便携式近红外光谱仪研究进展
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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ꎮ 光源发出的光作 用于样品后ꎬ经分光系统得到单色光ꎬ由检测器接 收光电信号ꎬ得到近红外光谱ꎬ光谱信息经过数据 处理系统分析后ꎬ结果可由显示器等显示ꎮ 相较于 传统近红外光谱分析仪器ꎬ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ꎬ 而 在 体
刘建学１ꎬ２ ꎬ 尹晓慧１ ꎬ 韩四海１ꎬ２ ꎬ 李璇１ꎬ２ ꎬ 徐宝成１ꎬ２ ꎬ 李佩艳１ꎬ２ ꎬ 罗登林１ꎬ２
(１. 河南科技大学食品与生物工程学院ꎬ河南 洛阳 ４７１０２３ꎻ ２. 河南省食品原料工程技术研究中心ꎬ河南 洛阳 ４７１０２３)
摘要:综述了不同分光类型的便携式近红外仪器的原理及其优缺点ꎬ以及近红外光谱分析方法ꎬ列举了国内外部 分便携式近红外仪器在农业工程方面的应用现状ꎮ 在“ 互联网 ＋ ” 的大趋势下ꎬ结合中国现阶段的发展状况及 实际生产生活的需要ꎬ预测了便携式红外光谱仪的未来发展方向ꎮ 关键词:便携式光谱仪ꎻ近红外ꎻ分光系统ꎻ农业工程ꎻ互联网 ＋ 中图分类号:ＴＮ２１６ 文献标志码:Ａ
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Байду номын сангаасｏｒｔａｂｌｅ ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ
ＬＩＵ Ｊｉａｎｘｕｅ１ꎬ２ ꎬ ＹＩＮ Ｘｉａｏｈｕｉ１ ꎬ ＨＡＮ Ｓｉｈａｉ１ꎬ２ ꎬ ＬＩ Ｘｕａｎ１ꎬ２ ꎬ ＸＵ Ｂａｏｃｈｅｎｇ１ꎬ２ ꎬ ＬＩ Ｐｅｉｙａｎ１ꎬ２ ꎬ ＬＵＯ Ｄｅｎｇｌｉｎ１ꎬ２ (１. Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｏｏｄ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
第 ５３ 卷 第 ４ 期 ２０１９ 年 ８ 月
河南农业大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ. ５３ Ｎｏ. ４ Ａｕｇ. ２０１９
文章编号:１０００ － ２３４０(２０１９)０４ － ０６６２ － ０９
便携式近红外光谱仪研究进展
刘建学ꎬ等:便携式近红外光谱仪研究进展
６６３
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ꎬ通过建立校正模型ꎬ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] ꎮ 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ꎬ对气体、液体、粉末 和块状的样品进行分析和鉴别[６ －８] ꎮ
收稿日期:２０１９ － ０５ － ０９ 基金项目:国家自然科学基金项目(３１４７１６５８) ꎻ河南省自然科学基金项目(１６２３００４１０００４) ꎻ河南省科技攻关项目(１７２１０２３１０６９４) 作者简介:刘建学(１９６４—) ꎬ男ꎬ河南杞县人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事食品快速检测与安全控制技术研究ꎮ
第４ 期
ｔｅｍꎬＭＯＥＭＳ) 技术的发展推动着近红外仪器的微 型化ꎬ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ꎮ 分光是光谱仪的 基础ꎬ根据分光不同ꎬ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ꎮ 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ꎬ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ꎬ预测其在“ 互联网 ＋ ” 背景 下的发展趋势和前景ꎮ
近红外( ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄꎬＮＩＲ) 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ꎮ ＮＩＲ 技术作为高效、快速定量和定性的绿 色分析方法ꎬ近年来受到广大科研工作者的关注ꎮ 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ꎮ 这类近红外光谱仪轻 便、易携带、功耗低、检测速度快、成本低ꎬ广泛应用 于农业、医药、地质和环境等多个领域[１ －４] ꎮ 微机 电系统( ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍꎬＭＥＭＳ) 和 微光 机 电 系 统 ( ｍｉｃｒｏ ｏｐｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓ￣
２. Ｈｅｎａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓꎬ Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅꎬ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｔｙｐｅｓꎬ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ. Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬ ｔｈｅ ａｐ￣ ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｍｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ. Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｔｒｅｎｄ ｏｆ “ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ＋ ” ꎬ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｆｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｐｏｒｔａｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒꎻ ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄꎻ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｙｓｔｅｍꎻ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎻ Ｉｎ￣ ｔｅｒｎｅｔ ＋
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ꎮ 光源发出的光作 用于样品后ꎬ经分光系统得到单色光ꎬ由检测器接 收光电信号ꎬ得到近红外光谱ꎬ光谱信息经过数据 处理系统分析后ꎬ结果可由显示器等显示ꎮ 相较于 传统近红外光谱分析仪器ꎬ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ꎬ 而 在 体
刘建学１ꎬ２ ꎬ 尹晓慧１ ꎬ 韩四海１ꎬ２ ꎬ 李璇１ꎬ２ ꎬ 徐宝成１ꎬ２ ꎬ 李佩艳１ꎬ２ ꎬ 罗登林１ꎬ２
(１. 河南科技大学食品与生物工程学院ꎬ河南 洛阳 ４７１０２３ꎻ ２. 河南省食品原料工程技术研究中心ꎬ河南 洛阳 ４７１０２３)
摘要:综述了不同分光类型的便携式近红外仪器的原理及其优缺点ꎬ以及近红外光谱分析方法ꎬ列举了国内外部 分便携式近红外仪器在农业工程方面的应用现状ꎮ 在“ 互联网 ＋ ” 的大趋势下ꎬ结合中国现阶段的发展状况及 实际生产生活的需要ꎬ预测了便携式红外光谱仪的未来发展方向ꎮ 关键词:便携式光谱仪ꎻ近红外ꎻ分光系统ꎻ农业工程ꎻ互联网 ＋ 中图分类号:ＴＮ２１６ 文献标志码:Ａ
Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ Байду номын сангаасｏｒｔａｂｌｅ ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ
ＬＩＵ Ｊｉａｎｘｕｅ１ꎬ２ ꎬ ＹＩＮ Ｘｉａｏｈｕｉ１ ꎬ ＨＡＮ Ｓｉｈａｉ１ꎬ２ ꎬ ＬＩ Ｘｕａｎ１ꎬ２ ꎬ ＸＵ Ｂａｏｃｈｅｎｇ１ꎬ２ ꎬ ＬＩ Ｐｅｉｙａｎ１ꎬ２ ꎬ ＬＵＯ Ｄｅｎｇｌｉｎ１ꎬ２ (１. Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｆｏｏｄ ａｎｄ Ｂｉｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎬ Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎬ Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３ꎬ Ｃｈｉｎａꎻ
第 ５３ 卷 第 ４ 期 ２０１９ 年 ８ 月
河南农业大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｈｅｎａｎ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ
Ｖｏｌ. ５３ Ｎｏ. ４ Ａｕｇ. ２０１９
文章编号:１０００ － ２３４０(２０１９)０４ － ０６６２ － ０９
便携式近红外光谱仪研究进展
刘建学ꎬ等:便携式近红外光谱仪研究进展
６６３
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ꎬ通过建立校正模型ꎬ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] ꎮ 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ꎬ对气体、液体、粉末 和块状的样品进行分析和鉴别[６ －８] ꎮ
收稿日期:２０１９ － ０５ － ０９ 基金项目:国家自然科学基金项目(３１４７１６５８) ꎻ河南省自然科学基金项目(１６２３００４１０００４) ꎻ河南省科技攻关项目(１７２１０２３１０６９４) 作者简介:刘建学(１９６４—) ꎬ男ꎬ河南杞县人ꎬ教授ꎬ博士ꎬ主要从事食品快速检测与安全控制技术研究ꎮ
第４ 期
ｔｅｍꎬＭＯＥＭＳ) 技术的发展推动着近红外仪器的微 型化ꎬ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ꎮ 分光是光谱仪的 基础ꎬ根据分光不同ꎬ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ꎮ 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ꎬ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ꎬ预测其在“ 互联网 ＋ ” 背景 下的发展趋势和前景ꎮ
近红外( ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄꎬＮＩＲ) 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ꎮ ＮＩＲ 技术作为高效、快速定量和定性的绿 色分析方法ꎬ近年来受到广大科研工作者的关注ꎮ 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ꎮ 这类近红外光谱仪轻 便、易携带、功耗低、检测速度快、成本低ꎬ广泛应用 于农业、医药、地质和环境等多个领域[１ －４] ꎮ 微机 电系统( ｍｉｃｒｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍꎬＭＥＭＳ) 和 微光 机 电 系 统 ( ｍｉｃｒｏ ｏｐｔｏ ｅｌｅｃｔｒｏ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｙｓ￣
２. Ｈｅｎａｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ ｏｆ Ｆｏｏｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓꎬ Ｌｕｏｙａｎｇ ４７１０２３ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅꎬ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ａｎｄ ｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｔｙｐｅｓꎬ ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄｓ. Ｍｅａｎｗｈｉｌｅꎬ ｔｈｅ ａｐ￣ ｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｏｍｅ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ｉｎ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ａｔ ｈｏｍｅ ａｎｄ ａｂｒｏａｄ ｗａｓ ａｌｓｏ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ. Ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｇｅｎｅｒａｌ ｔｒｅｎｄ ｏｆ “ Ｉｎｔｅｒｎｅｔ ＋ ” ꎬ ｔｈｅ ｆｕｔｕｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｎｅａｒ￣ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ ｗａｓ ｐｒｅｄｉｃｔｅｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｓｔａｔｕｓ ｏｆ Ｃｈｉｎａ ａｎｄ ｔｈｅ ｎｅｅｄｓ ｏｆ ａｃｔｕａｌ ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｆｅ. Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ｐｏｒｔａｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒꎻ ｎｅａｒ ｉｎｆｒａｒｅｄꎻ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｉｃ ｓｙｓｔｅｍꎻ ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇꎻ Ｉｎ￣ ｔｅｒｎｅｔ ＋