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便携式近红外光谱仪研究进展
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摘要:近红外(near-infrared,NIR)波段是指在780~2 500 nm波长范围内介于可见光和中红外之间的电磁波。NIR技术作为高效、快速定量和定性的绿色分析方法,近年来受到广大科研工作者的关注。便
近红外(near-infrared,NIR)波段是指在780~2 500 nm波长范围内介于可见光和中红外之间的电磁波。NIR技术作为高效、快速定量和定性的绿色分析方法,近年来受到广大科研工作者的关注。便携式近红外光谱仪是指小型能够手持和手提或者车载的近红外分析仪器。这类近红外光谱仪轻便、易携带、功耗低、检测速度快、成本低,广泛应用于农业、医药、地质和环境等多个领域[1-4]。微机电系统(micro electro mechanical system,MEMS)和微光机电系统(micro opto electro mechanical system,MOEMS)技术的发展推动着近红外仪器的微型化,基于MEMS技术的不同类型便携式近红外光谱仪已经在国内外推广使用。分光是光谱仪的基础,根据分光不同,便携式近红外光谱仪主要分为扫描光栅型、阵列检测型、滤光片型、阿达玛变换型和傅立叶变换型等类型。本文通过介绍典型便携式近红外光谱仪的研究进展、特点以及近红外光谱分析方法,总结并分析了便携式近红外光谱仪在农业工程方面的应用,预测其在“互联网+”背景下的发展趋势和前景。
1 近红外光谱分析技术
近红外光谱分析技术是近红外光谱测量技术结合化学计量学,通过建立校正模型,对未知样品进行定性或定量分析的绿色、便捷的间接分析技术[5]。以NIR技术为原理的近红外光谱仪有反射、透射和透反射等分析方式,对气体、液体、粉末和块状的样品进行分析和鉴别[6-8]。
2 便携式近红外光谱仪类型
便携式近红外光谱仪器一般由光源、取样器、分光器、检测器和软件系统组成。光源发出的光作用于样品后,经分光系统得到单色光,由检测器接收光电信号,得到近红外光谱,光谱信息经过数据处理系统分析后,结果可由显示器等显示。相较于传统近红外光谱分析仪器,便携式近红外光谱仪在工作原理上与传统近红外光谱仪器相同,而在体积、性能和检测方法等方面都发生了极大的变化。
将复色光色散成单色光是光谱仪的基础。由于分光技术的不同,便携式近红外光谱仪主要可分为经典色散型和调制变换型。经典色散型通过对不同波长光进行空间或时间上分离;调制变换型则将不同波长的光进行波分复用,光谱信号需要经过逆变换完成光谱重构。
随着微光机电系统和微机电技术的进一步发展,近红外光谱仪将传统的光、机、电元件集装在芯片内部,使其具有微小、集成度高、智能化和廉价等特点,更适合在实际生产中推广及应用,从而加速推进了近红外光谱仪小型化的发展趋势[9],使该类型的光谱仪成本低廉,结构紧凑,使用方便。
2.1 经典色散型便携式近红外光谱仪
经典色散型便携式近红外光谱仪包括阵列检测型、光栅扫描型和滤光片型等。表1所示为不同色散型便携式近红外光谱仪的性能对比。
表1 不同色散型便携式近红外光谱仪性能Table 1 Performances of portable near-infrared spectrometer with different dispersion types仪器Instrument型号Model类型Type尺寸/mmSize光谱范围/nmSpectralrange光学分辨率/nmOpticalresolution研发机构Researchinstitute应用Application文献ReferenceMOEMS-扫描光栅近红外光谱仪MOEMS-scanninggratingnear-infraredspectrometer-光栅扫描型-950~德国夫琅禾费研究所(IPMS)工业[10]便携式野外岩石矿物分析仪PortablefieldrockandmineralanalyzerPIMA光栅扫描型-1300~-10澳大利亚综合光谱有限公司地质[11]便携式近红外分析仪Portablenear-infraredspectrometerSupNIR-1520TM光栅扫描型355×278×~1800-聚光科技(杭州)股份有限公司纺织品纤维[12]野外现场近红外地物光谱仪Fieldnear-infraredgroundobjectspectrometerZDJIPB-1光栅扫描型255×180×~南京中地仪器有限公司地质[13]便携式近红外光谱仪Portablenear-infraredspectrometerLabSpec4阵列检测型-350~美国ASD公司矿物、食品、药品[14]
续表1Continuing table 1仪器Instrument型号Model类型Type尺寸/mmSize光谱范围/nmSpectralrange光学分辨率/nmOpticalresolution研发机构Researchinstitute应用Application文献ReferenceNIRQUEST近红外光谱仪NIRQUESTnear-infraredspectrometerNIRQuest阵列检测型-900~美国海洋光学公司农业[15]手持近红外谷物分析仪Handheldportablenear-infraredgrainspectrometerZX-50IQ阵列检测型260×120×~1045-美国赛尔泰克斯公司(Zeltex)农业[16]微型光谱仪Micro-spectrometerCMA阵列检测型27.6×13×16.8640~日本滨松光子学株式会社农业[17]近红外光谱仪Near-infraredspectrometerNIR2500阵列检测型-900~2500-上海复享光学股份有限公司食品[18]微型近红外光谱仪Micronear-infraredspectrometerMicroNIR1700线性渐变滤光片LVF62×58×~.2美国捷迪讯通讯技术有限公司(JDSU)制药、食品、农业[19]多光谱成像光谱仪MultispectralImagingSpectrometer-线性渐变滤光片LVF-600~长春光学精密机械与物理研究所食品、农业[20]
文章来源:《农业工程技术》 网址: http://www.nygczz.cn/qikandaodu/2020/1210/949.html
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