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| 內容簡介： |
《便携式光谱仪及其应用：技术与仪器卷》系统阐述了便携式光谱仪的设计考量、工作原理、核心器件、制作技术和产品规范，是推动现场分析技术发展的权威指南。
本书以工程化视角深入解析便携光谱仪的设计挑战与技术路径：从尺寸/重量/功耗优化、电池管理、热控制、防震密封（IP等级)、人机交互等工程化考量，到滤光片、光栅、传感器、探测器等核心器件的设计与配置，再到傅里叶变换红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、紫外可见光谱、微等离子体发射光谱、激光诱导击穿光谱、质谱、离子迁移谱、X射线荧光光谱、核磁共振等光谱技术的便携化、小型化实现方案和技术进展；同时讨论了MEMS/MOEMS、智能手机光谱、远距离检测等技术专题以及便携式DNA分析仪和生物光谱仪等专用分析仪器；最后拓展至制药工业过程分析、食品安全、安全监测（爆炸物/毒品/生物威胁检测)、环境污染物追踪及法庭科学等实战场景，提供从硬件设计到数据分析的完整链条。
本书由国际权威专家撰写，融合工程细节与创新案例，内容兼具理论深度与实际应用价值，可供光谱仪器研发工程师、分析检测领域技术人员、高校分析化学/仪器科学专业师生以及制药、安检、环保等行业的现场应用决策者阅读参考。
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| 目錄：
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1 便携光谱学概论 001
1.1 概述 001
1.2 便携式光谱仪的定义和分类 001
1.3 性能 003
1.4 发展历史和应用现状 004
1.5 仪器设计与使能技术 007
1.6 结果生成 008
1.7 本书各卷概述 008
缩略语 010
参考文献 011
2 便携式仪器的工程化 012
2.1 尺寸/重量 012
2.2 接口示例 013
2.3 嵌入式计算机与外部个人计算机的比较 013
2.4 精简的功能 014
2.5 非光谱专家的目标 015
2.6 功率预算 015
2.7 电压转换 016
2.8 入侵防护等级（IP） 016
2.8.1 防护等级 016
2.8.2 密封外壳 017
2.9 测试密封 017
2.10 手套式操作/手动操作 018
2.11 显示 018
2.11.1 内容 018
2.11.2 亮度 018
2.11.3 可读性 019
2.11.4 指南 019
2.11.5 显示功率 019
2.11.6 温度范围 019
2.11.7 坚固性 019
2.12 热管理问题 020
2.12.1 通风系统的冷却性能 020
2.12.2 密封系统 020
2.12.3 探测器制冷 020
2.12.4 转移热量至环境空气 021
2.13 光学元件 023
2.14 干涉仪光学设计 023
2.14.1 传统迈克尔逊干涉仪 023
2.14.2 带角隅棱镜的迈克尔逊干涉仪 024
2.14.3 双摆干涉仪 024
2.15 干涉仪轴承 024
2.16 振动 025
2.17 震动冲击 026
2.18 电池 026
2.18.1 一次性电池与可充电电池的比较 026
2.18.2 电池管理 026
2.18.3 用户可更换电池 027
2.18.4 智能电池 027
2.19 静电放电（ESD） 027
2.20 人体工程学 028
2.21 激光安全 029
2.22 稳定性 030
2.22.1 质量 030
2.22.2 主动式热控制 031
2.22.3 较长的预热时间 031
2.22.4 干气吹扫 031
2.22.5 最小化光路长度 031
2.22.6 密封和干燥 032
2.22.7 频繁采集背景 032
2.23 服务 032
2.24 通信/无线连接 032
参考文献 033
3 用于风险物质现场识别的便携式傅里叶变换中红外光谱仪的设计考量 034
3.1 概述 034
3.2 FTIR系统组件 037
3.2.1 干涉仪概述 037
3.2.2 光学元件 038
3.2.3 干涉仪扫描系统 039
3.2.4 红外辐射源 040
3.2.5 红外探测器 042
3.2.6 计量激光 043
3.2.7 内反射样品接口 044
3.3 FTIR光谱仪的性能特点 046
3.3.1 FTIR光谱的权衡规则 046
3.4 建模与仿真指南：便携式仪器设计和开发 048
3.4.1 对新工具的需求 048
3.4.2 作为多维权衡规则的系统仿真 048
3.4.3 仿真模型架构 049
3.4.4 示例—光学和光源权衡研究 050
3.4.5 功率预算仿真 051
3.5 便携式FTIR性能基准 052
3.6 结论 053
缩略语 054
参考文献 055
4 基于近红外光谱技术的过程分析技术在制药工业中的应用 057
4.1 概述 057
4.2 连续制造和实时放行测试 057
4.2.1 连续制造 057
4.2.2 分析传感器及其定位 059
4.2.3 数据的化学计量学建模 060
4.3 近红外光谱PAT的实现 062
4.3.1 原材料鉴定 062
4.3.2 混合 063
4.3.3 制粒和过筛 063
4.3.4 挤出 064
4.3.5 压片 064
4.3.6 包衣 065
4.3.7 最终产品测试 067
4.4 结论 068
术语 068
缩略语 069
参考文献 070
5 MOEMS和MEMS—技术、效益和使用 077
5.1 概述 077
5.1.1 定义 077
5.1.2 MEMS简史 078
5.1.3 MEMS技术基础 079
5.1.4 近红外分析 080
5.2 光栅型光谱仪 081
5.2.1 固定光栅光谱仪 082
5.2.2 MEMS扫描光栅 083
5.2.3 基于DLP的光谱仪 085
5.2.4 基于扫描镜的微型光谱仪 086
5.3 傅里叶变换光谱仪 087
5.3.1 基于MEMS活塞镜的FTIR光谱仪 088
5.3.2 单片集成干涉仪 089
5.4 可调谐法布里-珀罗干涉仪 089
5.5 基于MEMS/MOEMS的光谱仪集成策略 091
5.5.1 基于MEMS系统的经典系统组装 092
5.5.2 堆叠 092
5.5.3 放置和弯折 093
5.5.4 芯片级集成 093
5.6 基于MEMS的近红外光谱仪的使用 093
缩略语 094
参考文献 095
6 便携式拉曼光谱学：仪器与技术 099
6.1 概述 099
6.2 拉曼光谱的优势与应用范围 099
6.3 拉曼光谱理论 100
6.4 拉曼系统基础知识 103
6.5 “便携式”、“手持式”与“微型”的区别 103
6.6 便携式拉曼光谱仪器的性能需求 104
6.7 激光器 105
6.7.1 激光器封装 107
6.8 光学滤波器和采样光学器件 108
6.9 光谱仪设计 110
6.9.1 光学工作台设计 111
6.9.2 衍射光栅 112
6.9.3 杂散光 113
6.9.4 探测器 113
6.9.5 电子设计 115
6.9.6 机械设计 116
6.10 样品接口和附件 117
6.11 光谱处理和分析 119
6.11.1 处理硬件 119
6.11.2 光谱处理 119
6.11.3 分析：使用谱库进行识别 120
6.11.4 分析：使用化学计量学进行定量分析 121
6.11.5 用户软件 121
6.12 特殊情况 122
6.12.1 荧光抑制 122
6.12.2 透过屏障检测 122
6.12.3 遥测 123
6.12.4 表面增强拉曼光谱 123
6.13 结论 123
缩略语 124
参考文献 125
7 滤光片的技术原理与应用 129
7.1 光谱学中滤光片的使用概述 129
7.1.1 光谱仪器类型 129
7.1.2 滤光片的种类 130
7.2 滤光片作为辅助滤波器的应用 137
7.2.1 中灰滤光片 137
7.2.2 作为CCD/CMOS均衡器滤波器的滤光片 137
7.2.3 滤光片作为排序滤波器 139
7.3 滤光片作为互补滤波器 140
7.4 作为波长选择元件的滤光片 142
7.4.1 即时检测仪器 145
7.4.2 白内障的诊断和治疗应用 145
7.4.3 点测量—用于谷物质量控制的手持式NIR光谱仪 146
7.4.4 成像应用—用于高光谱成像的连续可变带通滤波器 147
7.5 结论与展望 154
参考文献 155
8 便携式紫外可见光谱仪—仪器设计、技术路径及应用 157
8.1 概述 157
8.2 便携式紫外-可见光谱仪的典型构造 158
8.2.1 紫外-可见光谱仪的基本配置 158
8.2.2 光源 158
8.2.3 色散元件 159
8.2.4 探测器 160
8.2.5 接口、显示和数据存储 160
8.2.6 其他仪器 161
8.3 测量配置 161
8.3.1 反射型 161
8.3.2 吸收型 162
8.3.3 荧光型 163
8.4 紫外-可见光谱中使用的仪器类型 164
8.4.1 光栅-线性探测器阵列 164
8.4.2 数字微镜阵列 165
8.4.3 基于二维滤波器阵列的设备 165
8.4.4 基于智能手机摄像头的方法 167
8.4.5 “DIY”方法 168
8.4.6 紧凑型芯片光谱仪 169
8.4.7 独立智能手机光谱仪 169
8.5 便携式光谱仪的应用 170
8.5.1 颜色分析 170
8.5.2 生命科学检测 171
8.5.3 生物医学应用 172
8.5.4 水质测试 173
8.5.5 食品和饮料应用 174
8.5.6 地理传感应用 176
8.5.7 无人机和空中平台上的光谱仪 177
8.6 便携式光谱仪的挑战 178
8.6.1 工具还是玩具 178
8.6.2 需要可靠严谨的操作方法 178
8.6.3 噪声抑制 179
8.6.4 校准 179
8.6.5 设备之间的可重复性 179
8.7 展望 179
参考文献 180
9 智能手机技术—测量仪器及应用 184
9.1 概述 184
9.2 智能手机光谱分析的挑战 185
9.3 目前的研究进展 188
9.3.1 色散和分辨率 188
9.3.2 对焦 196
9.3.3 像素间的一致性 197
9.3.4 将蜂窝相机耦合到样品架 199
9.3.5 精度和误差传播 201
9.3.6 用户培训和方法有效性 203
9.4 结论和展望 203
参考文献 204
10 用于安全与安保的便携式远距离光学光谱 209
10.1 概述 209
10.1.1 动机 209
10.1.2 定义 210
10.1.3 本章范围 211
10.1.4 便携式远距离光学光谱学历史 211
10.2 便携式远距离光学仪器类型 212
10.2.1 点测量传感器 212
10.2.2 空间扫描（映射）传感器 213
10.2.3 宽视场成像（凝视）传感器 213
10.3 便携式远距离光学仪器技术 214
10.3.1 点测量和空间扫描 214
10.3.2 宽视场成像 214
10.4 便携式远距离光学光谱传感器的选择 221
10.4.1 现象学考虑 221
10.4.2 空间、光谱和时间方面的考虑 222
10.4.3 尺寸、重量、功耗和成本注意事项 222
10.4.4 环境因素 223
10.5 便携式远距离光谱传感器及其应用 223
10.5.1 生物威胁检测与识别 223
10.5.2 冷凝相化学战剂污染检测/测量/成像 225
10.5.3 气相远程化学云、化学战剂、有毒工业化学品的检测 228
10.5.4 爆炸物探测和识别 229
10.5.5 毒品侦查和鉴定 233
10.6 结论与未来方向 238
缩略语 238
参考文献 240
11 基于微等离子体的便携式光发射光谱仪 243
11.1 概述 243
11.2 便携式微等离子体文献综述 245
11.2.1 微型电感耦合等离子体 245
11.2.2 电极阴极放电 245
11.2.3 液体采样-大气压力辉光放电 247
11.2.4 液体电极等离子体 247
11.2.5 聚合物基底上的印刷微等离子体 248
11.2.6 3D打印微等离子体 248
11.3 结论 251
缩略语 251
致谢 251
参考文献 252
12 用于远距离化学品泄漏和威胁检测的便携式光电红外光谱传感器 255
12.1 概述 255
12.2 远距离气体检测的差分FTIR方法 255
12.2.1 背景 255
12.2.2 FTS背景 256
12.2.3 标准FTIR光谱仪 257
12.2.4 双输入光束干涉仪 257
12.2.5 CATSI原型机 258
12.2.6 目标气体检测 259
12.3 iCATSI传感器 262
12.3.1 背景 262
12.3.2 系统配置与设计 263
12.3.3 iCATSI的输出结果 263
12.4 用于地面污染检测的主动FTIR 264
12.4.1 主动iCATSI 264
12.4.2 系统配置与设计 264
12.4.3 主动型iCATSI的检测结果 265
12.5 指纹信号抓取：宽带便携式现场反射光谱仪 267
12.5.1 背景 267
12.5.2 设计概述 268
12.5.3 主要运行及性能参数 269
12.5.4 使用宽带便携式现场反射光谱仪获得的测量示例 270
12.6 气体滤波成像相关辐射测量 271
12.6.1 背景 271
12.6.2 高级图像分析和人工智能技术 273
12.6.3 实验原型（地面、直升机和气球） 273
12.6.4 实验室论证和现场测试 274
12.6.5 太空任务 276
12.7 结论 278
参考文献 278
13 手持式激光诱导击穿光谱 280
13.1 概述 280
13.2 手持式LIBS的技术路径 282
13.2.1 紧凑型脉冲激光器 282
13.2.2 紧凑型光谱仪 284
13.2.3 激光传输光学器件、检测光学器件和等离子体约束 287
13.2.4 光束光栅 289
13.2.5 气体吹扫 290
13.2.6 检测器时间门控 291
13.2.7 校准 293
13.2.8 紧凑型电子器件和电源 295
13.3 商用HHLIBS的技术指标 295
13.4 HHLIBS的应用场景 296
13.4.1 废料分拣 296
13.4.2 碳分析 297
13.4.3 可焊性碳当量 298
13.4.4 腐蚀 298
13.4.5 其他材料可靠性鉴定应用 299
13.4.6 其他应用 299
13.5 总结和未来展望 299
参考文献 300
14 小型化质谱—仪器、技术和应用 303
14.1 概述 303
14.2 仪器 304
14.2.1 离子引入和真空系统 304
14.2.2 采样和电离 307
14.2.3 质量分析器 310
14.2.4 质谱分析前的分离 313
14.2.5 检测器 314
14.2.6 数据采集、控制和解释 314
14.2.7 商用系统 315
14.3 应用 318
14.4 总结与展望 322
缩略语 322
进一步阅读 323
15 便携式气相色谱-质谱：仪器和应用 324
15.1 概述 324
15.2 便携式GC-MS的历史 325
15.3 便携性的关键组件 326
15.3.1 样本采集和引入 327
15.3.2 气相色谱 328
15.3.3 质谱 330
15.3.4 载气和真空要求 333
15.4 应用 335
15.4.1 环境方面的应用 335
15.4.2 CWA and TIC 336
15.4.3 火灾调查 337
15.4.4 非法药物 338
15.4.5 爆炸物的法证调查 338
15.4.6 大麻分析 339
15.4.7 石化 339
15.4.8 其他 339
15.5 便携式GC-MS的未来 340
缩略语 340
参考文献 341
16 手持式和台式分析仪器用高压质谱的发展 346
16.1 引言 346
16.2 高压质谱的离子阱开发 347
16.2.1 捕获离子运动表征 347
16.2.2 质量选择检测 349
16.2.3 QIT的质量分辨率 349
16.2.4 离子阱维度缩放和几何结构简化 350
16.2.5 微型MS对真空泵的要求 352
16.2.6 高压扩展方法 352
16.2.7 高压阱操作（约1 Torr） 354
16.3 商业化和应用 356
16.4 结论 360
缩略语 361
参考文献 362
17 便携式离子迁移谱仪系统的关键仪器发展 367
17.1 背景与历史 367
17.2 离子迁移谱原理 368
17.2.1 吸入离子迁移谱 369
17.2.2 非对称场离子迁移谱 369
17.2.3 漂移管离子迁移谱分析 370
17.3 当前的创新和未来的方向 385
17.4 结论 387
缩略语 387
符号 388
参考文献 389
18 手持X射线荧光仪器的X射线源 394
18.1 背景 394
18.2 微型X射线源 396
18.2.1 X射线管 396
18.2.2 高压电源 397
18.2.3 微型X射线源的物理示例 398
18.2.4 X射线通量和光谱 399
18.2.5 微型X射线源的辐射剂量 399
18.3 XRF靶阳极材料的选择 400
18.3.1 X射线管的高压设定 401
18.3.2 X射线滤光片 401
18.3.3 X射线阳极的选择 402
18.4 HHXRF X射线源的功能 406
18.4.1 环境压力测试 407
18.4.2 X射线高压稳定性 408
18.4.3 X射线通量稳定性和可重复性 408
18.4.4 多设置测试和通量线性 410
18.4.5 不同X射线源之间的X射线光谱稳定性 412
18.5 结论 416
参考文献 417
19 用于便携式能量色散XRF光谱分析的半导体探测器 418
19.1 概述 418
19.2 半导体探测器基本原理：信号形成 419
19.2.1 均匀场平行板几何结构 420
19.2.2 探测器分辨率：物理极限和电子噪声影响 421
19.3 便携式光谱探测器：设计和性能 429
19.3.1 Si-PIN二极管探测器 429
19.4 硅漂移探测器 432
19.5 硅探测器的量子效率：X射线入口窗口 433
19.5.1 环境噪声对半导体探测器性能的影响 436
19.6 结论 439
缩略语 440
参考文献 440
20 台式核磁共振波谱仪的现场部署应用 442
20.1 概述 442
20.2 NMR理论 444
20.3 磁体小型化 446
20.4 灵敏度和分辨率的改进 447
20.5 当前的bNMR波谱仪 447
20.6 应用 449
20.7 结论 450
参考文献 451
21 快速DNA分析—需求、技术和应用 454
21.1 对分析速度的需求 454
21.1.1 满足行业需求 454
21.1.2 2017年的《快速DNA法案》 456
21.1.3 快速DNA分析 457
21.2 技术 457
21.2.1 ANDE快速DNA分析系统 457
21.2.2 应用生物系统公司的快速DNA分析系统 462
21.2.3 成熟度评估 465
21.3 应用案例 466
21.3.1 办案登记站使用 466
21.3.2 认证DNA实验室应用 468
21.3.3 现场应用 471
21.4 局限性与重要注意事项 474
21.4.1 微量/珍贵样本问题 474
21.4.2 混合样本问题 475
21.5 未来展望与结论 475
缩略语 476
参考文献 477
22 便携式生物光谱学：现场应用 480
22.1 概述 480
22.2 本章内容概要 481
22.3 现场便携式光谱系统的属性 482
22.4 现场应用 483
22.4.1 生物防御 483
22.4.2 医疗和保健 486
22.4.3 食品和农业 487
22.4.4 环境污染监测 488
22.4.5 法医学 490
22.5 总结、挑战与展望 491
致谢 492
缩略语 492
参考文献 493
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在过去几十年中，便携式光谱学和光谱仪器有了巨大的发展，这也促成了它们在各种领域中的应用。然而，与同一时代的高性能实验室光谱仪相比，便携式光谱仪器在科学界的知名度并不高。这可归因于许多因素，比如它们的实用性（与研究相反）导致它们的使用者大部分不是科学家，同时，缺乏相关的参考出版物。今天这些仪器的部署数量可能会令人惊讶。例如，早在20世纪90年代，全球就部署了6万多台离子迁移谱仪（ion mobility spectrometer， IMS）；在2019年，一个单一型号的国际监测系统探测器在过去14年中已经部署了超过9万个；而如今，手持式X射线荧光（X-ray fluorescence， XRF）仪累计出货量超过了10万台，便携式拉曼仪器出货量也有数万之多。对于这些以及其他便携式光谱仪器来说，现场仪器的部署要多于实验室仪器。
我们中的一位（Richard A. Crocombe）在2018年末发表了一篇关于便携式光谱技术的综述文章，涵盖了光学和元素分析仪器［XRF和激光诱导击穿光谱（laser-induced breakdown spectroscopy， LIBS）］及其应用，仅包含这些领域的知识就需要50页的篇幅。而我们中的两位（Richard A. Crocombe和Pauline E. Leary）也曾教授过关于这一主题的全天短期课程，并意识到我们也只是刚刚触及这一领域的表面。因此，显而易见的是这本书的全面介绍会使这一领域受益匪浅。主编们涉及了许多领域：仪器和应用开发（Richard A. Crocombe）、安全和安保、军事和制药仪器与应用培训（Pauline E. Leary），以及仪器和法医应用教学（Brooke W. Kammrath）。因此，我们最初的想法只是写一本书，现在已扩展到两卷。这里，在技术与仪器卷，我们将重点放在仪器本身与使能技术上，应用卷则重点介绍便携式仪器的众多应用。
技术与仪器卷首先介绍了便携式光谱仪器的工程概况，然后介绍了XRF、紫外（ultraviolet， UV）-可见光、近红外、中红外和拉曼光谱等电磁光谱，并介绍了微等离子体和LIBS、核磁共振（nuclear magnetic resonance， NMR）以及其他便携式质谱仪类型。其中的一些专题包括智能手机光谱、光学滤波器技术和MEMS/MOEMS系统（许多非常小的光谱仪和高光谱成像仪的关键）以及远距离探测。在我们写本书的时候，处于新型冠状病毒疫情封锁中，因此这本书还包括关于DNA仪器和生物分析仪的章节。
我们希望技术与仪器卷和应用卷的撰写能够全面覆盖整个领域。其中的章节是由具有实际经验的技术专家撰写的。这些作者经历丰富，有在仪器公司、大学和研究机构工作的，也有来自北美、欧洲、亚洲、澳大利亚的与军事和危险材料密切相关的人员。截至2020年初，这些作者已努力编写了涵盖该领域的章节，我们感谢所有作者的贡献。此外，为确保质量和完整性，大多数章节由第三方专家进行了评审，我们感谢评审专家提出的有益建议。
Richard A. Crocombe
Crocombe光谱咨询公司
温切斯特，马萨诸塞州，美国
Pauline E. Leary
联邦资源部
史蒂文斯维尔，马里兰州，美国
Brooke W. Kammrath
纽黑文大学李昌钰刑事司法与法医学学院法医学系、李昌钰法医学研究所
西哈文，康涅狄格州，美国
2020年6月
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