《便攜式光譜儀及其應用：技術(shù)與儀器卷》系統(tǒng)闡述了便攜式光譜儀的設(shè)計考量、工作原理、核心器件、制作技術(shù)和產(chǎn)品規(guī)范，是推動現(xiàn)場分析技術(shù)發(fā)展的權(quán)威指南。
本書以工程化視角深入解析便攜光譜儀的設(shè)計挑戰(zhàn)與技術(shù)路徑：從尺寸/重量/功耗優(yōu)化、電池管理、熱控制、防震密封（IP等級)、人機交互等工程化考量，到濾光片、光柵、傳感器、探測器等核心器件的設(shè)計與配置，再到傅里葉變換紅外光譜、近紅外光譜、拉曼光譜、紫外可見光譜、微等離子體發(fā)射光譜、激光誘導擊穿光譜、質(zhì)譜、離子遷移譜、X射線熒光光譜、核磁共振等光譜技術(shù)的便攜化、小型化實現(xiàn)方案和技術(shù)進展；同時討論了MEMS/MOEMS、智能手機光譜、遠距離檢測等技術(shù)專題以及便攜式DNA分析儀和生物光譜儀等專用分析儀器；最后拓展至制藥工業(yè)過程分析、食品安全、安全監(jiān)測（爆炸物/毒品/生物威脅檢測)、環(huán)境污染物追蹤及法庭科學等實戰(zhàn)場景，提供從硬件設(shè)計到數(shù)據(jù)分析的完整鏈條。
本書由國際權(quán)威專家撰寫，融合工程細節(jié)與創(chuàng)新案例，內(nèi)容兼具理論深度與實際應用價值，可供光譜儀器研發(fā)工程師、分析檢測領(lǐng)域技術(shù)人員、高校分析化學/儀器科學專業(yè)師生以及制藥、安檢、環(huán)保等行業(yè)的現(xiàn)場應用決策者閱讀參考。
1 便攜光譜學概論 001
1.1 概述 001
1.2 便攜式光譜儀的定義和分類 001
1.3 性能 003
1.4 發(fā)展歷史和應用現(xiàn)狀 004
1.5 儀器設(shè)計與使能技術(shù) 007
1.6 結(jié)果生成 008
1.7 本書各卷概述 008
縮略語 010
參考文獻 011
2 便攜式儀器的工程化 012
2.1 尺寸/重量 012
2.2 接口示例 013
2.3 嵌入式計算機與外部個人計算機的比較 013
2.4 精簡的功能 014
2.5 非光譜專家的目標 015
2.6 功率預算 015
2.7 電壓轉(zhuǎn)換 016
2.8 入侵防護等級（IP） 016
2.8.1 防護等級 016
2.8.2 密封外殼 017
2.9 測試密封 017
2.10 手套式操作/手動操作 018
2.11 顯示 018
2.11.1 內(nèi)容 018
2.11.2 亮度 018
2.11.3 可讀性 019
2.11.4 指南 019
2.11.5 顯示功率 019
2.11.6 溫度范圍 019
2.11.7 堅固性 019
2.12 熱管理問題 020
2.12.1 通風系統(tǒng)的冷卻性能 020
2.12.2 密封系統(tǒng) 020
2.12.3 探測器制冷 020
2.12.4 轉(zhuǎn)移熱量至環(huán)境空氣 021
2.13 光學元件 023
2.14 干涉儀光學設(shè)計 023
2.14.1 傳統(tǒng)邁克爾遜干涉儀 023
2.14.2 帶角隅棱鏡的邁克爾遜干涉儀 024
2.14.3 雙擺干涉儀 024
2.15 干涉儀軸承 024
2.16 振動 025
2.17 震動沖擊 026
2.18 電池 026
2.18.1 一次性電池與可充電電池的比較 026
2.18.2 電池管理 026
2.18.3 用戶可更換電池 027
2.18.4 智能電池 027
2.19 靜電放電（ESD） 027
2.20 人體工程學 028
2.21 激光安全 029
2.22 穩(wěn)定性 030
2.22.1 質(zhì)量 030
2.22.2 主動式熱控制 031
2.22.3 較長的預熱時間 031
2.22.4 干氣吹掃 031
2.22.5 最小化光路長度 031
2.22.6 密封和干燥 032
2.22.7 頻繁采集背景 032
2.23 服務 032
2.24 通信/無線連接 032
參考文獻 033
3 用于風險物質(zhì)現(xiàn)場識別的便攜式傅里葉變換中紅外光譜儀的設(shè)計考量 034
3.1 概述 034
3.2 FTIR系統(tǒng)組件 037
3.2.1 干涉儀概述 037
3.2.2 光學元件 038
3.2.3 干涉儀掃描系統(tǒng) 039
3.2.4 紅外輻射源 040
3.2.5 紅外探測器 042
3.2.6 計量激光 043
3.2.7 內(nèi)反射樣品接口 044
3.3 FTIR光譜儀的性能特點 046
3.3.1 FTIR光譜的權(quán)衡規(guī)則 046
3.4 建模與仿真指南：便攜式儀器設(shè)計和開發(fā) 048
3.4.1 對新工具的需求 048
3.4.2 作為多維權(quán)衡規(guī)則的系統(tǒng)仿真 048
3.4.3 仿真模型架構(gòu) 049
3.4.4 示例—光學和光源權(quán)衡研究 050
3.4.5 功率預算仿真 051
3.5 便攜式FTIR性能基準 052
3.6 結(jié)論 053
縮略語 054
參考文獻 055
4 基于近紅外光譜技術(shù)的過程分析技術(shù)在制藥工業(yè)中的應用 057
4.1 概述 057
4.2 連續(xù)制造和實時放行測試 057
4.2.1 連續(xù)制造 057
4.2.2 分析傳感器及其定位 059
4.2.3 數(shù)據(jù)的化學計量學建模 060
4.3 近紅外光譜PAT的實現(xiàn) 062
4.3.1 原材料鑒定 062
4.3.2 混合 063
4.3.3 制粒和過篩 063
4.3.4 擠出 064
4.3.5 壓片 064
4.3.6 包衣 065
4.3.7 最終產(chǎn)品測試 067
4.4 結(jié)論 068
術(shù)語 068
縮略語 069
參考文獻 070
5 MOEMS和MEMS—技術(shù)、效益和使用 077
5.1 概述 077
5.1.1 定義 077
5.1.2 MEMS簡史 078
5.1.3 MEMS技術(shù)基礎(chǔ) 079
5.1.4 近紅外分析 080
5.2 光柵型光譜儀 081
5.2.1 固定光柵光譜儀 082
5.2.2 MEMS掃描光柵 083
5.2.3 基于DLP的光譜儀 085
5.2.4 基于掃描鏡的微型光譜儀 086
5.3 傅里葉變換光譜儀 087
5.3.1 基于MEMS活塞鏡的FTIR光譜儀 088
5.3.2 單片集成干涉儀 089
5.4 可調(diào)諧法布里-珀羅干涉儀 089
5.5 基于MEMS/MOEMS的光譜儀集成策略 091
5.5.1 基于MEMS系統(tǒng)的經(jīng)典系統(tǒng)組裝 092
5.5.2 堆疊 092
5.5.3 放置和彎折 093
5.5.4 芯片級集成 093
5.6 基于MEMS的近紅外光譜儀的使用 093
縮略語 094
參考文獻 095
6 便攜式拉曼光譜學：儀器與技術(shù) 099
6.1 概述 099
6.2 拉曼光譜的優(yōu)勢與應用范圍 099
6.3 拉曼光譜理論 100
6.4 拉曼系統(tǒng)基礎(chǔ)知識 103
6.5 “便攜式”、“手持式”與“微型”的區(qū)別 103
6.6 便攜式拉曼光譜儀器的性能需求 104
6.7 激光器 105
6.7.1 激光器封裝 107
6.8 光學濾波器和采樣光學器件 108
6.9 光譜儀設(shè)計 110
6.9.1 光學工作臺設(shè)計 111
6.9.2 衍射光柵 112
6.9.3 雜散光 113
6.9.4 探測器 113
6.9.5 電子設(shè)計 115
6.9.6 機械設(shè)計 116
6.10 樣品接口和附件 117
6.11 光譜處理和分析 119
6.11.1 處理硬件 119
6.11.2 光譜處理 119
6.11.3 分析：使用譜庫進行識別 120
6.11.4 分析：使用化學計量學進行定量分析 121
6.11.5 用戶軟件 121
6.12 特殊情況 122
6.12.1 熒光抑制 122
6.12.2 透過屏障檢測 122
6.12.3 遙測 123
6.12.4 表面增強拉曼光譜 123
6.13 結(jié)論 123
縮略語 124
參考文獻 125
7 濾光片的技術(shù)原理與應用 129
7.1 光譜學中濾光片的使用概述 129
7.1.1 光譜儀器類型 129
7.1.2 濾光片的種類 130
7.2 濾光片作為輔助濾波器的應用 137
7.2.1 中灰濾光片 137
7.2.2 作為CCD/CMOS均衡器濾波器的濾光片 137
7.2.3 濾光片作為排序濾波器 139
7.3 濾光片作為互補濾波器 140
7.4 作為波長選擇元件的濾光片 142
7.4.1 即時檢測儀器 145
7.4.2 白內(nèi)障的診斷和治療應用 145
7.4.3 點測量—用于谷物質(zhì)量控制的手持式NIR光譜儀 146
7.4.4 成像應用—用于高光譜成像的連續(xù)可變帶通濾波器 147
7.5 結(jié)論與展望 154
參考文獻 155
8 便攜式紫外可見光譜儀—儀器設(shè)計、技術(shù)路徑及應用 157
8.1 概述 157
8.2 便攜式紫外-可見光譜儀的典型構(gòu)造 158
8.2.1 紫外-可見光譜儀的基本配置 158
8.2.2 光源 158
8.2.3 色散元件 159
8.2.4 探測器 160
8.2.5 接口、顯示和數(shù)據(jù)存儲 160
8.2.6 其他儀器 161
8.3 測量配置 161
8.3.1 反射型 161
8.3.2 吸收型 162
8.3.3 熒光型 163
8.4 紫外-可見光譜中使用的儀器類型 164
8.4.1 光柵-線性探測器陣列 164
8.4.2 數(shù)字微鏡陣列 165
8.4.3 基于二維濾波器陣列的設(shè)備 165
8.4.4 基于智能手機攝像頭的方法 167
8.4.5 “DIY”方法 168
8.4.6 緊湊型芯片光譜儀 169
8.4.7 獨立智能手機光譜儀 169
8.5 便攜式光譜儀的應用 170
8.5.1 顏色分析 170
8.5.2 生命科學檢測 171
8.5.3 生物醫(yī)學應用 172
8.5.4 水質(zhì)測試 173
8.5.5 食品和飲料應用 174
8.5.6 地理傳感應用 176
8.5.7 無人機和空中平臺上的光譜儀 177
8.6 便攜式光譜儀的挑戰(zhàn) 178
8.6.1 工具還是玩具 178
8.6.2 需要可靠嚴謹?shù)牟僮鞣椒? 178
8.6.3 噪聲抑制 179
8.6.4 校準 179
8.6.5 設(shè)備之間的可重復性 179
8.7 展望 179
參考文獻 180
9 智能手機技術(shù)—測量儀器及應用 184
9.1 概述 184
9.2 智能手機光譜分析的挑戰(zhàn) 185
9.3 目前的研究進展 188
9.3.1 色散和分辨率 188
9.3.2 對焦 196
9.3.3 像素間的一致性 197
9.3.4 將蜂窩相機耦合到樣品架 199
9.3.5 精度和誤差傳播 201
9.3.6 用戶培訓和方法有效性 203
9.4 結(jié)論和展望 203
參考文獻 204
10 用于安全與安保的便攜式遠距離光學光譜 209
10.1 概述 209
10.1.1 動機 209
10.1.2 定義 210
10.1.3 本章范圍 211
10.1.4 便攜式遠距離光學光譜學歷史 211
10.2 便攜式遠距離光學儀器類型 212
10.2.1 點測量傳感器 212
10.2.2 空間掃描（映射）傳感器 213
10.2.3 寬視場成像（凝視）傳感器 213
10.3 便攜式遠距離光學儀器技術(shù) 214
10.3.1 點測量和空間掃描 214
10.3.2 寬視場成像 214
10.4 便攜式遠距離光學光譜傳感器的選擇 221
10.4.1 現(xiàn)象學考慮 221
10.4.2 空間、光譜和時間方面的考慮 222
10.4.3 尺寸、重量、功耗和成本注意事項 222
10.4.4 環(huán)境因素 223
10.5 便攜式遠距離光譜傳感器及其應用 223
10.5.1 生物威脅檢測與識別 223
10.5.2 冷凝相化學戰(zhàn)劑污染檢測/測量/成像 225
10.5.3 氣相遠程化學云、化學戰(zhàn)劑、有毒工業(yè)化學品的檢測 228
10.5.4 爆炸物探測和識別 229
10.5.5 毒品偵查和鑒定 233
10.6 結(jié)論與未來方向 238
縮略語 238
參考文獻 240
11 基于微等離子體的便攜式光發(fā)射光譜儀 243
11.1 概述 243
11.2 便攜式微等離子體文獻綜述 245
11.2.1 微型電感耦合等離子體 245
11.2.2 電極陰極放電 245
11.2.3 液體采樣-大氣壓力輝光放電 247
11.2.4 液體電極等離子體 247
11.2.5 聚合物基底上的印刷微等離子體 248
11.2.6 3D打印微等離子體 248
11.3 結(jié)論 251
縮略語 251
致謝 251
參考文獻 252
12 用于遠距離化學品泄漏和威脅檢測的便攜式光電紅外光譜傳感器 255
12.1 概述 255
12.2 遠距離氣體檢測的差分FTIR方法 255
12.2.1 背景 255
12.2.2 FTS背景 256
12.2.3 標準FTIR光譜儀 257
12.2.4 雙輸入光束干涉儀 257
12.2.5 CATSI原型機 258
12.2.6 目標氣體檢測 259
12.3 iCATSI傳感器 262
12.3.1 背景 262
12.3.2 系統(tǒng)配置與設(shè)計 263
12.3.3 iCATSI的輸出結(jié)果 263
12.4 用于地面污染檢測的主動FTIR 264
12.4.1 主動iCATSI 264
12.4.2 系統(tǒng)配置與設(shè)計 264
12.4.3 主動型iCATSI的檢測結(jié)果 265
12.5 指紋信號抓取：寬帶便攜式現(xiàn)場反射光譜儀 267
12.5.1 背景 267
12.5.2 設(shè)計概述 268
12.5.3 主要運行及性能參數(shù) 269
12.5.4 使用寬帶便攜式現(xiàn)場反射光譜儀獲得的測量示例 270
12.6 氣體濾波成像相關(guān)輻射測量 271
12.6.1 背景 271
12.6.2 高級圖像分析和人工智能技術(shù) 273
12.6.3 實驗原型（地面、直升機和氣球） 273
12.6.4 實驗室論證和現(xiàn)場測試 274
12.6.5 太空任務 276
12.7 結(jié)論 278
參考文獻 278
13 手持式激光誘導擊穿光譜 280
13.1 概述 280
13.2 手持式LIBS的技術(shù)路徑 282
13.2.1 緊湊型脈沖激光器 282
13.2.2 緊湊型光譜儀 284
13.2.3 激光傳輸光學器件、檢測光學器件和等離子體約束 287
13.2.4 光束光柵 289
13.2.5 氣體吹掃 290
13.2.6 檢測器時間門控 291
13.2.7 校準 293
13.2.8 緊湊型電子器件和電源 295
13.3 商用HHLIBS的技術(shù)指標 295
13.4 HHLIBS的應用場景 296
13.4.1 廢料分揀 296
13.4.2 碳分析 297
13.4.3 可焊性碳當量 298
13.4.4 腐蝕 298
13.4.5 其他材料可靠性鑒定應用 299
13.4.6 其他應用 299
13.5 總結(jié)和未來展望 299
參考文獻 300
14 小型化質(zhì)譜—儀器、技術(shù)和應用 303
14.1 概述 303
14.2 儀器 304
14.2.1 離子引入和真空系統(tǒng) 304
14.2.2 采樣和電離 307
14.2.3 質(zhì)量分析器 310
14.2.4 質(zhì)譜分析前的分離 313
14.2.5 檢測器 314
14.2.6 數(shù)據(jù)采集、控制和解釋 314
14.2.7 商用系統(tǒng) 315
14.3 應用 318
14.4 總結(jié)與展望 322
縮略語 322
進一步閱讀 323
15 便攜式氣相色譜-質(zhì)譜：儀器和應用 324
15.1 概述 324
15.2 便攜式GC-MS的歷史 325
15.3 便攜性的關(guān)鍵組件 326
15.3.1 樣本采集和引入 327
15.3.2 氣相色譜 328
15.3.3 質(zhì)譜 330
15.3.4 載氣和真空要求 333
15.4 應用 335
15.4.1 環(huán)境方面的應用 335
15.4.2 CWA and TIC 336
15.4.3 火災調(diào)查 337
15.4.4 非法藥物 338
15.4.5 爆炸物的法證調(diào)查 338
15.4.6 大麻分析 339
15.4.7 石化 339
15.4.8 其他 339
15.5 便攜式GC-MS的未來 340
縮略語 340
參考文獻 341
16 手持式和臺式分析儀器用高壓質(zhì)譜的發(fā)展 346
16.1 引言 346
16.2 高壓質(zhì)譜的離子阱開發(fā) 347
16.2.1 捕獲離子運動表征 347
16.2.2 質(zhì)量選擇檢測 349
16.2.3 QIT的質(zhì)量分辨率 349
16.2.4 離子阱維度縮放和幾何結(jié)構(gòu)簡化 350
16.2.5 微型MS對真空泵的要求 352
16.2.6 高壓擴展方法 352
16.2.7 高壓阱操作（約1?Torr） 354
16.3 商業(yè)化和應用 356
16.4 結(jié)論 360
縮略語 361
參考文獻 362
17 便攜式離子遷移譜儀系統(tǒng)的關(guān)鍵儀器發(fā)展 367
17.1 背景與歷史 367
17.2 離子遷移譜原理 368
17.2.1 吸入離子遷移譜 369
17.2.2 非對稱場離子遷移譜 369
17.2.3 漂移管離子遷移譜分析 370
17.3 當前的創(chuàng)新和未來的方向 385
17.4 結(jié)論 387
縮略語 387
符號 388
參考文獻 389
18 手持X射線熒光儀器的X射線源 394
18.1 背景 394
18.2 微型X射線源 396
18.2.1 X射線管 396
18.2.2 高壓電源 397
18.2.3 微型X射線源的物理示例 398
18.2.4 X射線通量和光譜 399
18.2.5 微型X射線源的輻射劑量 399
18.3 XRF靶陽極材料的選擇 400
18.3.1 X射線管的高壓設(shè)定 401
18.3.2 X射線濾光片 401
18.3.3 X射線陽極的選擇 402
18.4 HHXRF X射線源的功能 406
18.4.1 環(huán)境壓力測試 407
18.4.2 X射線高壓穩(wěn)定性 408
18.4.3 X射線通量穩(wěn)定性和可重復性 408
18.4.4 多設(shè)置測試和通量線性 410
18.4.5 不同X射線源之間的X射線光譜穩(wěn)定性 412
18.5 結(jié)論 416
參考文獻 417
19 用于便攜式能量色散XRF光譜分析的半導體探測器 418
19.1 概述 418
19.2 半導體探測器基本原理：信號形成 419
19.2.1 均勻場平行板幾何結(jié)構(gòu) 420
19.2.2 探測器分辨率：物理極限和電子噪聲影響 421
19.3 便攜式光譜探測器：設(shè)計和性能 429
19.3.1 Si-PIN二極管探測器 429
19.4 硅漂移探測器 432
19.5 硅探測器的量子效率：X射線入口窗口 433
19.5.1 環(huán)境噪聲對半導體探測器性能的影響 436
19.6 結(jié)論 439
縮略語 440
參考文獻 440
20 臺式核磁共振波譜儀的現(xiàn)場部署應用 442
20.1 概述 442
20.2 NMR理論 444
20.3 磁體小型化 446
20.4 靈敏度和分辨率的改進 447
20.5 當前的bNMR波譜儀 447
20.6 應用 449
20.7 結(jié)論 450
參考文獻 451
21 快速DNA分析—需求、技術(shù)和應用 454
21.1 對分析速度的需求 454
21.1.1 滿足行業(yè)需求 454
21.1.2 2017年的《快速DNA法案》 456
21.1.3 快速DNA分析 457
21.2 技術(shù) 457
21.2.1 ANDE快速DNA分析系統(tǒng) 457
21.2.2 應用生物系統(tǒng)公司的快速DNA分析系統(tǒng) 462
21.2.3 成熟度評估 465
21.3 應用案例 466
21.3.1 辦案登記站使用 466
21.3.2 認證DNA實驗室應用 468
21.3.3 現(xiàn)場應用 471
21.4 局限性與重要注意事項 474
21.4.1 微量/珍貴樣本問題 474
21.4.2 混合樣本問題 475
21.5 未來展望與結(jié)論 475
縮略語 476
參考文獻 477
22 便攜式生物光譜學：現(xiàn)場應用 480
22.1 概述 480
22.2 本章內(nèi)容概要 481
22.3 現(xiàn)場便攜式光譜系統(tǒng)的屬性 482
22.4 現(xiàn)場應用 483
22.4.1 生物防御 483
22.4.2 醫(yī)療和保健 486
22.4.3 食品和農(nóng)業(yè) 487
22.4.4 環(huán)境污染監(jiān)測 488
22.4.5 法醫(yī)學 490
22.5 總結(jié)、挑戰(zhàn)與展望 491
致謝 492
縮略語 492
參考文獻 493
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