,本研究选用了四款手持式拉曼光谱仪分别对120份实际缴获合成大麻素样品进行了测定,随后使用KnowItAll软件并选用包含90种合成大麻素的通用拉曼光谱库对每张光谱图进行谱库检索。四款手持式拉曼光谱仪的正确匹配率分别为71.7%, 68.3%, 46.7%和24.2%。抗荧光干扰能力和分辨率的不同是造成不同...