傅里葉變換紅外光譜技術(shù)因其在分子識(shí)別和結(jié)構(gòu)分析方面的獨(dú)特能力,長(zhǎng)期以來(lái)主要配置在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用。光學(xué)系統(tǒng)的精密性、對(duì)環(huán)境條件的要求以及臺(tái)式儀器固有的體積,限制了該項(xiàng)技術(shù)向現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)場(chǎng)景的延伸。手持式傅里葉變換紅外光譜儀在保持核心光譜分析能力的前提下,通過(guò)小型化的光學(xué)設(shè)計(jì)、緊湊的結(jié)構(gòu)布局和電池供電方案,將紅外光譜分析從實(shí)驗(yàn)室臺(tái)面解放出來(lái),使其能夠應(yīng)用于環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)、安檢、文物保護(hù)、工業(yè)巡查和野外考察等多種場(chǎng)景,為及時(shí)獲取分子光譜信息提供了解決方案。
 

　　設(shè)計(jì)理念與小型化技術(shù)路徑

　　手持式傅里葉變換紅外光譜儀的設(shè)計(jì)目標(biāo)是“將盡可能完整的紅外光譜分析功能,裝入可單手握持和操作的機(jī)身中”。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)需要在光學(xué)設(shè)計(jì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子系統(tǒng)等方面做出系統(tǒng)化的優(yōu)化。

　　在光學(xué)層面,通過(guò)選擇體積更小、抗震性更好的干涉儀設(shè)計(jì)方案(如基于雙角鏡或雙立體角鏡設(shè)計(jì)的干涉儀),在保證光譜分辨率的前提下大幅壓縮光路尺寸。探測(cè)器選用體積小且無(wú)需液氮制冷的室溫探測(cè)器(如熱電堆陣列或熱釋電探測(cè)器),使整機(jī)功耗和體積得到控制。在電子層面,采用高度集成的嵌入式處理平臺(tái)替代傳統(tǒng)的工控計(jì)算機(jī),將信號(hào)采集、傅里葉變換計(jì)算和結(jié)果顯示全部在儀器內(nèi)部完成,無(wú)需外接電腦。電池模塊提供連續(xù)數(shù)小時(shí)的工作時(shí)間,使儀器全脫離外部電源工作。

　　操作流程與現(xiàn)場(chǎng)使用體驗(yàn)

　　手持式傅里葉變換紅外光譜儀的現(xiàn)場(chǎng)操作設(shè)計(jì)遵循“即開(kāi)即用”的原則。用戶(hù)開(kāi)機(jī)后,儀器自動(dòng)完成系統(tǒng)自檢和診斷,在數(shù)十秒內(nèi)即可進(jìn)入待測(cè)狀態(tài)。對(duì)于反射或漫反射測(cè)量,用戶(hù)只需將儀器前端的檢測(cè)窗口壓貼于被測(cè)物體表面,扣動(dòng)觸發(fā)開(kāi)關(guān)或點(diǎn)擊屏幕啟動(dòng)鍵,儀器自動(dòng)完成背景采集和樣品測(cè)量,數(shù)秒至數(shù)十秒后屏幕上即顯示被測(cè)物的光譜圖和物質(zhì)識(shí)別結(jié)果。

　　觸控屏上呈現(xiàn)的識(shí)別結(jié)果通常包括:匹配物質(zhì)的名稱(chēng)和類(lèi)別、匹配度百分比、以及光譜比對(duì)圖。對(duì)于混和物樣品,部分型號(hào)還能給出主要成分的匹配列表和相對(duì)含量排序。對(duì)于需要記錄檢測(cè)結(jié)果的場(chǎng)合,用戶(hù)可一鍵保存當(dāng)前測(cè)量數(shù)據(jù)和識(shí)別報(bào)告,也可將數(shù)據(jù)通過(guò)Wi-Fi或藍(lán)牙傳輸至云端或管理后臺(tái)。整個(gè)識(shí)別過(guò)程無(wú)需樣品制備、無(wú)需消耗化學(xué)試劑,屬于無(wú)損檢測(cè),對(duì)文物等珍貴物品尤為適用。

　　應(yīng)用場(chǎng)景與典型檢測(cè)項(xiàng)目

　　手持式傅里葉變換紅外光譜儀在多個(gè)領(lǐng)域中找到了應(yīng)用切入點(diǎn),尤其在那些需要快速判斷物質(zhì)屬性、但送樣至實(shí)驗(yàn)室成本較高或時(shí)間不允許的場(chǎng)景中具有實(shí)用價(jià)值。

　　在環(huán)境應(yīng)急監(jiān)測(cè)中,當(dāng)發(fā)生化學(xué)品泄漏、油污排放或不明物質(zhì)擴(kuò)散事件時(shí),現(xiàn)場(chǎng)人員可使用手持式紅外光譜儀對(duì)泄漏物進(jìn)行快速識(shí)別,初步判斷其化學(xué)類(lèi)別和危險(xiǎn)等級(jí),為應(yīng)急處理方案的制定提供參考依據(jù)。在海關(guān)緝私和安檢領(lǐng)域,可通過(guò)比對(duì)標(biāo)準(zhǔn)光譜庫(kù)進(jìn)行快速預(yù)警。

　　在文物保護(hù)與考古現(xiàn)場(chǎng),用于鑒別出土文物的礦物顏料成分、膠結(jié)材料和有機(jī)殘留物,幫助文保人員在不取樣、不接觸的情況下完成初步鑒定,對(duì)珍貴文物的無(wú)損檢測(cè)尤為實(shí)用。在工業(yè)生產(chǎn)和設(shè)備維護(hù)中,用于快速鑒別原料和產(chǎn)品的一致性、判斷高分子材料的老化狀態(tài)和表面污染物的成分,輔助生產(chǎn)管理和質(zhì)量判斷。

　　光譜庫(kù)的支撐與擴(kuò)展能力

　　手持式傅里葉變換紅外光譜儀的定性識(shí)別功能依賴(lài)于內(nèi)置的光譜數(shù)據(jù)庫(kù)。出廠時(shí),儀器通常預(yù)裝有涵蓋數(shù)千種常見(jiàn)化學(xué)品、聚合物、礦物的紅外標(biāo)準(zhǔn)光譜庫(kù)。用戶(hù)也可根據(jù)自身的檢測(cè)需求,建立和管理自定義光譜庫(kù)——將已知標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的譜圖錄入數(shù)據(jù)庫(kù),并關(guān)聯(lián)相應(yīng)的物質(zhì)信息和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

　　對(duì)于科研或特殊分析需求,部分手持式傅里葉變換紅外光譜儀支持原始光譜數(shù)據(jù)的導(dǎo)出,用戶(hù)可以將其導(dǎo)入專(zhuān)業(yè)化學(xué)計(jì)量學(xué)軟件進(jìn)行更深入的主成分分析、聚類(lèi)分析或定量建模分析。這種“現(xiàn)場(chǎng)快速識(shí)別+實(shí)驗(yàn)室深度分析”的工作模式,使手持式儀器成為整個(gè)光譜分析工作流程中的前端節(jié)點(diǎn)。

　　工作環(huán)境與使用限制

　　手持式傅里葉變換紅外光譜儀的設(shè)計(jì)考慮了戶(hù)外和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中可能遇到的風(fēng)沙、溫濕度變化和輕微振動(dòng)等因素,但仍需在合理的使用條件范圍內(nèi)操作。測(cè)量時(shí)檢測(cè)窗口應(yīng)盡可能貼合被測(cè)表面,避免環(huán)境光中的紅外輻射直接進(jìn)入探測(cè)器,影響測(cè)量信噪比。對(duì)表面粗糙或不規(guī)則的物體,可能需要配備專(zhuān)用的漫反射附件或接觸式取樣裝置。

　　光譜庫(kù)的覆蓋范圍決定了快速識(shí)別的成功率,對(duì)于新型化合物或不在庫(kù)內(nèi)的物質(zhì),儀器雖能給出光譜圖,但無(wú)法直接提供名稱(chēng)信息,需要結(jié)合專(zhuān)業(yè)人員的解讀或后續(xù)實(shí)驗(yàn)室分析。定量分析方面,手持式儀器目前主要用于半定量或快速分級(jí),如需高精度定量,仍建議輔以實(shí)驗(yàn)室儀器的校準(zhǔn)。

　　手持式傅里葉變換紅外光譜儀將紅外光譜分析的技術(shù)能力帶入到現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)的領(lǐng)域,使“走出實(shí)驗(yàn)室”成為紅外光譜應(yīng)用的一個(gè)新方向。它在環(huán)境應(yīng)急、海關(guān)安檢、文物保護(hù)、工業(yè)巡查等多個(gè)場(chǎng)景中展示了實(shí)用價(jià)值,為需要及時(shí)獲知物質(zhì)分子信息的用戶(hù)提供了可觸及、可操作的工具。隨著小型化技術(shù)和光譜庫(kù)的不斷發(fā)展,手持式傅里葉變換紅外光譜儀正在擴(kuò)大紅外光譜技術(shù)的應(yīng)用邊界。