ISC NIRScan 近红外光谱仪用户手册

概述

ISC NIRScan 是基于 DLP（数字光处理）技术的紧凑型近红外光谱仪，覆盖 900–1700 nm（标准型）和 1350–2150 nm（扩展型）两种波长范围。采用单元件 InGaAs 探测器替代传统的线阵探测器，在紧凑体积内实现了优异的信噪比和可编程测量能力。本手册介绍 NIRScan 系列光谱仪的技术原理、硬件规格和软件操作。

一、近红外光谱技术简介

近红外光谱（NIRS）是一种基于分子在 700–2500 nm 波长范围内对电磁辐射吸收的光谱分析方法。近红外辐射通过分子振动机制被吸收——只有偶极矩随时间变化的化学键（如 O-H、N-H、C-H、S-H）才能有效吸收红外辐射。

近红外区域中最显著的吸收谱带与基频振动的倍频和合频相关： - 基态（ν = 0）跃迁到第二激发态（ν = 2）→ 第一倍频 - 基态（ν = 0）跃迁到第三激发态（ν = 3）→ 第二倍频

NIRS 的独特优势在于其快速、无损特性，结合化学计量学方法，可同时预测样品中多种组分含量，已广泛应用于农业、食品、制药和化工等领域。

二、DLP 光谱仪技术原理

2.1 光学架构

基于 DLP 的近红外光谱仪采用后分光架构，光路依次经过：

入射狭缝 → 准直透镜组 → 带通滤光片 → 衍射光栅 → 聚焦透镜组 → DMD → 光接收透镜 → InGaAs 单点探测器

与传统线阵探测器方案相比，DLP 方案使用数字微镜器件（DMD）和单元件 InGaAs 探测器，在相同波长范围和分辨率下等效于 128 像素的线阵设备。

2.2 DLP 技术的三大优势

  1. 更高性能的探测器：单元件 InGaAs 探测器（直径 ϕ = 1 mm）的有效光敏面积远大于线阵探测器的单个小像素（典型 50 μm），信噪比显著更高

  2. 可编程测量模式：高分辨率 DMD（854 × 480 像素）支持自定义微镜图案，可灵活调整波长采样点和分辨率

  3. Hadamard 编码增强：通过同时打开多列微镜进行编码测量，利用矩阵变换恢复光谱，在相同信噪比条件下大幅缩短测量时间

2.3 规格参数

参数 标准型（STD） 扩展型（EXT）
波长范围 900–1700 nm 1350–2150 nm
探测器类型 单元件 InGaAs 单元件 InGaAs
DMD 分辨率 854 × 480 854 × 480
等效像素数 128（Hadamard 模式） 128（Hadamard 模式）
通信接口 USB 2.0 USB 2.0

三、模块类型

NIRScan 提供多种前端模块以适应不同的测量场景：

模块类型 适用场景 测量方式
漫反射模块 固体粉末、颗粒、织物 接触式漫反射
透射模块 透明液体、薄膜 透射/吸光度
光纤输入模块 远程采样、特殊几何 光纤耦合至光谱仪
反射-透反射光谱仪 多场景通用 可切换反射/透射

四、软件安装与基本操作

4.1 系统要求

  • 操作系统：Windows 10 及以上（64 位推荐）
  • USB 接口：USB 2.0 或以上
  • 存储空间：建议预留 500 MB 以上用于数据存储

4.2 安装步骤

  1. 从谱研官网下载配套软件
  2. 解压到全英文路径下的同名文件夹
  3. 双击可执行文件运行（无需安装）
  4. 注意区域设置和字体大小，避免界面文本重叠

4.3 测量流程

  1. USB 连接：使用配套数据线连接光谱仪和电脑
  2. 启动软件：等待连接进度条完成，确认左下角显示型号和序列号
  3. 参比采集：根据测量模式放置参比（标准白板或空白比色皿），点击 Reference Scan
  4. 样品测量：放置样品，点击 Scan
  5. 数据查看：在反射率/吸光度模式切换显示，或加载历史数据进行对比

五、光谱分析与应用

5.1 数据预处理

在建立定量模型之前，通常需要对原始光谱进行以下预处理： - 平滑：Savitzky-Golay 滤波消除高频噪声 - 求导：一阶或二阶导数消除基线漂移，增强谱峰分辨 - 标准正态变量（SNV）：消除颗粒散射引起的光谱偏移 - 多重散射校正（MSC）：校正散射效应对光谱的影响

5.2 定性分析

利用主成分分析（PCA）等无监督方法对样品进行聚类和分类判别，适用于原料身份鉴别、真伪判别等场景。

5.3 定量分析

采用偏最小二乘回归（PLSR）等有监督方法建立光谱与待测组分含量的数学模型，实现水分、蛋白质、脂肪等指标的同时快速预测。

本文由谱研互联整理编写