近红外光谱学(上)——用近红外辐射观察红外景物

红外元件公司(ICC)是从事极低温(77K)封装和开发、生产精密部品的公司。该公司从事红外系统用极低温集成探测器(HgCdTe、InSb、PtSi等)组件的开发已有10多年的历史,除批量生产杜瓦瓶/致冷器/探测器,并进行OEM设计和制造外,也从事红外焦平面列阵(FPA)、半导体器件、X线探测器。

近红外光谱学(下)——用近红外辐射观察红外景物

6.二维近红外相关光谱法近红外光谱法中波段的归属一直是个问题。二维光谱法是解决这个问题的一种方法^([15-19])。如图9所示,二维光谱法就是把光谱二维展开,研究波段间相互是否存在相关。利用二维光谱法可以弄清楚通常用一维光谱很难得到的光谱特征。现在,

近红外光谱学参与控制炼油厂的生产过程

近红外光谱学正在改变石油化学产品在线分析和炼油技术的面貌。

近红外反射光谱学在岩石矿物研究中的应用 Ⅱ.快速测定地质样品中有机质

利用偏最小二乘法回归的多变量校正方式,建立了应用近红外反射光谱学方法无损快速测定各种地质样品中有机质的模型。设计了多重散射光校正、标准正常变量转换及导数光谱,扣除额外基线和重叠信号的影响,分离出与有机质含量有关的光谱信息。大多数地质样品的有机质近红外反射光谱估算结果与化学法符合。

近红外反射光谱学在岩石矿物研究中的应用 Ⅰ.快速测定地质样品中化合水

应用近红外反射光谱学方法无损快速测定了各种地质样品中化合水。使用偏最小二乘回归法,在近红外波长范围分离出与化合水含量有关的光谱信息。大多数地质样品的近红外反射光谱估算结果与重量法吻合。实验结果表明,近红外反射光谱学测定地质样品中化合水更简单、更容易。

近红外反射光谱学在岩石矿物研究中的应用 Ⅲ.快速测定地质样品中二氧化碳

使用一组不同岩石矿物性质的25个地质样品,研究了地质样品中二氧化碳含量和近红外漫反射光谱的关系。利用多重散射光校正、标准正常变量转换及导数光谱等化学计量统计学方法,预处理了漫反射光谱数据,获得了偏最小二乘法(PLS)回归的多变量校正方法,建立了应用近红外(NIR)反射光谱学方法无损快速测定各种地质样品中二氧化碳模型。从光谱特性方面解释了大多数进入多变量校正模型的波长与碳酸盐矿物的CO2-3基团光谱吸收有关。NIR估算结果表明,应用二氧化碳校正模型来定量分析地质样品中二氧化碳的方法是可行的。

近红外光纤光谱技术检测西红柿果浆总酸及可溶性糖的研究

为了探索一种简捷、快速、高效的西红柿品质检测方法，应用近红外光谱技术与光纤传感技术相结合的新方法，快速测量西红柿果浆样品中营养成分的含量。实验所用的主要仪器为近红外光纤光谱仪，波长范围为900～2500 nm。以164个西红柿样品为标准样品，进行了光谱采集及相应的化学值测定。实验数据采用偏最小二乘法（PLS ）进行回归，建立西红柿果浆中总酸及可溶性糖含量的数学模型，并对回归方法进行统计分析。结果为：西红柿果浆中总酸验证集的决定系数（R2）为0.967，均方根误差（RMSEC）为0.133，预测均方根误差（RMSEP）为0.103；总糖验证集的决定系数（R2）为0.976，均方根误差（RMSEC）为0.463，预测均方根误差（RMSEP）为0.460。均达到了较好的预测结果，表明该方法对定量分析西红柿果浆中多组分含量是可行的。基于该方法快速、简便及可对同一样品多组分含量同时分析的优点，它是一种极具发展前途的传感器，正在逐渐成为国际传感器领域的研究热点。

近红外光谱仪研究

介绍了近红外光谱仪,分析了光谱仪的基本原理,具体介绍了傅立叶变换光谱仪的原理、构成和信号处理等,并结合光谱学理论和傅立叶变换光谱仪原理,通过实验进行了验证。

近红外光谱脑氧饱和度监测的临床应用进展

近些年,近红外光谱学(near-infrared spectroscopy,NIRS)监测患者局部脑氧饱和度(ScO2)技术应用越来越广泛,但是关于ScO2指导临床应用的综述却鲜有报道。本文就近红外光谱脑氧饱和度(NIRS-ScO2)监测在预测神经功能损伤、术后认知功能障碍(PND)的作用、心肺脑复苏(CPCR)中的应用以及各种可能对ScO2产生影响的因素等作一综述,为临床提供参考。

血氧含量的近红外测定及其在运动实践中的应用

利用基于近红外光谱原理研制的便携式组织血氧测量系统,对8名运动员在功率自行车上作五级递增负荷运动时的血氧含量进行了在体、实时、连续监测,同时利用血乳酸分析仪测定了受试者在每级负荷运动后即刻的血乳酸浓度。结果表明,运动过程中骨骼肌组织内血氧含量随着运动强度的增加呈现出规律性的变化;随着运动强度的增加,氧合血红蛋白含量逐渐下降,还原血红蛋白含量逐渐上升,血容量呈下降性的变化,血乳酸浓度呈现出升高的变化。经统计学分析,氧合血红蛋白与血乳酸浓度之间具有较高的相关性(相关系数r=0 918)。

基于近红外漫反射测量的便携式土壤有机质测定仪的开发

开发了一款基于近红外漫反射测量的便携式土壤有机质测定仪。测定仪主要由光学单元和电路单元组成。光学单元包括光源、入射和反射光信号传导光纤、光电转换器件等。电路单元包括光源驱动电路,放大电路、A/D转换电路、液晶显示和U盘存储电路等。工作时探头部分插入土壤形成密闭空间,光源发出的光通过入射光纤传送到探头的顶端,并照射顶端周围的土壤;来自土壤的漫反射光沿反射光纤被传送到光电转换器件,产生的电流再被送至电路单元进行放大、滤波、A/D转换、显示和存储。分别针对自然土样和烘干土样的性能试验结果表明,反射率和SOM含量之间具有很高的相关性,在土壤有机质实际含量大于2%时,平均相对误差率低于5%。开发的仪器能够满足农业生产需要。

原油含水率红外光谱测量的超稀疏表示方法

油水混合物的光谱分析方法已经成为当前油水两相流测量的研究热点。然而,传统的油水混合物光谱分析中,一般是通过主成分分析、连续投影算法等降维技术实现其光谱特征提取,所提取光谱数大多在10条以上,这使得油水两相测量光纤式传感器的制造成本很高且工程实现难度很大。为提高基于光谱分析的油水两相测量光纤式传感器的实用性,需要实现油水两相红外光谱的超稀疏表示。为此提出了油水混合物光谱自-互相关联合(self-cross correlation,SCC)的光谱超稀疏表示方法。为了验证方法的有效性,搭建了油水混合物红外光谱含水率测量实验装置,从SCC算法筛选出的6个波段中,根据实际生产工艺选择了1 050 nm和1 650 nm波段进行动态实验,实验结果表明,1 050 nm和1 650 nm波段对油和水的混合流型响应良好,且两者呈现出了显著的互相关性。显然,本文研究有助于提升工业光纤式传感器的使用性能。

不同光程对山茶油掺假近红外检测精度的影响

利用近红外光谱在不同光程下对山茶油中掺杂大豆油的掺伪量进行定量检测研究,着重分析光程对掺伪量检测精度的影响。将大豆油按一定质量分数掺入山茶油获取实验样本,掺伪质量分数范围为1%-50%。利用QualitySpec型光谱仪采集样本在不同光程（1,2,4,10mm）下的透射光谱,通过对比不同建模方法、预处理方法及建模波段范围所建立的掺伪量定量预测模型,分析光程对掺伪量检测精度的影响。研究结果表明,光程由1mm增加到4mm时,掺伪量定量预测模型性能随着光程的增加而逐渐变好,检测精度逐步提高;光程由4mm增加到10mm时,掺伪量定量预测模型性能变差,检测精度下降,4mm为较优的光程。在1,2,4和10mm下所建立的较优掺伪量定量预测模型的预测集决定系数（R2P）和预测均方根误差（RMSEP）分别为0.923,0.977,0.989,0.962和4.58%,2.54%,1.72%,3.20%。

近红外反射光谱法在岩石矿物化合水测定中的应用

近红外反射光谱学这一方法可以快速无损测定地质样品中的化合水,在红外波长范围附近分离出有关化合水含量的光谱信息。对于大多数地质样品来说,近红外反射光谱与重量法的估算结果相差不多。实验结果显示,运用近红外反射光谱学测定地质样品中化合水含量,相对更容易。

基于近红外漫反射测量的车载式原位土壤参数检测仪开发

农田变量施肥作业需要对农田土壤养分信息进行高精度的快速原位采集,已有的设备不能满足精细农业田间测量的需要,为此基于近红外漫反射测量开发了一款新型车载式原位土壤参数检测仪。检测仪采用光照稳定性更好的卤钨光源代替太阳光进行土壤光谱检测,以提高仪器对工作条件的适应性。由7个敏感波长(1 070, 1 130, 1 245, 1 375, 1 450, 1 550, 1 680 nm)构成的土壤氮素测量极限学习机模型提高了仪器的测量实时性和精度。检测仪由机械部分、光学部分及控制部分组成。机械部分为检测仪提供平台支撑,光学部分为检测仪提供检测光源,主要由卤钨光源、光源转接法兰、近红外导光光纤、检测总成(含入射光出口端、 InGaAS光电探测器及7个敏感波长的滤光片)等组成,控制部分实现对土壤测量信号的采集及处理。检测仪工作时,卤钨光源通过近红外导光光纤、检测总成中的入射光出口端将检测光源传输到待测土壤表面,通过测量土壤表面漫反射光的光谱反射率检测土壤养分参数。在卤钨光源和近红外导光光纤连接处设计光源转接法兰,最大限度的减小检测光源在传输过程中的损失。漫反射光经过检测总成中的滤光片滤波后,由相应的InGaAS光电探测器实现光电转换,再经信号处理单元计算出各个敏感波长处的反射率。检测仪采用灰度标准板进行光学标定测试,测试结果显示,检测仪在7个敏感波长处的反射率与MATRIX-I型傅里叶光谱分析仪反射率相关系数最高为0.997 8,平均值为0.927 8,表明检测仪有较高的检测精度。为进一步对检测仪农田土壤养分的检测精度进行评估,进行了检测仪的农田应用试验,检测结果表明检测仪检测值与实验室标准检测方法检测值的相关系数都在0.90以上。试验结果表明,车载式原位土壤参数检测仪能够实现对农田土壤养分信息的快速原位高精度检测。

基于便携式近红外光谱仪的粮食品质快速检测方法研究

当前,粮食品质对于消费者和粮食生产加工企业的重要性逐渐提高。由于传统粮食品质检测方法存在耗时长、流程复杂等问题,基于近红外光谱技术(Near-Infrared Spectroscopy,NIRS)的粮食品质快速检测技术有望成为传统方法的理想替代技术。为了模拟现场收储条件,本文采用了两台型号相同的便携式近红外光谱仪器进行实验,以539份水稻、小麦和玉米样本的多种组分(脂肪、蛋白质和水分)为检测对象,利用近红外光谱技术进行快速分析。结果表明,基于便携式光谱仪的三种作物三种品质指标的NIRS检测模型均可达到0.95以上的交叉验证决定系数,具有良好的检测精度,所采用方法和设备可为粮食收储时的粮食品质快速检测提供技术支撑。

遗传算法在鱼粉中肉骨粉近红外光谱检测中的应用

为了研究近红外光谱模型的优化方法,提高模型的精度,利用遗传算法对64个掺加了肉骨粉的鱼粉样品近红外光谱进行变量筛选,采用偏最小二乘法回归建模,并用21个样品进行外部验证。遗传算法共选取310个波长变量,相对于全谱的1556个变量减少了80%,与全谱范围的偏最小二乘法相比,交互验证相关系数(RCV)从0.80提高到0.90,交互验证均方根误差从5.22%降低到3.62%,预测相关系数(RV)从0.91提高到0.96,预测均方根误差从3.85%降低到2.95%,模型的稳健性和预测精度都显著提高。试验结果表明遗传算法可以改善近红外光谱法预测鱼粉中肉骨粉含量的效果。

近红外光谱传感物联网研究与应用进展

通过在感知层中加入定制化的微型光谱感知节点,近红外(NIR)光谱传感物联网(IoT)实现了NIR光谱分析技术和IoT技术的集成应用,进而可以满足IoT感知层中对物质成分传感的应用需求。近年来,中国科学院上海技术物理研究所依托成熟的InGaAs焦平面探测器技术,与山东大学联合,在NIR光谱传感IoT的研究和应用上取得了良好进展。首先,介绍了NIR光谱传感IoT的系统架构和关键技术。接着,为了实现光谱感知节点的微型化设计,重点介绍了集成多通道滤光片和集成线性渐变滤光片的两种微型光谱组件结构及其波长定标方法,并结合制备工艺对光谱组件的性能展开对比和分析。最后,基于集成式光谱组件,进一步介绍了NIR光谱感知节点、云服务器和手机客户端的研究应用情况,并对NIR光谱传感IoT的未来发展进行展望。

男子中长跑运动员肌氧含量与血乳酸浓度的对比研究

目的:研究运动过程中人体骨骼肌组织肌氧含量的相对变化与个体乳酸阈间的关系。方法:用近红外三波长肌氧监测系统,对受试者在功率自行车上作等级性递增负荷运动时,局部骨骼肌组织中的肌氧含量的相对变化进行了无损、连续、在体实时监测与分析,并同步测定和记录受试者的血乳酸浓度。结果:肌氧含量的相对变化与个体乳酸阈和运动强度具有高度的相关性(p=0.01)。结论:本研究为无损监测和评定运动员的生理机能状况、掌握训练强度、评价训练效果引入新的生物学测试指标和技术。

高水平公路自行车运动员急性低氧运动时脑氧饱和度变化特征研究

目的：通过近红外光谱学技术观察公路自行车运动员急性低氧运动时脑氧饱和度变化特征，以期为该项目科学化训练提供参考。方法：采用交叉设计，15名优秀公路赛自行车运动员（9男6女）于常氧和急性低氧环境下进行递增负荷运动，运动过程中连续监测其通气功能、动脉血氧饱和度和脑组织氧饱和度的变化。结果：（1）运动员低氧下出现无氧阈和最大摄氧量时对应的通气指标和血氧饱和度都显著低于常氧对应值。（2）低氧下，从开始运动到力竭时脑氧饱和度呈△[O：Hb]降低、△[HHb]和△[THb]升高的趋势。在25％、50％、75％和100％相对功率等级时，△[O2Hb]和A[THb]显著低于常氧值，△[HHb]显著高于常氧值。A[THb]在75％～100％最大功率阶段，脑氧变化较小。（3）低氧下，相对功率和绝对功率对应的脑氧饱和度都显著大于常氧对应值。结论：自行车运动员常氧运动时脑氧饱和度在50％～75％最大功率区间维持在较高水平，而低氧下脑氧饱和度显著降低。低氧时相对运动强度变大、运动低氧血症（EIAH）和通气不足可能是脑氧显著降低的直接原因。故提高自行车运动员低氧通气反应有利于提高其脑氧饱和度，从而提高其有氧能力和运动成绩。