手持式近红外光谱仪基本构造

手持式近红外光谱仪基本构造解析

手持式近红外光谱仪（Handheld Near-Infrared Spectrometer, HH-NIRS）凭借其便携性、快速检测能力以及对样品无损的特性，已成为现代实验室、科研机构、质量检测以及工业现场分析的重要工具。深入理解其基本构造，对于优化仪器性能、提升分析精度以及进行有效的日常维护至关重要。一台典型的HH-NIRS主要由光源、光谱仪（包含分光元件和探测器）以及信号处理与显示单元构成。

光源系统：近红外能量的发生器

HH-NIRS的光源是整个系统的起点，为近红外光谱的激发提供必要的能量。目前主流的HH-NIRS多采用宽带光源，能够在近红外波段（通常为700 nm至2500 nm）产生连续的光谱。

• 卤素灯 (Tungsten Halogen Lamp)：这是最常见的选择，其优点是光谱覆盖范围宽，成本相对较低，且发光稳定。灯丝在高温下发光，光谱连续且强度较高。
  • 典型功率：3W - 10W。
  • 工作寿命：通常在2000小时以上，具体取决于使用强度和环境。
  
  
• 超辐射发光二极管 (Superluminescent Light-Emitting Diode, SLED)：SLED光源具有良好的单色性（相较于卤素灯），启动快，功耗低，寿命长，且体积小巧，非常适合紧凑型手持设备。
  • 典型波长范围：根据不同型号，可覆盖特定近红外区域，例如900 nm - 1700 nm。
  • 输出功率：通常在几毫瓦（mW）级别。
  
  

光源的稳定性直接影响光谱测量的准确性。因此，高级的HH-NIRS会集成温度控制和自动校准机制，以补偿环境温度变化对光源输出的影响。

光谱仪模块：光谱信息的“解码器”

光谱仪模块的核心任务是将样品对近红外光的吸收或反射信息进行有效的分离和收集。它通常包括光路设计、分光元件和探测器。

光路设计

进入光谱仪的光线需要经过精巧的光路设计，以便高效地与分光元件和探测器作用。这通常涉及准直镜（将光源发出的光束转化为平行光）、聚焦镜（将分光后的光聚焦到探测器上）以及反射镜或光纤（用于引导光线）。手持式设备的紧凑性对光路设计提出了更高要求，通常采用Czerny-Turner或Ebert类型的衍射光栅光谱仪构型，以实现紧凑的焦距和高分辨率。

分光元件：实现波长分离

分光元件是光谱仪的关键，它根据光的波长将其分散开。

• 衍射光栅 (Diffraction Grating)：这是HH-NIRS中最常用的分光元件。它通过光栅刻线将不同波长的光衍射到不同的角度，从而实现光谱的分离。
  • 典型刻线密度：每毫米刻线数（lines/mm）在100至1200之间，高刻线密度通常意味着更高的分辨率。
  • 光栅类型：平场光栅（用于Czerny-Turner构型）和凹面光栅（直接聚焦）。
  
  

探测器：捕捉微弱的光信号

探测器负责将不同波长的光信号转化为电信号。根据近红外光谱仪的工作波段，通常采用以下类型的探测器：

• 硅光电二极管 (Silicon Photodiode)：适用于较短波长范围（约400 nm - 1100 nm），成本较低，但对长波段不敏感。
• 铟镓砷（InGaAs）光电二极管阵列 (InGaAs Photodiode Array)：这是HH-NIRS进行全光谱分析的主力。InGaAs探测器对近红外波段（约900 nm - 2600 nm）有极高的灵敏度，能够有效捕捉有机物特征吸收峰。
  • 像素数量：从几十个到几百个，决定了光谱的分辨率。
  • 响应时间：毫秒（ms）级别，足以满足快速扫描需求。
  
  
• 制冷型探测器：为了进一步降低噪声、提高信噪比，一些高端设备可能会采用热电制冷（TEC）的InGaAs探测器，尤其是在需要检测低浓度或微弱信号时。

信号处理与显示单元：数据的“解读”与呈现

探测器产生的原始电信号经过放大器进行信号增益，然后通过模数转换器（ADC）转化为数字信号。这些数字信号随后被微处理器进行复杂的数学运算，包括校准数据应用、背景扣除、定量/定性模型计算等。终，分析结果（如化学成分、含量、相似度评分等）通过LCD/OLED显示屏直观地呈现给用户，并可通过USB、Wi-Fi等接口导出数据。

• ADC分辨率：通常为12位、16位或更高，决定了数字信号的动态范围和精度。
• 处理器性能：影响数据处理速度和模型运行效率。

手持式近红外光谱仪的构造是一个高度集成化的系统，各个模块协同工作，将光学信号转化为有价值的分析信息。对其构造的深入理解，能帮助用户更好地发挥其性能，并对其使用和维护做出更明智的决策。