现场使用光谱法设备的适配的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种可配置以用于材料的化学性质的现场分析的光谱仪。所述光谱仪包含：适合于提供傅立叶变换红外光谱法(FTIR)监测的至少一个传感器以及用于提供拉曼光谱法监测的至少另一传感器。所述光谱仪可具备用于修改所述光谱仪的取样配置的用户可存取指令集。还提供一种使用所述光谱仪通过至少两种技术确定样本的最可能组成的方法。
【专利说明】
现场使用光谱法设备的适配
[0001 ] 优先权主张
[0002]本申请案主张2013年12月23日申请的第61/920,230号美国临时专利申请案的权 益。运一申请案的内容W全文引用的方式并入本文中。
[000引政府支持
[0004] 本发明是根据爆炸物处理技术分部(NAVEODTECHDIV)授予的第N00174-13-C-0032 号合同通过政府支持进行的。政府在本发明中享有一定权利。
技术领域
[0005] 本发明设及现场使用光谱法设备，且确切地说，设及放射学和/或光学检测和/或 识别设备的适配。
【背景技术】
[0006] 多种仪器在现场使用W帮助危害估计和控制。无论是第一反应者或±兵，当用户 被呼叫而响应于情况时，他们经常具有关于所述情况的一些智力。在第一反应者的情况下， 他们具有来自对紧急服务的呼叫的信息，其中某人可能已经解释发生了什么。在±兵的情 况下，侦查地域的步兵将识别可疑的事物且召集适当的人员。当运些用户到达场景时，他们 经常受到准备其工具并进行响应的时间约束。在±兵的情况下，他们可能被射击。在第一反 应者的情况下，可能存在需要救援的受害者或重新打开被疏散的建筑物的压力。W此些仪 器做出恰当的评估由于运些工具的复杂性增加而变得复杂。因此，无论反应者是否受到时 间约束，或不充分熟悉仪器，设定各种参数都可能是挑战。
[0007] 运些仪器中的一些允许配置仪器W优化性能。此优化可为使仪器检测/识别特定 种类的化学品或化学品列表或者关于此发出警报。所述优化可为改善性能、用户安全性或 使仪器根据标准操作程序(SOP)执行。允许用户配置的当前仪器提供准许一次一个地编辑 设定的手动过程。手动配置花费时间，而用户受到时间约束，且因此经常仪器未经配置W得 到最佳性能。运使用户处于风险且减慢响应。
[000引需要的是用于适配或重新配置现场仪器的方法和设备。优选地，解决方案利用现 场智力来帮助用户进行配置控制。另外，解决方案应为有利的且提供仪器的改善的性能。
[0009] 另外，一直需要能够可靠地识别未知的材料的现场便携式分析器。应急响应小组 和执法机构经常遇到未知的且潜在危险的物质，包含有毒工业化学品（TIC)、毒品、爆炸物 前驱体W及简易爆炸物装置（I抓）。除运些物质之外，常规爆炸物、生物武器和化学品武器 一直是对国±安全和军事用户的威胁。在实验室环境中，中红外和拉曼光谱法已经证明对 于识别运些材料极有效。使振动光谱法从实验室分析技术转变为基于现场的工具的努力已 经持续十年W上，且近年来手持式光谱仪已经在许多应用中广泛成功。
[0010] 手持式光谱仪的现场用户通常并不具有科学或光谱法的广泛训练。因此，此类装 置的重要设计考虑是并入能够将原始光谱数据转换为答案的机载智力。在定性的应用中， 最终用户问的问题经常属于W下Ξ个类别中的一者：
[0011] 验证:测得的测试材料与真正的物质X-致？
[0012] 筛查:测得的测试材料表现为含有物质X?
[OOU]识别：测得何种材料？
[0014] 与验证相关联的问题是相当有界的（例如，"测得的光谱与所存储的材料X的参考 光谱一致?"）。验证算法通常用于原材料确认和防伪应用，且本文将不进一步考虑。
[0015] 筛查算法评估未知的测量中的特征的至少一个子集是否对应于所关注的一或多 个特定物质。此些算法需要关于材料的潜在存在的用户输入(例如，正在捜索何种测试目 标，W及可能遇到何种干扰物）。因此，筛查应用也是有界的，但达不到验证那样的程度。因 此，筛查算法对于其中仪器操作者具有关于特定分析物的潜在存在的知识的情形是最有吸 引力的。
[0016] 识别或库捜索算法经配置W快速捜寻已知材料的库且确定未知的光谱是否与来 自数据库的任何所存储的响应一致。虽然较低端装置止于纯材料估计，但更复杂的识别设 备并入有自动混合物分析，运是在未知的测量不匹配任何库光谱的情况下调用。执行混合 物分析W确定是否可找到解释测得数据的显著部分的所存储的响应的组合。运具有大的实 际实用性，因为现场中遇到的样本经常不纯。识别算法在它们可从数千可能的候选者中识 别未知材料的意义上是极灵活的；然而，它们并不W筛查算法相同的方式并入关于特定分 析物的潜在存在的信息。因此，筛查算法常常提供增强的检测能力，运使得它们对于例如化 学战剂或毒品检测等特定应用是有吸引力的。
[0017] 基于例如红外光谱法、拉曼光谱法、X射线巧光光谱法、质谱法等若干技术的便携 式分析装置现在广泛可用且全球部署。然而，一直需要将适合于提供傅立叶变换红外光谱 法(FTIR)监测的传感器与用于提供拉曼光谱法监测的传感器进行组合的光谱仪。
【发明内容】
[0018] 在一个实施例中，提供一种可配置W用于材料的化学性质的现场分析的手持式光 谱仪。所述光谱仪包含:适合于提供傅立叶变换红外光谱法(FTIR)监测的至少一个传感器 W及用于提供拉曼光谱法监测的至少另一传感器。在一些实施例中，所述光谱仪可具备用 于修改所述光谱仪的取样配置的用户可存取指令集。在某些实施例中，所述光谱仪可具备 用W配置所述光谱仪的用户可存取指令集。在一些实施例中，所述光谱仪可具备多个用户 可存取响应简档，每一响应简档提供用于修改所述光谱仪的取样配置的指令集。
[0019] 在另一实施例中，一种使用光谱仪通过至少两种技术确定样本的最可能组成的方 法包含:使用所述光谱仪通过第一技术从所述样本获得数据，其中所述数据包括由所述第 一技术获得的测得光谱的第一表示；W及确定所述测得光谱的所述第一表示的精度状态。 所述方法进一步包含提供库候选者的第一集合且针对每一库候选者提供表示每一库候选 者的数据，其中所述数据包括由所述第一技术获得的库光谱的表示。所述方法随后进一步 包含通过使用W下各项确定所述样本与库候选者的所述第一集合中的每一库候选者的相 似性的第一表示而选择库候选者的第一子集：（i)所述测得光谱的所述第一表示；（ii)所述 测得光谱的所述第一表示的所述精度状态；（iii)所述库候选者的所述库光谱的所述表示； W及任选地(iv)所述库候选者的所述库光谱的所述表示的精度状态。所述方法随后包含基 于库候选者的所述选定第一子集而确定所述样本的第一最可能组成。
[0020] 所述方法进一步包含:使用所述光谱仪通过第二技术从所述样本获得数据，其中 所述数据包括由所述第二技术获得的测得光谱的第二表示；W及确定所述测得光谱的所述 第二表示的精度状态;提供库候选者的第二集合且针对每一库候选者提供表示每一库候选 者的数据，其中所述数据包括由所述第二技术获得的库光谱的表示。所述方法随后进一步 包含通过使用W下各项确定所述样本与库候选者的所述第二集合中的每一库候选者的相 似性的第二表示而选择库候选者的第二子集：（i)所述测得光谱的所述第二表示；（ii)所述 测得光谱的所述第二表示的所述精度状态；（iii)所述库候选者的所述库光谱的所述表示； W及任选地（iv)所述库候选者的所述库光谱的所述表示的精度状态。所述方法随后包含： 基于库候选者的所述选定第二子集而确定所述样本的第二最可能组成;基于所述样本的所 述第一和第二最可能组成而确定所述样本的所得最可能组成；W及向用户显示所述样本的 所述所得最可能组成。
[0021] 在一些实施例中，所述方法可进一步包含:将库候选者的第一监视列表添加到库 候选者的所述第一子集；W及任选地将库候选者的第二监视列表添加到库候选者的所述第 二子集。在某些实施例中，所述方法可进一步包含将所述样本的所述第一最可能组成添加 到库候选者的所述第二子集。在一些实施例中，来自所述样本的所述数据可进一步包括所 述样本的至少一个观测性质。在某些实施例中，所述方法可进一步包含在选择库候选者的 所述第一子集之前选择库候选者的所述第二子集，且将所述样本的所述第二最可能组成添 加到库候选者的所述第一子集。
[0022] 在一些实施例中，所述样本与任何单个库候选者的相似性小于报告阔值，且所述 方法可进一步包含通过使用W下各项确定所述样本与库候选者的所述第一子集中的库候 选者的混合物的相似性的第Ξ表示而选择库候选者的第Ξ子集：（i)所述测得光谱的所述 第一表示；（ii)所述测得光谱的所述第一表示的所述精度状态；（iii)所述库候选者的所述 库光谱的所述表示；W及任选地（iv)所述库候选者的所述库光谱的所述表示的精度状态， 且其中确定所述样本的所述所得最可能组成是基于所述样本与库候选者的所述混合物的 相似性的所述所确定表示。所述报告阔值可大于或等于0.05。所述方法可进一步包含通过 使用W下各项确定所述样本与库候选者的所述第二集合中的库候选者的混合物的相似性 的第四表示而选择库候选者的第四子集：（i)所述测得光谱的所述第二表示；（ii)所述测得 光谱的所述第二表示的所述精度状态；（iii)所述库候选者的所述库光谱的所述表示；W及 任选地(iv)所述库候选者的所述库光谱的所述表示的精度状态。
[0023] 在某些实施例中，所述方法可包含将所述样本的所述第一最可能组成添加到库候 选者的所述第四子集。替代地，所述方法可包含在选择库候选者的所述第Ξ子集之前选择 库候选者的所述第四子集，且将所述样本的所述第二最可能组成添加到库候选者的所述第 Ξ子集，或任选地，将所述样本的所述第二最可能组成添加到库候选者的所述第一子集。
[0024] 实施例还包含呈计算机程序Γ软件"）形式的软件，其当由可编程处理器执行时可 执行本文所描述的方法中的任何一或多者或者可由此处描述的任何设备执行的任何一或 多个方法。此计算机程序可常常W非暂时性形式载运于合适的媒体中，例如磁性或光学存 储装置、固态存储器或任何其它存储媒体。
[0025] 在一些实施例中，计算机程序产品载运非暂时性计算机程序，所述非暂时性计算 机程序当由过程执行时可执行现场分析材料的化学性质的方法，所述方法包括提供手持式 仪器，所述手持式仪器包括适合于提供傅立叶变换红外光谱法(FTIR)监测的至少一个传感 器和用于提供拉曼光谱法监测的至少另一传感器。
[0026] 在其它实施例中，一种计算机程序产品载运非暂时性计算机程序，所述非暂时性 计算机程序当由过程执行时可执行使用光谱仪通过至少两种技术确定样本的最可能组成 的方法，所述方法包括上文描述的步骤。
【附图说明】
[0027] 本发明的特征和优点从W下结合附图做出的描述显而易见，附图中：
[0028] 图1是适合于实践本文中的教示的仪器的图；
[0029] 图2是用于设置和管理图1的仪器的组件的说明。
[0030] 图3是图1的仪器的使用阶段的说明；
[0031] 图4是呈现用于图1的仪器的设置和使用的示范性考虑的表；W及
[0032] 图5是描绘用于配置图1的仪器的响应简档的方面的表。
[0033] 图6是展示在光谱仪上使用的逻辑的高级概述的流程图（无数据融合的两个单独 技术)。
[0034] 图7A-7B是突出显示经标记项目的显示的示范性结果屏幕的图示，此处展示纯组 份匹配中的2-丙醇（图7A)和混合物匹配(图7B)。
[0035] 图8是展示在具有两个单独技术且包含数据融合的光谱仪上使用的逻辑的高级概 述的流程图。
[0036] 图9是展示在具有两个单独技术、包含例如样本的至少一个观测性质等其它外部 数据且包含数据融合的光谱仪上使用的逻辑的高级概述的流程图。
[0037] 图10是拉曼和FTIR波长范围中的官能团的说明。
[0038] 图11是突出显示可用W制造其它所关注化学品的化学品模式的示范性结果屏幕 的说明。
【具体实施方式】
[0039] 在本文中呈现的实施例的描述中，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述， 否则W单数形式呈现的词语涵盖其复数对应物，并且W复数形式呈现的词语涵盖其单数对 应物。此外，应理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则对于本文中描述的任何给 定组件或实施例，针对所述组件列出的任何可能候选或替代方案通常可W个别地使用或彼 此结合使用。此外，应了解，本文示出的图形未必按比例绘制，其中为了本发明清晰起见可 W仅绘制一些元件。此外，可在各个图形中重复参考标号来示出对应或类似元件。另外，将 理解，除非另外隐含地或明确地理解或陈述，否则此类候选或替代方案的任何列表仅是说 明性的，而不是限制性的。另外，除非另外指明，否则本说明书和权利要求书中所用的表示 成分的量、组分、反应条件等等的数字应理解为均由术语"约"修饰。
[0040] 因此，除非相反地指示，否则本说明书和随附权利要求书中所阐述的数值参数是 可W取决于试图通过本文提出的标的物获得的所需性质而变化的近似值。最低限度地，并 且不试图限制等效物原则应用于权利要求书的范围，至少应根据所报告的有效数字的数目 并且通过应用一般四舍五入技术来解释每个数值参数。尽管阐述本文中提出的标的物的广 泛范围的数值范围和参数为近似值，但具体实例中所阐述的数值是尽可能精确报告的。然 而，任何数值固有地含有某些由其对应的测试测量值中所发现的标准差必然造成的误差。
[0041] 本文所掲示的提供现场使用仪器的快速适配的方法和设备。具体来说，本文所提 供的解决方案使得用户能够快速调整经配置W用于现场使用的组合傅立叶变换红外 (FTIR)和/或拉曼光谱仪。有利的是，解决方案提供对应于给定类型的威胁(分析分布)的基 于情境的配置。在论述解决方案和深度之前，介绍仪器的方面。
[0042] 现参看图1，展示示范性仪器10。在此非限制性实例中，仪器10为用户提供基于现 场的样本分析的广泛能力。大体上通过一或多种光谱法技术执行样本分析。运些光谱法技 术可包含傅立叶变换红外(FTIR)光谱法和/或拉曼光谱法。即，仪器10提供从固体、液体或 气体样本的吸收、发射或拉曼散射的红外线光谱的收集。仪器10在本文中也可W被称作光 谱仪。
[0043] 仪器10的FTIR部分W许多频率的光照射样本一次，且测量所述光束的多少由所述 样本吸收。接着，修改所述光束W含有不同的频率组合，从而给出第二数据点。此过程重复 多次。然后，仪器10机载的处理器取得所收集的数据W估计在每一波长下的吸收。吸收数据 与已知材料的特性之间的相关随后形成对用户的输出。
[0044] 仪器10的拉曼散射部分也W光的光束照射所述样本。当光子从所述样本中的原子 或分子散射时，大多数光子弹性地散射(瑞利散射），W使得散射的光子具有与入射光子相 同的能量(频率和波长）。然而，一小部分散射光子是通过激发而散射。运些拉曼散射光子具 有不同于且通常低于入射光子的频率的频率。在样本中，拉曼散射可随着由于跃迁所致的 分子能量的改变而发生。仪器10提供用于收集与拉曼散射相关联的光学信号、将所述光学 信号与数据表进行比较且向用户输出相关的资源。
[0045] 在图1中所描绘的示范性实施例中，仪器10提供为手持式装置。仪器10包含于外壳 9内。在此实施例中，外壳9"经加固"。即，外壳9经配置有特征W提供恶劣环境中的存留。用 于存留的示范性特征包含用W保护仪器10的外部的材料护套。所述材料护套可另外为可更 换的（例如W维持仪器10的卫生）。另外，外壳9内的组件可为冲击安装、表面安装或另外经 配置W承受冲击。外壳9可进一步经配置W防潮、防水和/或承受化学品降级便承受酸性 或碱性）。举例来说，所述仪器可针对坚固性经鉴定为Μ比-STD 810G。
[0046] 仪器10包含用于实现数据和/或结果的取样、处理和适当输出的多种组件。举例来 说，为用户提供各种用户控制件11。大体上，用户控制件11使得用户能够控制仪器10W用于 起始取样、处理和通信。另外，用户控制件11使得用户能够配置仪器10,监视仪器10的健康 且执行其它相似任务。在一些实施例中，用户控制件11可经配置W用于特定取样例程或类 似物。大体上，外壳9和用户控制件11密封于环境W使得仪器将不受样本材料污染或不经受 与给定样本相关联的危险。
[0047] 可为仪器10提供至少一个屏幕12。大体上，屏幕12为用户提供动态输出。所述输出 可包含配置信息、仪器10的状态、语义信息（例如日期、时间、位置信息等…）W及样本分析 信息和任何其它认为适当的信息。在一些实施例中，屏幕12提供为触敏屏幕W实现通过屏 幕12的用户输入。在一示范性实施例中，屏幕12提供为液晶显示器化CD)，其具有电容式覆 层W实现触摸能力。
[004引在示范性实施例中，仪器10包含取样探测器20W及化座22。大体上，取样探测器20 包含柔性轴杆23和至少一个传感器21。然而，在一实施例中探测器20和传感器21可集成到 外壳9中而无需轴杆23,且因此提供"即指即射"式样本分析。至少一个窄带照明源(未图示） 和至少一个宽带照明源(未图示）可集成到仪器10中，且可与探测器20和化座22-起使用。 在一些实施例中，化座22是电动的。在一些实施例中，轴杆23经安置W使得探测器20可定位 成在其与和化座22相关联的收集光学器件接触时查询样本。W此方式，可通过拉曼光谱仪 和傅立叶变换红外光谱仪两者同时和/或在单个位置中时查询样本。
[0049] 所述至少一个窄带照明源可包含例如至少一个发光二极管化邸)和/或激光器。所 述至少一个宽带照明源可包含例如至少一个电阻长丝和/或薄膜。所述照明源可按需要进 一步包含光学过滤和其它组件W用于产生光学效应。仪器10可进一步经配置W与外部(独 立)照明源一起工作。此外，仪器10可经配置W相对于取样控制照明。举例来说，仪器10可经 配置W在照明源之间改变W提供对用W照射给定样本的波长的调整。大体上，通过系统软 件提供与取样结合的照明源的控制。
[0050] 大体上，所述仪器包含至少一个端口 14。端口 14可包含网络接口，例如W太网、串 行、并行、802.11、USB、蓝牙或其它类型的接口（未图示）。端口 14可用W提供遥控、数据通 信、输出的接收、共享处理、系统备份和其它相似任务。在一些实施例中，端口 14提供到外部 计算机(例如个人计算机(PC))的接口。当仪器10连接到PC(未图示)时，安装在PC上的软件 可W用于控制且启用仪器10的快速配置。按照惯例，安装在外部单元(例如经配置W为用户 提供仪器的改善的存取和/或控制的PC)上的软件可一般被称作"简档管理器"。
[0051] 大体上，仪器10包含内部电力供应器(例如，电池）、存储器、处理器、时钟、数据存 储装置和其它相似组件（未图示）。其它输出装置可进一步包含扬声器(未图示），例如经配 置W提供例如警报等听觉输出的一个扬声器。额外输入装置可包含麦克风(未图示），例如 经配置W从用户接收话音命令的一个麦克风。
[0052] 大体上，处理器经配置W从用户控制件11接收输入且控制福射源、检测系统和分 析组件。因此，处理器还将提供适当信息到输出。仪器10可经配置W利用稳健的处理能力， 且可因此包含数据库、用于数据存储的大量存储器、校准库及类似物。用户控制件11可包含 触发器或其它此类装置W提供W光谱仪10的取样和分析的起始。输出可提供原始数据、光 谱数据、浓度数据和其它适当形式的数据。
[0053] 大体上，处理器经配置W执行专用软件。即，处理器经配置W检索存储在机器可读 媒体中（例如存储器或数据存储装置中）且为使得仪器10能够执行选定方法进行操作而提 供的机器可执行指令。应考虑，随仪器10提供的任何软件可另外包含数据表、子例程、到外 部资源的链接，W及必要的或认为适合于实现操作的其它组件。作为一个实例，仪器10可包 含至少一个库。所述至少一个库可包含大量化学品数据。更具体来说，对于任何给定化学 品、化合物、元件或其它类型的材料，所述库可包含例如光谱性质、身份、危险物品分类 (NFPA标记)信息、材料安全数据表(MSDS)信息及类似信息。作为另一实例，仪器10可包含用 于根据用户的语言配置用户接口的语言库。
[0054] 如可推测，仪器10提供多功能系统。多功能性的部分是通过仪器10的复杂性实现。 借助于仪器10的复杂性，有可能配置仪器10得到改善的性能。即，例如分析时间、分析次序、 功率电平及类似物等方面可根据分析的类型经配置到特定响应简档中，例如工业化学品、 自制爆炸物、秘密药品实验室、街头毒品或化学战剂的分析。更具体来说，适当地调整仪器 10的系统参数的数目将改善给定类型的分析的精度和准确性。
[0055] 图2中提供用于配置光谱仪10的示范性系统的方面。参考图2,展示用于配置光谱 仪10的系统的方面。在此示范性实施例中，系统管理器26经配置W与仪器10通信且控制仪 器10。系统管理器26通过网络27与仪器10通信。网络27可利用认为适当的任何类型的通信 协议，例如上文所论述通信的类型。
[0056] 大体上，系统管理器26提供为存储在机器可读媒体上的机器可执行指令（即，可在 例如个人计算机(PC)等计算机上执行的"软件"）。在一些实施例中，系统管理器26从仪器10 为用户提供大量信息。举例来说，系统管理器26可经配置W显示仪器10的内部参数中的至 少一些到全部。系统管理器26可进一步允许用户编辑仪器10的内部参数中的至少一些。参 数的编辑可W多种不同方式执行。举例来说，仪器10可利用配置数据文件、只读存储器 (ROM) W及此项技术中可已知的其它相似技术。在一些实施例中，系统管理器26可提供为存 储在机器可读媒体上的机器可执行指令，即，可在仪器10上执行的"软件"。
[0057] 系统管理器26(W及仪器10的屏幕上用户接口）可W多种不同方式提供。举例来 说，用户接口方案可包含图形用户接口（GUI)、基于文字的接口，且可包含经配置W用于传 送到另一应用程序的文件。
[0058] 在一些实施例中，针对给定用户或情形W-种方式且针对不同用户或情形W另一 方式设定某些参数。因此，可W各种简档和/或帐户配置仪器10。为利用系统管理器26的系 统管理员提供资源W有效地且方便地管理不同的用户、帐户和系统设定。
[0059] 举例来说，应认识到，存在仪器10的使用或与其的交互的各个阶段。更具体来说， 在第一阶段中，配置仪器10的全局设定。在第二阶段中，用户将配置仪器10用于给定的监 巧。。在第Ξ阶段中，用户将通过分析样本而开始监测。在最后阶段中，用户（和/或另一方)将 审阅和/或分析来自样本监测的数据。可W参考图3。
[0060] 图3提供仪器10的使用阶段的说明。另外，图4是描绘用户当配置仪器10用于监测 时将评估的考虑的表。
[0061] 为了有效管理仪器10的设置，系统管理器26包含提供基于情境的配置的软件。即， 仪器10的实施例为用户提供接口，其提供选择最适合于给定情形的配置。
[0062] 如本文所论述，基于情境的配置可被称为"响应简档"。通过使用响应简档，用户的 分集可W在仪器设置或维护上花费相对极少时间来使用仪器10。运在其中在紧急情况期间 不同用户可能彼此传递仪器10的情况下是特别有利的。
[0063] 大体上，仪器10在数据存储装置和/或存储器中存储多个响应简档。每一响应简档 可在使用之前良好配置，且处于受控条件下。举例来说，在仪器设置和/或校准期间，仪器技 术员(或工程师，或任何其它类似情形的一方)可确定用于任何给定类型的分析的多种参数 的适当设定。如上文所论述，系统管理器26可用W建立和/或维持存储在仪器10中的响应简 档。
[0064] 因此，为用户提供"在运行中"可配置的仪器。运意味着拆弹部口可在一天使用仪 器10,且危险材料响应小组可在下一天使用仪器10。在一些情况下，运些是同一小组。在任 何情况下，所述产品将允许他们选择与其呼叫类型相关联的配置且仪器将做好准备。
[0065] 每一响应简档的编辑可在仪器上W及通过简档管理器完成。用户也可将简档导出 到外部数据存储媒体且将其导入到另一仪器上。用户能够添加、删除和编辑简档上的设定 w及改变简档按钮图标。管理员能够将一些简档设定限制为对应于部口安全或程序策略。
[0066] 现在参见图5,描绘多个响应简档31的方面。如此实例中所示，每一响应简档31可 被给定适当名称W使得用户可做出配置仪器10的有利选择。在此实例中，响应简档包含用 于W下各项的简档:工业化学品、自制的爆炸物、药品实验室、街头毒品，和化学战剂。另外， 用户可能想要添加定制响应简档31，且可被呈现此选项。在一些实施例中，用户可复制现有 响应简档31，稍微修改相应响应简档31，且随后保存经修改响应简档31作为新响应简档31。 举例来说，用户可决定基于现场中遇到的化合物的浓度而修改分析的持续时间。
[0067] 每一响应简档31包含多个参数32。每一参数32被指派特定设定33或"值"。举例来 说且无限制，参数32可包含标签列表(例如将指派给给定样本的特定名称）、会话名称使 得在数据的后续审阅之后，审阅者可识别用于每一参数32的设定）、技术次序(处理优先级， W使得处理次序或样本分析受控）、仪器压力（例如用于化座22)、拉曼激光功率(例如用于 取样溫度敏感或爆炸物材料），W及多个时间参数(例如用于扫描持续时间、扫描延迟、扫描 超时及类似物）。
[0068] 如可推测，可调整较大数目的参数32W提供每一响应简档31。图5中所示的响应简 档31和参数32仅是说明性的且不限制本文中的教示。
[0069] 有利的是，本文中的教示提供手持式FTIR光谱法与手持式拉曼光谱法的组合功能 性。运包含单个单元与两个单元的组合相比的大小和重量及成本）的减少。进一步优点 包含修整软件工作流的机会。另外，样本监测可大体上加速。举例来说，拉曼探测器可经设 计W定位成在其处于与FTIR取样相同的位置时查询样本。运促进使用两个方法的仪器的远 程操作，运在当样本可能是爆炸物或另外极危险时的现场应用中是尤其重要的。
[0070] 运些工具已经增多地用于不同用户的基于现场的评估，包含军事、应急响应和执 法情况。
[0071] 便携式装置的最终用户经常不是依赖于嵌入软件和相关联算法来将所收集的数 据转换为明确的可动作信息的科学家。
[0072] 现场应用中通常遇到的一类问题是识别。识别算法经设计W挖掘已知材料的库且 确定未知的测量是否与所存储的响应或所存储的响应的组合一致。此些算法可用W从数千 可能的候选者中识别材料。
[0073] 第二类问题是筛查。筛查算法评估未知的测量中的特征的至少一个子集是否对应 于所关注的一或多个特定物质，且通常经配置W从潜在目标分析物的小列表评估候选者。 因此，筛查算法与识别算法相比较不广泛适用;然而，它们通常提供较快的检测速率，运使 得它们对于例如化学战剂或毒品检测等特定应用是有吸引力的。
[0074] 最近，已开发称为标记的新方法，其是在识别算法框架内合并筛查能力。标记维持 现场用户需求的宽识别能力(识别数千可能的纯材料和数万亿潜在混合物候选者的能力）， 同时提供允许用户配置其自身的标签列表(例如，测试目标的用户界定集合，也被称为监视 列表）W用于目标物质的增强检测的扩展能力。在所述列表可在现场快速经配置的条件下， 标记为用户提供将其情境感知并入到由装置提供的样本评估中的能力。如本文所论述，当 项目经标记时可实现较高检测速率和检测的较低限制。另外，当经识别时，可在装置图形用 户接口（GUI)中优先显示经标记项目W向用户提供已检测到所关注的物质的明确指示。
[0075] 本文所描述的一些实施例一般针对组合识别/筛查算法的概述和性能表征。所述 组合算法提供筛查算法较为典型的增强检测能力，同时维持宽识别能力。另外，此方法可使 得用户能够在响应期间并入情境感知。
[0076] 算法概述
[0077] 计算考虑
[0078] 如上文所论述，当代手持式分析器逐渐地能够自动识别纯材料和混合物两者。未 知的混合物的分析呈现无法忽略的特殊计算挑战。现代的参考数据库经常含有超过10,000 个库光谱，且部署于手持式装置上的一些混合物算法尝试同时配合多达5个混合物组份。可 使用W下公式计算可针对给定库评估的潜在混合溶液候选者的数目：
[0079]
[0080] 其中N是可能的混合物候选者的数目，η是库参考光谱的数目，且k是同时配合的混 合物组份的最大数目。基于W上展示的公式，可能的混合物组合的数目随着同时配合的组 份的数目快速地按比例缩放，尤其对于大的参考库数据库。为了说明此点，表1示出当考虑2 至化组份溶液时针对含有10,000个项目的参考库的可能混合物候选者的数目。
[0081 ] 表1.对于10,000项目库随混合物组份配合的数目化)而变的潜在混合物候选者的 数目（N)
[0082]
[0083] ~从表1可见对于10,000项目库，单独存在几乎5千万可能的两组份混合物候选者。 手持式装置通常具有有限的机载计算能力使问题进一步复杂。W当今便携式装置上可用的 机载处理能力，将花费若干天来从大的现代参考数据库评估可能产生的每种潜在混合溶 液。由于与混合物问题相关联的计算费用，手持式识别装置经常并入快速计算，其可用W向 下选择库达到经减少并且因此较可管理数目的条目。所述向下选择是通过更精确的纯组份 和混合物分析算法在最终分析之前执行的初步步骤。
[0084] 图6中所示的是说明在无数据融合的手持式识别装置中使用的识别算法的示范性 高级概述的流程图，无数据融合即无来自不同技术的光谱信息的整合。此识别算法的进一 步描述也可参见颁予布朗等人且转让给本申请的受让人的标题为"使用测量的非化学质量 的光谱捜索方法（S阳CT抓Μ SEARCHING MET册D THAT USES NON-CHEMICAL QUALITIES OF ??Ε MEASUREMENT r的第7，254，501号美国专利，所述美国专利的公开内容W全文引用的方 式并入本文。然而，当所并入的参考文件中的任何事物与在本申请案中陈述的任何事物发 生矛盾时，W本申请案为准。如所述流程图中所提到，在纯组份评估和混合物分析之前执行 向下选择。此方法的意图是实现最终用户的快速分析时间且确保分配大部分计算时间来对 照所关注的选择库项目做出未知样本的详细评估。
[0085] 在针对计算效率优化的同时，向下选择程序也经设计W保持最可能存在于未知光 谱中的参考库候选者。然而，向下选择策略不是无损的，因此有可能存在于未知样本中的项 目在由最终算法分析之前被忽略而不考虑。对于纯材料运很少成问题;然而，对于在未知光 谱中其特征可能大部分被主要混合物组份掩蔽的微小混合物组份来说运确实变得较为困 难。由标记提供的增强筛查能力的一个方面是减少经标记物质（即，监视列表上包含的物 质）将在最终分析算法之前错误地被忽略考虑的可能性。标记的进一步描述也可参见颁予 格林等人且转让给本申请的受让人的标题为"在光谱捜索应用中用于标记所关注的参考材 料的方法（MET册D FOR TAGGING REFERENCE MATERIALS OF INTEREST IN S阳CTROSCOPIC SEARCHING AP化ICATIONSr的第13/540，152号美国专利申请案，所述美国专利申请案的公 开内容W全文引用的方式并入本文。然而，当所并入的参考文件中的任何事物与在本申请 案中陈述的任何事物发生矛盾时，W本申请案为准。
[0086] 在图6中所示的流程图中，使用光谱仪通过至少两个技术(例如，FTIR作为技术1且 拉曼作为技术2)确定样本的最可能组成的两个方法601及602包含在步骤610-1使用光谱仪 通过第一技术(技术1)从所述样本获得数据，其中所述数据包括由第一技术获得的测得光 谱的第一表示，W及在步骤610-2使用光谱仪由第二技术(技术2)从所述样本获得数据，其 中所述数据包括由第二技术获得的测得光谱的第二表示。所述方法随后包含在步骤620-1 或620-2(分别对于第一方法601或第二方法602)确定测得光谱的第一或第二表示的精度状 态，提供库候选者的第一或第二集合，且针对每一库候选者提供表示每一库候选者的数据， 其中所述数据包括由第一或第二技术获得的库光谱的表示，通过使用W下各项确定所述样 本与库候选者的第一或第二集合中的每一库候选者的相似性的第一或第二表示而选择库 候选者的第一或第二子集：（i)测得光谱的第一或第二表示，（ii)测得光谱的第一或第二表 示的精度状态，（iii)所述库候选者的库光谱的表示，W及(iv)所述库候选者的库光谱的表 示的精度状态，W及基于所述选定的库候选者的第一或第二子集而确定所述样本的第一或 第二最可能组成。方法601及602可任选地包含在步骤615-1或615-2将库候选者的第一或第 二监视列表添加到库候选者的第一或第二子集。
[0087] 将通过光谱库捜索应用回答的关键问题是:给定试样的起作用的测量W及测得其 所处的条件，（1)库记录中的任一者可能匹配？W及(2)测得的材料事实上是A、B等等的概率 PA、PB...是什么？运些概率必然直接取决于测量数据及其质量。一般来说，测量质量随着测 量的准确性及其精度(或变化率)而变。常常可假定，如果仪器已经适当地设计和/或已经使 用适当信号调节方法，那么测量将合理地准确，但必然经受取决于测量条件的程度的不精 确性。
[0088] 所述方法收集数据且测量不确定性的来源。对于使用电荷禪合装置(CCD)检测的 分散拉曼光谱仪测量，作为一实例，许多不同的变化率来源贡献于Σ meas，测量的精度状态：
[0089] Σ jneas - f( iRal , iRam , If 1 , lambient, Idark , 〇read , Q , DcCD , GcCD ,C,T,H,t,L) (2)
[0090] 其中iRal是瑞利散射强度，iRam是拉曼散射强度，Ifl是巧光强度，且lambient是环境光 强度。
[0091] 等式2中列出的全部项都影响分析测量的不确定性，因为它们每一者都贡献于光 子散粒噪声。Idark是CCD中的暗电流强度，检测器计数的自发积聚而无冲击的光子，运也贡 献于散粒噪声。Oread是读取噪声(读出CCD响应中的不精确性），Q是量化误差(模数转换ADC 的结果），化CD是与作为CCD构造中缺陷的结果的变化率相关的项，Gccd是CCD上的增益（从电 子到计数的转换因子），τ和Η是测量的溫度和湿度条件，t是积分信号花费的时间，C是可更 改所述样本的确切拉曼强度的物理化学效应(应注意运些效应中的每一者具有潜在波长相 依性），且L是"长期"变化率项，其反映在大于任何个别样本测量的时段的时段中的系统性 能的改变，例如校准相关变化率。从W上论述可知，一些不精确性来源是通过测量条件确定 (例如，光子散粒噪声、暗噪声），一些是通过进行测量的单元确定(例如，系统增益、读取噪 声、量化噪声），且一些是通过平台的总设计确定(例如，波长轴线和线宽稳定性、溫度/湿度 敏感性）。
[0092] -旦扫描数据到达认为对于此化学品识别足够的信噪比（SNR)阔值，结果就是化 学品X的识别。零假设规定在给定测量不确定性的情况下测量光谱属于参考库光谱的群体。 对立假设规定测量光谱不属于参考库光谱的群体。
[0093] 在统计数据中，P值是当零假设实际上为真时获得所观测样本结果（或更极端结 果)的概率。如果此P值极小，通常小于或等于称为显著性水平的先前所选的报告阔值(传统 地为95%)，那么表明所观测数据与零假设为真的假设不一致，且因此必须拒绝所述假设。 因此，如果P值(本文也被称为报告阔值)大于或等于0.05,那么测量视为与参考光谱一致， 且装置将报告肯定匹配(例如，通过显示绿屏幕）。否则，取决于单元配置，所述装置可进行 混合物分析，或将报告相似项目，如下所述，或将不报告匹配。
[0094] 如果在步骤625-1或625-2所述样本是纯样本，如下文中进一步描述所确定，那么 步骤640-1或640-2显示纯匹配，或如果通过一个W上名称已知纯匹配化学品，那么步骤 640-1或640-2显示所述纯匹配。如果在步骤625-1或625-2所述样本不是纯样本，即，如果所 述样本与任何单个库候选者的相似性小于如上文所描述可大于或等于0.05的报告阔值，那 么方法601及602进一步包含在步骤650-1或650-2通过使用W下各项确定所述样本分别与 库候选者的第一或第二子集中的库候选者的混合物的相似性的第Ξ或第四表示而选择库 候选者的第Ξ或第四子集：（i)测得光谱的第一或第二表示；（ii)测得光谱的第一或第二表 示的精度状态；（iii)所述库候选者的库光谱的表示；W及任选地(iv)所述库候选者的库光 谱的表示的精度状态。确定所述样本的所得最可能组成是基于所述样本与库候选者的混合 物的相似性的所确定表示，即，基于所述样本与库候选者的混合物的相似性大于如上文所 描述可大于或等于0.05的报告阔值的确定。方法601及602可任选地包含在步骤645-1或 645-2将库候选者的第Ξ或第四监视列表添加到库候选者的第Ξ或第四子集。在步骤655-1 或655-2,如果辨识出混合物(P值大于或等于0.05)，那么步骤670-1或670-2显示混合物结 果。如果未辨识出混合物，那么在步骤675-1或675-2,如果存在任何相似项目，即导致大于 lxl〇-4且小于0.05的P值的任何项目，那么步骤680-1或680-2显示所述相似项目。如果不存 在相似项目，那么步骤690-1或690-2报告未找到匹配。
[00M]报告考虑
[0096] 图6中未明确所示的最终话题是报告与自动混合物算法相关联的准则。为了使分 析真正自动化，在算法中必须设定配合良好度阔值W确定将报告哪种组份(如果存在）。设 定报告阔值的需要是通用的且不取决于使用的分析算法的类型。
[0097] 报告阔值的选择对捜索应用的真肯定率(TPR)与假肯定率(FPR)之间的折衷具有 直接影响。在典型未知的识别情形中，例如危险材料识别（例如，危险品呼叫），作出特殊考 虑W确保FPR保持低。运防止用户作用于可能不明确的信息，且允许用户将时间和努力集中 于可提供更决定性信息的其它评估。相比之下，在筛查情形中，报告阔值常常设定成最大化 TPR，即使W较高FH?为代价。运是因为在筛查情形中，例如医疗诊断测试，常常存在可能为 了减轻错误肯定而执行的第二确认测试。
[0098] 基于运些考虑，筛查算法能够提供比标准识别算法更好的检测率的另一原因是报 告阔值针对所关注的物质而优化。针对经标记项目的报告阔值的优化预期导致好得多的检 测能力，但还可预期错误警报率的稍微增加。
[0099] 现场考虑
[0100] 识别设备的最终用户经常具有从多种来源可供其使用的信息。在典型响应期间， 呈其它外部数据智力的形式的信息可W产品标签、样本观测（固体、液体或气体、颜色、气 味）、抑测量值W及来自多种分析器的测试结果的形式可用。在用户开始评估可供其使用的 全部信息时，用户关于何种潜在材料最可能存在于未知的样本中做出评估。传统的识别设 备和算法没有办法将实时信息或情境感知并入到由装置提供的识别评估中。如上方所展 示，标记方法提供与典型"盲"识别算法相比较高的检测速率和较低的检测限制。由于仪器 经设计W使得可在任何时间适配、修改或编辑标签列表(即，监视列表），因此标记方法为仪 器操作者提供较好地并入在响应的过程期间获得的知识的新颖能力。
[0101] 标记的另一益处是当识别出经标记项目时，可将经标记项目W及紧靠其的图标显 示给用户，向最终用户提供已经识别所关注的物质的明确指示。为了确保标签图标对最终 用户是显而易见的，可显示混合物且经标记物质出现在顶部，无论所述物质的光谱贡献(例 如，权重）如何。图7A和7B展示纯组份匹配（图7A)和混合物匹配（图7B)的实例结果显示。可 W多种方式，例如使用不同颜色屏幕突出显示相应的匹配。
[0102] 虽然本文已最多地集中于标记提供的增强检测能力，但本文所描述的GUI元件凭 自身的作用提供大量益处。对于许多应用，威胁情景一直在扩展或改变。因此，最终用户变 得难W跟进所关注的新物质，且关于哪些物质最令人关注可存在不确定性。通过标记，用户 不再需要记住将监视的威胁材料的长列表。而是训练用户展示危险信号保证升级的任何结 果。
[0103] 数据融合
[0104] 如上述，被称为"标记"的筛查算法已部署到例如光谱仪等手持式识别装置上。此 概念也可部署于组合了两个或更多个技术的光谱仪上。在第一实例中，可在装置上设置简 档。
[0105] 所述简档可包含若干设定：
[0106] 拉曼激光功率，
[0107] 拉曼扫描延迟，
[0108] 拉曼扫描超时，
[0109] FTI閒占座力，
[0110] FTIR扫描延迟，
[01川 FTIR扫描超时，W及
[0112] 与所述简档相关的项目标签列表。
[0113] 项目的标签列表(本文也被称为监视列表）可为任何技术;在本文所描述的情况 下，所述两个技术是拉曼和FTIR光谱法。通过选择库中的化学品，当执行所述技术的扫描时 都将捜索所述化学品，无论是仅拉曼、仅FTIR或由运两种技术覆盖。纯化学品的实例包含爆 炸物材料，例如Ξ过氧化Ξ丙酬(TATP)RDX和六亚甲基Ξ过氧化二胺化MTD)，有毒材料，例 如丙締醒、氯横酸、异丙基异氯酸醋和甲苯2,4-二异氯酸醋，W及毒品材料，例如海洛因 HC1、可卡因游离碱、甲基苯丙胺HC1和JWH-018。化学品的混合物的实例包含可卡因肥1/苯 佐卡因、海洛因 HC1/乙酷胺苯酪(常见毒品混合物）、2-丙醇甲醇、醇/水、甲基乙基酬/异丙 醇/醇，和乙酷胺苯酪/a-单水合乳糖。图6说明可为两个完全单独装置或技术的两个单独技 术的数据流，其中没有先验知识传递到用于任一技术的决策引擎中，两者完全单独地操作。
[0114] 当两个技术组合到同一装置中时的显著可能性是在它们之间共享信息的可能性。 下文描述的两个可能性是1)在测量之前和2)在测量之后传递信息。
[0115] 之前(预先数据收集）
[0116] 在第一实例中，考虑在第二技术已起始扫描之前当传递从第一技术获得的信息时 遇到的可能性。在图8中，描述使用一个技术收集数据的流程。当技术1已给出结果时，将那 些识别传递到供技术2考虑的数据的子集中，即那些项目W相同方式视为标记，但是从技术 1的识别产生。
[0117] 在图8中所示的流程图中，使用光谱仪通过至少两个技术(例如，FTIR作为技术1且 拉曼作为技术2)确定样本的最可能组成且包含数据融合的两个方法801及802包含在步骤 810-1使用光谱仪通过第一技术(技术1)从所述样本获得数据，其中所述数据包括由第一技 术获得的测得光谱的第一表示，W及在步骤810-2使用光谱仪由第二技术(技术2)从所述样 本获得数据，其中所述数据包括由第二技术获得的测得光谱的第二表示。所述方法随后包 含在步骤820-1或820-2(分别对于第一方法801或第二方法802)确定测得光谱的第一或第 二表示的精度状态，提供库候选者的第一或第二集合，且针对每一库候选者提供表示每一 库候选者的数据，其中所述数据包括由第一或第二技术获得的库光谱的表示，通过使用W 下各项确定所述样本与库候选者的第一或第二集合中的每一库候选者的相似性的第一或 第二表示而选择库候选者的第一或第二子集：（i)测得光谱的第一或第二表示，（ii)测得光 谱的第一或第二表示的精度状态，（iii)所述库候选者的库光谱的表示，W及任选地(iv)所 述库候选者的库光谱的表示的精度状态，W及基于所述选定的库候选者的第一或第二子集 而确定所述样本的第一或第二最可能组成。方法801及802可任选地包含在步骤815-1或 815-2将库候选者的第一或第二监视列表添加到库候选者的第一或第二子集。
[0118] 如果在步骤825-1或825-2所述样本是纯样本，如下文中进一步描述所确定，那么 步骤840-1或840-2显示纯匹配，或如果通过一个W上名称已知纯匹配化学品，那么步骤 840-1或840-2显示所述纯匹配。然而，与方法601及602相比，在步骤840-1显示的所述样本 的纯匹配或第一最可能组成添加到在步骤820-2获得的库候选者的第二子集。替代地，在步 骤840-2显示的所述样本的第二最可能组成添加到在步骤820-1获得的库候选者的第一子 集。
[0119] 如果在步骤825-1或825-2所述样本不是纯样本，即，如果所述样本与任何单个库 候选者的相似性小于如上文所描述可大于或等于0.05的报告阔值，那么方法801及802进一 步包含在步骤850-1或850-2通过使用W下各项确定所述样本分别与库候选者的第一或第 二子集中的库候选者的混合物的相似性的第Ξ或第四表示而选择库候选者的第Ξ或第四 子集：（i)测得光谱的第一或第二表示；（ii)测得光谱的第一或第二表示的精度状态；（iii) 所述库候选者的库光谱的表示；W及任选地（iv)所述库候选者的库光谱的表示的精度状 态。确定所述样本的所得最可能组成是基于所述样本与库候选者的混合物的相似性的所确 定表示，即，基于所述样本与库候选者的混合物的相似性大于如上文所描述可大于或等于 0.05的报告阔值的确定。方法801及802可任选地包含在步骤845-1或845-2将库候选者的第 Ξ或第四监视列表添加到库候选者的第Ξ或第四子集。然而，与图6中所示的方法601及602 相比，在步骤840-1显示的所述样本的纯匹配或第一最可能组成添加到在步骤850-2的库候 选者的第四子集。
[0120] 在步骤855-1或855-2，如果辨识出混合物，（P值大于或等于0.05)，那么步骤870-1 或870-2显示混合物结果。如果未辨识出混合物，那么在步骤875-1或875-2,如果存在任何 相似项目，即导致大于1χ10-4且小于0.05的P值的任何项目，那么步骤880-1或880-2显示所 述相似项目。如果不存在相似项目，那么步骤890-1或890-2报告未找到匹配。然而，与方法 601及602相比，在步骤870-1显示的混合物结果或在步骤880-1显示的相似项目添加到在步 骤815-2的第二监视列表和在步骤845-2的第四监视列表。替代地，在步骤870-2显示的混合 物结果或在步骤880-2显示的相似项目添加到在步骤820-1获得的库候选者的第一子集或 在步骤850-1获得的库候选者的第Ξ子集。
[0121] 此概念进一步地，可将关于样本的信息传递到做出决策的算法，所述决策是关于 所述算法内将传递哪些数据。用户可提供关于所述样本的物理状态的信息，例如其形式(固 体、液体或气体(例如，在容器中））或其颜色。运些属性可用W包含或排除所述算法正考虑 的项目。
[0122] 在图9中所示的流程图中，使用光谱仪通过至少两个技术(例如，FTIR作为技术1且 拉曼作为技术2)确定样本的最可能组成且包含数据融合的两个方法901及902包含在步骤 910-1使用光谱仪通过第一技术(技术1)从所述样本获得数据，其中所述数据包括由第一技 术获得的测得光谱的第一表示，W及在步骤910-2使用光谱仪由第二技术(技术2)从所述样 本获得数据，其中所述数据包括由第二技术获得的测得光谱的第二表示。所述方法随后包 含在步骤920-1或920-2(分别对于第一方法901或第二方法902)确定测得光谱的第一或第 二表示的精度状态，提供库候选者的第一或第二集合，且针对每一库候选者提供表示每一 库候选者的数据，其中所述数据包括由第一或第二技术获得的库光谱的表示，通过使用W 下各项确定所述样本与库候选者的第一或第二集合中的每一库候选者的相似性的第一或 第二表示而选择库候选者的第一或第二子集：（i)测得光谱的第一或第二表示，（ii)测得光 谱的第一或第二表示的精度状态，（iii)所述库候选者的库光谱的表示，W及任选地(iv)所 述库候选者的库光谱的表示的精度状态，W及基于所述选定的库候选者的第一或第二子集 而确定所述样本的第一或第二最可能组成。方法901及902可任选地包含在步骤915-1或 915-2将库候选者的第一或第二监视列表添加到库候选者的第一或第二子集。
[0123] 如果在步骤925-1或925-2所述样本是纯样本，如下文中进一步描述所确定，那么 步骤940-1或940-2显示纯匹配，或如果通过一个W上名称已知纯匹配化学品，那么步骤 940-1或940-2显示所述纯匹配。
[0124] 如果在步骤925-1或925-2所述样本不是纯样本，即，如果所述样本与任何单个库 候选者的相似性小于如上文所描述可大于或等于0.05的报告阔值，那么方法901及902进一 步包含在步骤950-1或950-2通过使用W下各项确定所述样本分别与库候选者的第一或第 二子集中的库候选者的混合物的相似性的第Ξ或第四表示而选择库候选者的第Ξ或第四 子集：（i)测得光谱的第一或第二表示；（ii)测得光谱的第一或第二表示的精度状态；（iii) 所述库候选者的库光谱的表示；W及任选地（iv)所述库候选者的库光谱的表示的精度状 态。确定所述样本的所得最可能组成是基于所述样本与库候选者的混合物的相似性的所确 定表示，即，基于所述样本与库候选者的混合物的相似性大于如上文所描述可大于或等于 0.05的报告阔值的确定。方法901及902可任选地包含在步骤945-1或945-2将库候选者的第 Ξ或第四监视列表分别添加到库候选者的第Ξ或第四子集。
[01巧]在步骤955-1或955-2，如果辨识出混合物，（P值大于或等于0.05)，那么步骤970-1 或970-2显示混合物结果。如果未辨识出混合物，那么在步骤975-1或975-2,如果存在任何 相似项目，即导致大于1χ10-4且小于0.05的P值的任何项目，那么步骤980-1或980-2显示所 述相似项目。如果不存在相似项目，那么步骤990-1或990-2报告未找到匹配。
[01%]然而，与方法601及602相比，在步骤940-1显示的所述样本的纯匹配或第一最可能 组成和/或在步骤940-2显示的所述样本的第二最可能组成和/或在步骤970-1显示的混合 物结果和/或在步骤970-2显示的混合物结果和/或在步骤980-1显示的相似项目和/或在步 骤980-2显示的相似项目在数据融合步骤992中连同其它外部数据智力组合，步骤991。如果 在步骤995辨识出数据，那么在步骤996显示所辨识数据，否则在步骤997报告未找到匹配。
[0127] 另外或替代地，可俘获所述样本的图像，其可随后由图像算法分析，W如上文所描 述确定其物理状态，但完全自主且不具有来自用户的输入。如果所述图像分析能够确定所 述样本的物理状态，那么可管理数据分析，W使得不匹配所述样本状态的样本的识别将不 显示给最终用户。
[0128] 之后(后数据收集）
[0129] 在数据收集之后的数据分析可W众多不同路线发生。如下所述，可能的选项包含 使用组合结果的数据的再分析W提供较好识别性能、外部数据/样本信息、针对关键光谱特 征的光谱的分析(官能团分析），W及针对化学品模式的先前扫描识别结果的分析。
[0130] 使用组合结果的数据的分析和再分析W提供较好识别性能
[0131] 来自一或多个技术的数据可组合从而获得一个结果，无论是纯化学品还是化学品 的混合物。两个技术可完全分离地操作，如图6中所示，或者在结果已展示给用户之后或之 前可组合所述结果，如图8和9中所示。表2中描述各种情形的实例。
[0132] 表2.
[0133]
[0134] 外部数据/样本信息
[0135] 预先分析阶段进一步地，可将关于样本的信息传递到分析一或多个扫描数据光谱 的算法中。用户可W图9中所示的其它外部数据智力的形式提供关于所述样本的物理状态 的信息，例如其形式（固体、液体或气体(例如，在容器中））或其颜色。运些属性可用W包含 或排除所述算法正考虑的候选者。
[0136] 另外或替代地，可俘获所述样本的图像，其可随后由图像算法分析，W如上文所描 述确定其物理状态，但完全自主且不具有来自用户的输入。如果所述图像分析能够确定所 述样本的状态，那么可管理数据分析，W使得不匹配所述样本状态的样本的识别将不显示 给最终用户。
[0137] 针对关键光谱特征的光谱的分析(官能团分析）
[0138] 分析后数据收集也可分析通过拉曼、中IR(FTIR)和NIR光谱法获得的光谱特征。光 谱的分析可赋予额外或辅助信息。光谱的分析W及两个互补技术之间的识别结果的确证可 为有益的。
[0139] 光谱对于正测量的化学品是唯一的。使用此属性，通过光谱的分析和存在的官能 团的分析（图10中展示其实例），分析后数据收集可能够确认或反驳由光谱仪提出的识别或 者在光谱仪不能够确定地识别化学品的情况下提供额外样本信息。
[0140] 针对化学品模式的先前扫描识别结果的分析
[0141] 手持式识别装置可分析可能已使用同一扫描简档在同一数据会话(文件夹）中收 集的扫描数据信息。所述装置可分析会话内的扫描识别结果W寻找可用W制造违法化学品 的化学品的模式(例如，在秘密实验室的调查中）。举例来说，所述装置可使用同一技术或两 个不同技术识别过氧化氨、硫酸和丙酬。如图11中所示，所述装置可辨识那Ξ个化学品用W 制造 Ξ过氧化Ξ丙酬(TATP)，其为自制爆炸物化ME)化学品。此装置和能力也可W用于(但 不限于下环境:化学战剂实验室、爆炸物秘密实验室，或毒品秘密实验室。此装置可由最 终用户引导W分析选定化学品群组的可能性，或者自主地工作而无最终用户输入。
[0142] 如此介绍本发明的方面后，现在呈现一些进一步特征和实施例。
[0143] 在一个实施例中，仪器10具有大约四磅的重量。其具有大约八英寸乘大约四英寸 乘大约二又二分之一英寸的大小。探测器20可W在手持式模式、瓶模式中使用，或安装到例 如机器人等另一设备。探测器20可在lOOcnfi到3000cm-i的光谱范围（例如250cm-i到2850cm-i 的光谱范围）中在从大约5cnfi到1 Icnfi的范围（例如从大约7cm-i到10.5cm-i的范围）内的光 谱分辨率下操作。功率可调整的激光输出可在大约50mW到大约300mW之间的范围内，例如大 约75mW到大约250mW之间的范围。化座22可在大约650cm-i到大约4,000cm-i之间的光谱范围 中在大约4cnfi的光谱分辨率下操作。用于化座22的收集光学器件可包含实屯、菱形晶体ATR。
[0144] 仪器10可展现满足Μ比-STD-810G和IP67标准的要求的存留率。取样曝光可在手动 或自动模式中。扫描延迟可为用户可配置的，其中延迟可高达例如约120秒。电力供应器可 包含可装卸式和可再充电电池，例如裡离子电池。外部电力供应器可连接到仪器10,且在大 约1.25Α下提供大约12V。所述仪器可连续地在大约-4华氏度到大约122华氏度的溫度范围 中操作。
[0145] 可使用多种已知编程和接口技术来提供响应简档31的产生和/或适配。举例来说， 可提供响应简档构建器。所述响应简档构建器可用W关于多个参数32的所需设定询问用 户。在一些实施例中，所述响应简档构建器是在仪器10上维持，且可进一步由PC机载的响应 简档管理器配置。W此方式，用户可快速选择和复制现有响应简档31，且随后逐步通过一系 列菜单来调整常用参数32。
[0146] 将了解，本发明的任何实施例可具有除了那些引用特征之外的特征。有时术语"至 少"是用于参考特征进行强调。然而，将理解即使当不使用"至少"时，额外数目或类型的所 参考特征仍可存在。在本申请案中所述的任何方法中的事件的任何序列的次序不限于所述 的次序。实际上，所述事件可按逻辑上可能的任何次序发生，包含同时发生。
[0147] 可包含且调用各种其它组件来提供本文中的教示的方面。举例来说，额外电子组 件W及软件、电子组件W及软件的组合和/或其省略都可用W提供在本文中的教示的范围 内的附加实施例。
[0148] 如本文所论述，术语"软件"一般指代提供为例如存储在机器可读媒体上的作为非 暂时性信号提供的机器可执行指令的指令集。大体上，所述软件提供仪器10的增强功能性。 然而并不要求此软件驻留在仪器10的存储器中。举例来说，在例如PC等外部计算机上使用 W由使用稳健计算平台提供仪器10的配置的软件是本文中的教示预期的。如本文所论述， "软件"可下载到仪器，存储在仪器中，或另外驻留在仪器中。举例来说，软件可W通常被称 为"固件"的方式提供于只读存储器(ROM)中。
[0149] 用于提供本文所掲示的软件的至少一些的示范性工具包含来自芬兰的DIGIA的 LINUXQTDLinuxQT是跨平台应用程序框架，其广泛用于开发具有图形用户接口（GUI)的应用 程序软件。可使用其它可比较的或所需的工具。
[0150] 如本文所论述，所述仪器一般提供为"手持式"仪器。运不是暗示所述仪器必须配 合在一个人的手中。即，所述仪器可具有适合于现场使用的任何形状因数。因此，使用共享 处理和其它技术来限制大小或另外配置所述仪器是本文中的教示预期的。大体上，本文呈 现的仪器仅需要经界定为充分支持如用户、设计者、制造商或其它类似关注方认为适当的 现场人员的取样和分析需要。
[0151 ]当介绍本发明的元件或其实施例时，冠词"一"和"所述"打算意指存在一或多个所 述元件。类似地，形容词"另一"当用来介绍元件时打算意指一或多个元件。术语"包含"和 "具有"既定为包含性的，使得可存在除所列出元件外的额外元件。
[0152]虽然已参考示范性实施方案描述了本发明，但本领域的普通技术人员应了解在不 脱离本发明范围的情况下可W进行不同的改变并且其多种元素可W由多种等效物代替。另 夕h在不脱离本发明的基本范围的情况下，所属领域的技术人员将理解许多修改来使特定 仪器、情形或材料适于本发明的教示。因此，不希望本发明限于作为预期用于执行本发明的 最佳模式来掲示的具体实施例，而是本发明将包含属于所附权利要求书的范围内的所有实 施例。
【主权项】
1. 一种可配置以用于材料的化学性质的现场分析的光谱仪，所述光谱仪包括： 手持式仪器，其包括适合于提供傅立叶变换红外光谱法(FTIR)监测的至少一个传感器 以及用于提供拉曼光谱法监测的至少另一传感器。2. 根据权利要求1所述的光谱仪，其进一步包含用于修改所述光谱仪的取样配置的用 户可存取指令集。3. 根据权利要求1所述的光谱仪，其进一步包含多个用户可存取响应简档，每一响应简 档提供用于修改所述光谱仪的取样配置的指令集。4. 一种使用光谱仪通过至少两种技术确定样本的最可能组成的方法，所述方法包括： a. 使用所述光谱仪通过第一技术从所述样本获得数据，其中所述数据包括由所述第一 技术获得的测得光谱的第一表示； b. 确定所述测得光谱的所述第一表示的精度状态； c. 提供库候选者的第一集合且针对每一库候选者提供表示每一库候选者的数据，其中 所述数据包括由所述第一技术获得的库光谱的表示； d. 通过使用以下各项确定所述样本与库候选者的所述第一集合中的每一库候选者的 相似性的第一表示而选择库候选者的第一子集：（i)所述测得光谱的所述第一表示；（ii)所 述测得光谱的所述第一表示的所述精度状态；以及（iii)所述库候选者的所述库光谱的所 述表示； e. 基于库候选者的所述选定第一子集而确定所述样本的第一最可能组成； f. 使用所述光谱仪通过第二技术从所述样本获得数据，其中所述数据包括由所述第二 技术获得的测得光谱的第二表示； g. 确定所述测得光谱的所述第二表示的精度状态； h. 提供库候选者的第二集合且针对每一库候选者提供表示每一库候选者的数据，其中 所述数据包括由所述第二技术获得的库光谱的表示； i. 通过使用以下各项确定所述样本与库候选者的所述第二集合中的每一库候选者的 相似性的第二表示而选择库候选者的第二子集：（i)所述测得光谱的所述第二表示；（ii)所 述测得光谱的所述第二表示的所述精度状态；以及（iii)所述库候选者的所述库光谱的所 述表示； j .基于库候选者的所述选定第二子集而确定所述样本的第二最可能组成； k. 基于所述样本的所述第一和第二最可能组成而确定所述样本的所得最可能组成；以 及 l. 向用户显示所述样本的所述所得最可能组成。5. 根据权利要求4所述的方法，其中所述(d)的选择另外使用所述库候选者的所述库光 谱的所述表示的所述精度状态。6. 根据权利要求4所述的方法，其中所述(i)的选择另外使用所述库候选者的所述库光 谱的所述表示的所述精度状态。7. 根据权利要求4所述的方法，其进一步包含将库候选者的第一监视列表添加到库候 选者的所述第一子集。8. 根据权利要求7所述的方法，其进一步包含将库候选者的第二监视列表添加到库候 选者的所述第二子集。9. 根据权利要求4所述的方法，其进一步包含将所述样本的所述第一最可能组成添加 到库候选者的所述第二子集。10. 根据权利要求9所述的方法，其中来自所述样本的所述数据进一步包括所述样本的 至少一个观测性质。11. 根据权利要求4所述的方法，其进一步包含在选择库候选者的所述第一子集之前选 择库候选者的所述第二子集，且将所述样本的所述第二最可能组成添加到库候选者的所述 第一子集。12. 根据权利要求4所述的方法，其中所述样本与任何单个库候选者的相似性小于报告 阈值，且所述方法进一步包含通过使用以下各项确定所述样本与库候选者的所述第一子集 中的库候选者的混合物的相似性的第三表示而选择库候选者的第三子集：（i)所述测得光 谱的所述第一表示；（ii)所述测得光谱的所述第一表示的所述精度状态；以及(iii)所述库 候选者的所述库光谱的所述表示，且其中确定所述样本的所述所得最可能组成是基于所述 样本与库候选者的所述混合物的相似性的所述所确定表示。13. 根据权利要求12所述的方法，其中库候选者的所述第三子集的所述选择另外使用 所述库候选者的所述库光谱的所述表示的所述精度状态。14. 根据权利要求12所述的方法，其中所述报告阈值大于或等于0.05。15. 根据权利要求12所述的方法，其进一步包含通过使用以下各项确定所述样本与库 候选者的所述第二集合中的库候选者的混合物的相似性的第四表示而选择库候选者的第 四子集：（i)所述测得光谱的所述第二表示；（ii)所述测得光谱的所述第二表示的所述精度 状态；以及(iii)所述库候选者的所述库光谱的所述表示。16. 根据权利要求15所述的方法，其中库候选者的所述第四子集的所述选择另外使用 所述库候选者的所述库光谱的所述表示的所述精度状态。17. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包含将所述样本的所述第一最可能组成添 加到库候选者的所述第四子集。18. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包含将库候选者的第三监视列表添加到库 候选者的所述第三子集。19. 根据权利要求18所述的方法，其进一步包含将库候选者的第四监视列表添加到库 候选者的所述第四子集。20. 根据权利要求15所述的方法，其中来自所述样本的所述数据进一步包括所述样本 的至少一个观测性质。21. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包含在选择库候选者的所述第三子集之前 选择库候选者的所述第四子集，且将所述样本的所述第二最可能组成添加到库候选者的所 述第三子集。22. 根据权利要求15所述的方法，其进一步包含在选择库候选者的所述第三子集之前 选择库候选者的所述第四子集，且将所述样本的所述第二最可能组成添加到库候选者的所 述第一子集。23. -种载运非暂时性计算机程序的计算机程序产品，所述非暂时性计算机程序当由 过程执行时可执行现场分析材料的化学性质的方法，所述方法包括提供手持式仪器，所述 手持式仪器包括适合于提供傅立叶变换红外光谱法(FTIR)监测的至少一个传感器和用于 提供拉曼光谱法监测的至少另一传感器。24.-种载运非暂时性计算机程序的计算机程序产品，所述非暂时性计算机程序当由 过程执行时可执行使用光谱仪通过至少两种技术确定样本的最可能组成的方法，所述方法 包括： a. 使用所述光谱仪通过第一技术从所述样本获得数据，其中所述数据包括由所述第一 技术获得的测得光谱的第一表示； b. 确定所述测得光谱的所述第一表示的精度状态； c. 提供库候选者的第一集合且针对每一库候选者提供表示每一库候选者的数据，其中 所述数据包括由所述第一技术获得的库光谱的表示； d. 通过使用以下各项确定所述样本与库候选者的所述第一集合中的每一库候选者的 相似性的第一表示而选择库候选者的第一子集：（i)所述测得光谱的所述第一表示；（ii)所 述测得光谱的所述第一表示的所述精度状态；以及（iii)所述库候选者的所述库光谱的所 述表示； e. 基于库候选者的所述选定第一子集而确定所述样本的第一最可能组成； f. 使用所述光谱仪通过第二技术从所述样本获得数据，其中所述数据包括由所述第二 技术获得的测得光谱的第二表示； g. 确定所述测得光谱的所述第二表示的精度状态； h. 提供库候选者的第二集合且针对每一库候选者提供表示每一库候选者的数据，其中 所述数据包括由所述第二技术获得的库光谱的表示； i. 通过使用以下各项确定所述样本与库候选者的所述第二集合中的每一库候选者的 相似性的第二表示而选择库候选者的第二子集：（i)所述测得光谱的所述第二表示；（ii)所 述测得光谱的所述第二表示的所述精度状态；以及（iii)所述库候选者的所述库光谱的所 述表示； j .基于库候选者的所述选定第二子集而确定所述样本的第二最可能组成； k. 基于所述样本的所述第一和第二最可能组成而确定所述样本的所得最可能组成；以 及 l. 向用户显示所述样本的所述最可能组成。
【文档编号】G01N21/359GK105829869SQ201480070213
【公开日】2016年8月3日
【申请日】2014年12月22日
【发明人】M·D·哈格里夫斯, T·M·帕斯托尔, G·H·范德罗兹, B·D·托尔
【申请人】赛默科技便携式分析仪器有限公司