一种基于集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的微型近红外光谱仪

近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈,是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system,MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner,C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构,分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理,基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差,基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计,确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果,完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调,搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明,设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪,采用重庆大学自主研发的谐振频率为677.1 Hz的MOEMS集成扫描光栅微镜来实现同步扫描和分光,0.8 ms时间内即可完成一次波长范围800~1800 nm的光谱测量,光谱准确性与国外品牌光谱仪比较无明显差异,光谱整体分辨率半峰全宽(FWHM)≤11 nm,波长稳定性≤±1 nm;基于平凸柱面透镜的光学结构设计可将探测输出光强值提高15%以上,可有效提高光谱测量的灵敏度;同时,经过平凸透镜二次聚焦后的光斑尺寸更小,可选用感光面积小、截至频率大的单管探测器实现光谱探测,可降低系统成本、抑制外部光噪声,满足扫描频率较高的扫描光栅式光谱仪的光谱分辨率需求。因此,提出的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的近红外光谱仪满足高性能、微型化和低成本的光谱仪发展需求。

基于微型近红外光谱仪油菜籽粗脂肪与粗蛋白校正模型的建立

为了验证微型近红外光谱仪的现场分析实用性,利用该光谱仪测定了油菜籽中粗脂肪与粗蛋白的含量。采集油菜籽样品的近红外反射光谱,光谱经预处理和异常样本剔除后,结合偏最小二乘法回归(PLSR)建立油菜籽的粗脂肪与粗蛋白定量分析模型。结果表明,粗脂肪的模型校正相关系数(Rc)、校正均方根误差(RMSEC)、预测相关系数(Rp)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.9187、1.1873、0.8162和1.3895;粗蛋白的模型校正相关系数(Rc)、校正均方根误差(RMSEC)、预测相关系数(Rp)和预测均方根误差(RMSEP)分别为0.8773、0.8153、0.8033和0.7532。验证了该光谱仪在油菜籽的粗脂肪含量和粗蛋白含量检测方面是可行的,为进一步拓展微型近红外光谱仪的应用奠定了基础。

微型近红外光谱仪在农产品检测中的应用研究进展

介绍了微型近红外光谱分析技术在一些主要农产品检测中的最新应用研究进展,包括中草药、乳制品、水果、粮食作物等方面。并对微型近红外光谱技术所存在问题进行了探讨,对其发展趋势进行了展望。

微型近红外光谱仪检测水果可溶性固形物

以滨松公司生产的C11708MA微型光谱仪为基础,在自行搭建的两套光谱采集平台上检测水蜜桃、梨子的可溶性固形物含量。采用了多种光谱预处理方法,结合PLS和LS-SVM建立水蜜桃、梨子可溶性固形物模型。实验结果表明,水蜜桃光谱经过标准化预处理,建立的LS-SVM模型效果最好,校正相关系数(Rp)和均方根误差(RMSEP)分别为0.8902和0.7703。梨子光谱经过CARS筛选得到46个变量,建立的PLS模型效果最好,Rp和RMSEP分别为0.7597和0.5783。验证了该光谱仪在水果可溶性固形物含量检测方面的应用的可行性,为进一步构建便携式水果可溶性固形物检测设备奠定了基础。

微型近红外光谱仪在苹果糖度测量中的应用研究

为了评估微型近红外光谱仪应用于现场水果糖度检测的可行性,采用粒子群算法结合反向传播(BP)神经网络建立了苹果糖度的无损高精度快速检测方法,研究了微型近红外光谱仪NIRscan以单波长和阿达玛变换两种测量模式获得的光谱数据,应用多种不同的数据预处理方法和多元线性回归、偏最小二乘法、粒子群算法(PSO)、BP神经网络等算法建立分析模型.结果表明,以阿达玛变换工作模式测得的光谱数据更好,以1阶导数结合Savizky-Golay平滑算法作数据预处理,应用PSO结合BP神经网络建立的苹果糖度预测模型具有更高的预测精度,预测相关系数和均方根误差分别为0.9911和0.1502.该微型近红外光谱仪NIRscan用于苹果糖度的现场快速和高精度无损检测具有可行性.

微型近红外光谱仪快速测定桔梗有效成分研究

目的:探索微型近红外光谱仪在中药材有效成分研究方面的可行性。方法:以JDSU公司生产的Micro NIR-1700微型近红外光谱仪为基础,以桔梗药材为例,采用多种光谱预处理方法,结合偏最小二乘法,建立桔梗皂苷D的定量校正模型,并对验证样本进行含量预测。结果:根据交叉验证的标准误差(SECV)选择最佳模型维数(LV)为8,校正模型的R2为0.9563。验证集外部验证的结果与真实值之间的相关系数R2为0.94。结论:该微型光谱仪在中药材主要成分研究方面具有应用的可行性,为该便携式微型近红外光谱仪的推广使用奠定了基础。

微型近红外光谱仪研究进展

归纳总结了现阶段国内外微型近红外光谱仪的发展现状,并对其原理结构以及优缺点进行阐述分析。最后对微型近红外光谱仪的发展前景进行了展望,微型近红外光谱仪在特定领域提高专用性的同时依然会朝着高信噪比、高分辨率、高稳定性、以及新材料、新工艺方向发展。

主动光源近红外光谱仪研究应用进展

近红外分析法作为一种快速、准确、无损的检测方法,已经广泛应用于多个行业领域。近红外光谱仪在现代检测领域的影响愈发深远。结合近红外光谱仪发展历程,阐述了不同类型的主动光源近红外光谱仪的原理。通过分析比较国内外近红外光谱仪的发展现状,指出了当前市场上各种近红外光谱仪的优劣势,提出国内近红外光谱仪市场中存在的问题,并预测其发展趋势。

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。

硫酸羟氯喹颗粒水分含量测定近红外定量模型的建立

目的建立微型近红外光谱仪测定硫酸羟氯喹颗粒水分含量的定量分析模型。方法真空干燥和加湿实验改变硫酸羟氯喹颗粒的含水量范围,采用标准正则变换(standard normal variate transformation,SNV)、二阶导数(second derivative,2nd Derivative)和Karl Norris平滑的光谱预处理方法,选择617~1 068 nm波段,运用偏最小二乘回归(partial least squares,PLS)建立近红外定量分析模型。结果所建模型的校正误差均方根(root mean square error of calibration,RMSEC)为0.178,相关系数Rc为0.991 6,预测误差均方根(root mean square error of prediction,RMSEP)为0.197,相关系数Rp为0.989 6,验证集标准偏差与预测标准偏差的比值(ratio of standard deviation of the validation set to error of prediction,RPD)为6.95,方法学验证中准确度和重复性符合要求。结论微型近红外光谱仪应用于测定硫酸羟氯喹颗粒的含水量是可行的,为微型近红外光谱仪应用于药物的在线干燥过程提供了实验基础。

小麦粉品质在线无损快速检测系统设计与实现

目的:快速无损检测小麦粉的品质。方法:搭建主要包括微型近红外光谱仪集成装置、生产线可调速模拟装置、光谱在线采集控制软件和在线建模分析软件四大部分小麦粉品质在线检测系统,针对小麦粉中水分、灰分、面筋指标采用不同建模算法建立定量分析模型,并对在线定量分析模型稳健性进行优化,分析不同试验条件对建模结果的影响。结果:偏最小二乘回归(PLSR)算法对水分、灰分、面筋的定量分析模型均优于多元线性回归(MLR)和主成分回归(PCR)算法。用石英玻璃杯在线采集小麦粉样品的建模效果最佳,15档速度/积分时间6000 ms最佳配比的建模效果最佳。结论:基于近红外光谱分析技术的小麦粉品质在线检测系统,可以实现小麦粉品质在线无损快速检测。