非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置及其方法
【专利摘要】本发明公开了非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置及其方法。该装置包括近红外光谱仪、测量附件。测量附件对测试样品实行近红外光谱采集并传递至近红外光谱仪。测量附件包括光纤、光纤收集附件、近红外光源附件、近红外光源、参比物质、托盘。近红外光源附件内安装有一组光学镜片一，通过该光学镜片一将光束汇聚于测试样品的表面上。参比物质承载在托盘上，测试样品位于托盘的底部并位于参比物质的正下方。光纤收集附件内安装有一组光学镜片二，通过该光学镜片二收集光束，并通过光纤传输至近红外光谱仪以形成近红外光谱信号。本发还公开该装置的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集方法。
【专利说明】
非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置及其方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种近红外光谱采集装置及其近红外光谱采集方法，尤其涉及一种非 均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置及其近红外光谱采集方法。
【背景技术】
[0002] 近红外光谱作为分析技术里的巨人，已成为一门独立的分析技术，其快速分析、非 入侵测量方式、不产生二次污染、无需化学试剂的特点受到过程分析领域的青睐，其应用领 域不断拓展，目前已广泛应用于农业、制药、化工、环境等行业，取得了良好的效果。
[0003] 近红外光谱仪、化学计量学软件和应用模型构成了现代近红外光谱技术，在线分 析应用中多波长下吸光度的准确测量要求光谱仪具有较高的信噪比和良好的稳定性，测量 得到的光谱数据通过模型分析得到定性和定量结果，分析结果有效的实时反馈样品成分含 量信息。在实际应用中光谱仪对经过含氢基团样品（〇-H，C-H，N-H等)吸收的近红外光谱信 号进行检测，然而光谱仪只能对各波段的光强信息进行测试，需要通过参比光谱信号和样 品光谱信号得到吸光度信息
其中Ax为波长A处的吸光度，L 为光谱仪测试到样品在近红外光源下的光强信息，Ir为光谱仪测试到参比物质在近红外光 源下的光强信息。
[0004]目前在线分析的近红外光谱检测装置仍然存在不少缺陷，当近红外光源和光谱仪 使用较长时间后，光强和光谱特性均会发生变化，导致测量得到的样品吸光度信息重复性 变差，模型预测的结果也就会产生较大的偏差，不利于在线分析。为了满足在线运行的需 求，在实际测试中需要通过参比物质进行自动测定才能对样品的吸光度数据进行实时校 正，避免现场人工操作带来的不便和影响。
[0005] 当实时获取的吸光度数据异常时，自动分析软件通常也会给出分析结果，这样的 结果会降低整个在线分析系统的可靠性，在线分析应用中由于仪器设备长期的自动运行， 不可避免的因为测量附件窗口堵塞、磨损、样品不均匀等因素导致数据出现异常。
【发明内容】
[0006] 有鉴于此，本发明提供一种非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置及其近 红外光谱采集方法，本发明的装置可测定参比物质的光谱信号完成测试样品吸光度的自动 校正，本发明的方法通过对异常数据的处理方法可以有效地避免测量窗口磨损、堵塞、样品 非均匀性等因素对测量结果的影响，当异常数据出现时在线测试系统自动记录异常情况满 足报警条件时给出警告信息，提高在线分析的可靠性，本方法和装置适用于固体粉末状、颗 粒状尤其是非均匀性生物样品的实时在线的近红外光谱测量，为实时定性定量分析提供可 靠的数据基础和解决方案。
[0007] 本发明的解决方案是:一种非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，其包 括近红外光谱仪、测量附件;测量附件对测试样品实行近红外光谱采集并传递至近红外光 谱仪;测量附件包括光纤、光纤收集附件、近红外光源附件、近红外光源、参比物质、托盘;近 红外光源附件内安装有一组光学镜片一，通过该光学镜片一将光束汇聚于测试样品的表面 上;参比物质承载在托盘上，测试样品位于托盘的底部并位于参比物质的正下方;光纤收集 附件内安装有一组光学镜片二，通过该光学镜片二收集光束，并通过光纤传输至近红外光 谱仪以形成近红外光谱信号。
[0008] 作为上述方案的进一步改进，测量附件还包括电磁铁;托盘具有磁性而能受电磁 铁的牵引或推动，在电磁铁的通电情况下通过改变电磁铁的磁性以推动托盘位于测试样品 上方、或牵引推动托盘复位。
[0009] 作为上述方案的进一步改进，近红外光源附件与光纤收集附件对称设置，能使近 红外光源附件出来的光线经过托盘折射后进入光纤收集附件内。
[0010] 作为上述方案的进一步改进，近红外光源为卤素灯、或LED。
[0011] 作为上述方案的进一步改进，该近红外光谱采集装置还包括电源系统，电源系统 对近红外光源供电。
[0012] 作为上述方案的进一步改进，该近红外光谱采集装置还包括传送机构，传送机构 用于输送多个测试样品前后依次受测量附件的测量。
[0013] 作为上述方案的进一步改进，该近红外光谱采集装置还包括计算机，计算机连接 近红外光谱仪以接收近红外光谱信号进行分析。
[0014] 本发明还提供一种上述任意非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置的近 红外光谱采集方法，该近红外光谱采集方法包含对多组测试样品的光谱数据的先验知识， 根据测试样品的样品特征在多个波段处设定阈值范围，将采集的光谱数据与上述特定波段 处的阈值范围进行比对，对连续多次光谱扫描不在阈值范围内的数据作异常处理并给出警 告信息，对在阈值范围内的光谱数据取多次测量的平均值用于后续的定性定量分析。
[0015] 作为上述方案的进一步改进，多个波段处设定的阈值范围根据C-H/0-H/N-H特征 吸收峰值范围设定。
[0016] 作为上述方案的进一步改进，该近红外光谱采集方法包括以下步骤：
[0017] -、通过测试多个测试样品获取在近红外光谱仪得到对应测试样品的近红外光谱 信号，并建立参考数据库，分析多次测试的吸光度数据M的分布特征；
[0018] 二、确定吸光度数据Aa在0-H键的强吸收带1450nm/1900nm/2100nm处、在C-H键的 强吸收带1750nm/1400nm处、在N-H的强吸收带1450nm/2100nm处的吸光度范围，设置3-5个 特征波长点处的吸光度范围；
[0019] 三、将每次扫描得到的吸光度数据与步骤二中设定的特征波长点处的吸光度范围 进行比较，在预设范围之外的数据作为异常信息处理，连续扫描得到在预设范围之内的光 谱数据取均值，作为有用信号输入定性、定量模型；
[0020] 四、如果步骤三中连续得到的异常信息，则判定测量附件、近红外光谱仪产生异 常，需要进行维护处理；
[0021] 重复步骤三，实现在线近红外光谱信号的连续自动采集和分析。
[0022] 本发明在获取在线分析的近红外光谱数时，可以根据大量样品的测量数据设置多 个特定波长处的吸光度范围，通常用于近红外光谱分析的样品均带有含氢基团（〇-H，C_H， N-H等），因此可以根据样品在上述含氢基团的近红外吸收分布来确定测试结果是否正常， 每一次自动测量的数据结果与预先设定的阈值范围进行对比，不符合要求的样品数据代表 着测量附件需要清洗维护或者样品本身出现异常波动，通过预设光谱阈值范围的判定方法 可以有效提高在线分析的可靠性。
【附图说明】
[0023] 图1为本发明较佳实施例提供安装有非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装 置的结构示意图。
[0024] 图2为图1中的近红外光谱采集装置的状态变化图。
[0025] 图3为本发明实施例提供安装有非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集方法的 流程图。
[0026] 图4为传统的在线测试过程中光谱仪多次采集得到的在线分析的单籽粒水稻种子 近红外光谱数据图。
[0027] 图5为图4中通过本发明的光谱采集方法得到的单籽粒水稻种子近红外光谱数据 图。
[0028] 图6为传统的在线测试过程中光谱仪多次采集得到的在线分析的肥料样品近红外 光谱数据图。
[0029] 图7为图4中通过本发明的光谱采集方法得到的肥料样品近红外光谱数据图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0031] 请一并参阅图1及图2,本发明的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置主 要包括近红外光谱仪12、测量附件3、电源系统10、传送机构1。测量附件3对测试样品2实行 近红外光谱采集并传递至近红外光谱仪12,近红外光谱仪12由此形成近红外光谱信号。也 可以特地配置计算机13,计算机13连接近红外光谱仪12以接收近红外光谱信号进行分析。 当然也可以采用智能手机、掌上通等具有数据处理功能的电子设备。传送机构1用于输送多 个测试样品2前后依次受测量附件3的测量。
[0032] 测量附件3包括光纤11、光纤收集附件4、近红外光源附件5、近红外光源6、参比物 质7、电磁铁8、托盘14。近红外光源附件5内安装有一组光学镜片一，通过该光学镜片一将光 束汇聚于测试样品2的表面上，该光学镜片可采用光纤接口将光束传输至近红外光谱仪12。 参比物质7承载在托盘14上，测试样品2位于托盘14的底部并位于参比物质7的正下方。光纤 收集附件4内安装有一组光学镜片二，通过该光学镜片二收集光束，并通过光纤11传输至近 红外光谱仪12以形成近红外光谱信号。测量附件3配合近红外光源6可以实现反射、透射光 谱测量，测量附件3可以结合各种基线、背景扣除方法实现光谱的准确测量，消除近红外光 谱仪12因素对光谱信号的影响。测量附件12适用于非均匀性固体颗粒态/粉末态样品的光 谱测量。
[0033 ]托盘14具有磁性而能受电磁铁8的牵引或推动，在电磁铁8的通电情况下通过改变 电磁铁8的磁性以推动托盘14位于测试样品2上方、或牵引推动托盘14复位。近红外光源附 件5可与光纤收集附件4对称设置，能使近红外光源附件5出来的光线经过托盘14折射后进 入光纤收集附件4内。电源系统10对近红外光源6供电，电源系统10可通过导线9与近红外光 源6电连接。托盘14可为U型。
[0034]故，本实施例的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，主要包括一个近 红外光源6、一个近红外光谱仪12(或者光电转换模块）、一个在线测量附件3以及一种配套 的光谱数据采集方法。近红外光源6和在线测量附件3可以采用反射、透射等测量方式，在线 测量附件3可以结合光纤接口将光谱信息传输至近红外光谱仪12或者光电转换模块，测量 附件3和光谱数据采集方法适用于便携式光纤光谱仪、滤光片型光谱仪、光栅扫描光谱仪、 傅立叶变换光谱仪、声光可调滤光型光谱仪以及固定光路多通道型光谱仪。
[0035] 近红外光源6可以采用卤素灯、LED等窄带和宽谱带光源器件，通过光学镜片将光 束汇聚于待测样品表面。
[0036] 本发明配套的光谱数据采集方法，即该非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集 装置的近红外光谱采集方法包含对多组待测样品光谱数据的先验知识，根据样品特征在多 个波段处设定阈值范围，将采集的光谱数据与上述特定波段处的阈值范围进行比对，对连 续多次光谱扫描不在阈值范围内的数据作异常处理并给出警告信息，对在阈值范围内的光 谱数据取多次测量的平均值用于后续的定性定量分析。
[0037] 多个波段处设定的阈值范围可以根据C-H/0-H/N-H特征吸收峰值范围设定，更进 一步剔除光谱数据波动对预测结果的影响。
[0038] 本实施例的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置在使用时，测试样品2 在传送机构1的传送带上随着传送到移动，到测量附件3对应的区域时，计算机13操作近红 外光谱仪12记录测试样品的有效数据并保存，测量附件3通过光纤耦合的方式将信号通过 光纤11传输至近红外光谱仪12。当需要对参比光谱进行校正时，电磁铁8牵引放置于U型托 盘14中的参比物质7抵达样品测试窗口，此时记录参比光谱信息用于校正样品的吸光度信 息，校正完成后电磁铁牵引参比物质返回初始位置等待下一次校正。其中样品2可以是颗粒 状样品也可以是粉末状样品。
[0039] 如图3所示，本发明的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集方法，其具体步骤 如下：
[0040] -、多次离线测量分别获取多个待测样品在该类型光谱仪得到对应样品的近红外 光谱信号，建立参考数据库，分析多次测试的吸光度数据M分布特征。
[0041 ] 二、确定Aa在0-H键的强吸收带1450nm/1900nm/2100nm处、在C-H键的强吸收带 1750nm/1400nm处、在N-H的强吸收带1450nm/2100nm处吸光度范围，设置3-5个特征波长点 处的吸光度范围。
[0042]三、将每次扫描得到的吸光度数据与步骤二中设定的特征波长点处的吸光度范围 进行比较，在预设范围之外的数据作为异常信息处理，连续扫描得到在预设范围之内的光 谱数据取均值，作为有用信号输入定性、定量模型。
[0043]四、如果步骤三中连续得到的异常信息，则判定测量附件、光谱仪产生异常，需要 进行维护处理。
[0044]重复步骤三，实现在线近红外光谱信号的连续自动采集和分析。
[0045]本发明在获取在线分析的近红外光谱数时，可以根据大量样品的测量数据设置多 个特定波长处的吸光度范围，通常用于近红外光谱分析的样品均带有含氢基团（〇-H，C_H， N-H等），因此可以根据样品在上述含氢基团的近红外吸收分布来确定测试结果是否正常， 每一次自动测量的数据结果与预先设定的阈值范围进行对比，不符合要求的样品数据代表 着测量附件需要清洗维护或者样品本身出现异常波动，通过预设光谱阈值范围的判定方法 可以有效提高在线分析的可靠性。
[0046]接下来，本实施例采用两个试验案例以举证本发明的有益效果。
[0047]试验案例一
[0048] 采用本发明介绍的光谱采集方法和装置得到的水稻种子的近红外光谱，其中图4 为传统的单颗种子在通量化测试过程中光谱仪多次采集得到的结果，可以看出在通量化在 线测试过程中由于样品和测量附件的相对运动，导致光谱信号质量下降。通过本发明介绍 的光谱采集方法可以在1450nm处设置吸光度阈值范围为0.1-0.5,在1950nm和2100处设置 光谱阈值范围为0.4-0.7,将测量得到的每一条光谱信息与上述阈值范围比对，可以剔除异 常信息得到图5中的结果，将阈值范围内的多条光谱取均值用于进一步的定性定量分析。
[0049] 试验案例二
[0050] 采用本发明介绍的光谱采集方法和装置得到的肥料样品的近红外光谱，其中图6 为在线测试过程中光谱仪多次采集得到的结果，可以看出在线测试过程中由于样品和测量 附件的相对运动，导致光谱信号质量下降。通过本发明介绍的光谱采集方法可以在1320nm 处设置吸光度阈值范围为〇. 3-0.8，在1750nm处设置光谱阈值范围为0.5-0.8，在2050nm处 设置光谱阈值范围为1-1.6,将测量得到的每一条光谱信息与上述阈值范围比对，可以剔除 异常信息得到图7中的结果，将阈值范围内的多条光谱取均值用于进一步的定性定量分析。
[0051] 因此，本发明不仅有效避免外界环境对测量信号的影响，有效，所以本发明可以方 便、准确的实现固体粉末状、颗粒状样品的在线近红外光谱采集，提高样品测量的准确性和 模型分析的鲁棒性。并且本装置结构紧凑、体积小、本方法简便易操作，适用于固体、液体和 气体样品的实时、在线近红外光谱分析。
[0052]上述实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和应用本发明。熟 悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原 理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于这里的实施例，本领 域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的 保护范围之内。
【主权项】
1. 一种非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，其特征在于：其包括近红外光 谱仪(12)、测量附件(3);测量附件(3)对测试样品（2)实行近红外光谱采集并传递至近红外 光谱仪(12);测量附件(3)包括光纤(11)、光纤收集附件(4)、近红外光源附件(5)、近红外光 源(6)、参比物质(7)、托盘（14);近红外光源附件(5)内安装有一组光学镜片一，通过该光学 镜片一将光束汇聚于测试样品（2)的表面上;参比物质（7)承载在托盘（14)上，测试样品（2) 位于托盘(14)的底部并位于参比物质(7)的正下方;光纤收集附件(4)内安装有一组光学镜 片二，通过该光学镜片二收集光束，并通过光纤（11)传输至近红外光谱仪（12)以形成近红 外光谱信号。2. 如权利要求1所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，其特征在于:测 量附件(3)还包括电磁铁(8);托盘(14)具有磁性而能受电磁铁(8)的牵引或推动，在电磁铁 (8)的通电情况下通过改变电磁铁(8)的磁性以推动托盘（14)位于测试样品（2)上方、或牵 引推动托盘(14)复位。3. 如权利要求1所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，其特征在于:近 红外光源附件(5)与光纤收集附件(4)对称设置，能使近红外光源附件(5)出来的光线经过 托盘(14)折射后进入光纤收集附件(4)内。4. 如权利要求1所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，其特征在于:近 红外光源(6)为卤素灯、或LED。5. 如权利要求1所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，其特征在于:该 近红外光谱采集装置还包括电源系统（10)，电源系统（10)对近红外光源(6)供电。6. 如权利要求1所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，其特征在于:该 近红外光谱采集装置还包括传送机构（1)，传送机构（1)用于输送多个测试样品（2)前后依 次受测量附件(3)的测量。7. 如权利要求1所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置，其特征在于:该 近红外光谱采集装置还包括计算机（13)，计算机（13)连接近红外光谱仪（12)以接收近红外 光谱信号进行分析。8. -种非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集方法，其应用于如权利要求1至7中任 意一项所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集装置中，其特征在于:该近红外光 谱采集方法包含对多组测试样品（2)的光谱数据的先验知识，根据测试样品（2)的样品特征 在多个波段处设定阈值范围，将采集的光谱数据与上述特定波段处的阈值范围进行比对， 对连续多次光谱扫描不在阈值范围内的数据作异常处理并给出警告信息，对在阈值范围内 的光谱数据取多次测量的平均值用于后续的定性定量分析。9. 如权利要求8所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集方法，其特征在于：多 个波段处设定的阈值范围根据C-H/0-H/N-H特征吸收峰值范围设定。10. 如权利要求8所述的非均匀性样品在线分析的近红外光谱采集方法，其特征在于： 该近红外光谱采集方法包括以下步骤： 一、 通过测试多个测试样品（2)获取在近红外光谱仪（12)得到对应测试样品（2)的近红 外光谱信号，并建立参考数据库，分析多次测试的吸光度数据心的分布特征； 二、 确定吸光度数据Αλ在0-H键的强吸收带1450nm/1900nm/2100nm处、在C-H键的强吸收 带1750nm/1400nm处、在N-H的强吸收带1450nm/2100nm处的吸光度范围，设置3-5个特征波 长点处的吸光度范围； 三、 将每次扫描得到的吸光度数据与步骤二中设定的特征波长点处的吸光度范围进行 比较，在预设范围之外的数据作为异常信息处理，连续扫描得到在预设范围之内的光谱数 据取均值，作为有用信号输入定性、定量模型； 四、 如果步骤三中连续得到的异常信息，则判定测量附件(3)、近红外光谱仪（12)产生 异常，需要进行维护处理； 重复步骤三，实现在线近红外光谱信号的连续自动采集和分析。
【文档编号】G01N21/359GK106053381SQ201610353011
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】刘晶, 吴跃进, 王 琦, 范爽, 林晏清, 刘瓒, 倪晓宇, 刘斌美, 余立祥, 杨阳, 周子军
【申请人】中国科学院合肥物质科学研究院