本報(bào)告分兩部分：第一部分為巨哥科技SG1700微型光譜儀與某進(jìn)口NIR光譜儀模塊的對(duì)比測(cè)試，由北京工商大學(xué)吳靜珠教授課題組設(shè)計(jì)并完成；第二部分使用SG1700進(jìn)行塑料成分建模，在所能獲取的樣本中達(dá)到100%的分類準(zhǔn)確度，該部分由巨哥科技完成。

一、NIR光譜儀性能評(píng)測(cè)對(duì)比
本實(shí)驗(yàn)主要評(píng)估吸光度重復(fù)性、波長準(zhǔn)確性、波長重復(fù)性。光譜測(cè)試系統(tǒng)分別基于巨哥科技SG1700微型光譜儀與某進(jìn)口NIR光譜儀模塊搭建，采用透射測(cè)樣方式，使用相同的可調(diào)光源、樣品測(cè)試架以及比色皿，波長范圍均為900-1700nm。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1、圖2所示，圖中紅框所示為光譜儀模塊。

圖1 ?SG1700光譜系統(tǒng)實(shí)物連接圖 ? ? ? ? ?圖2 ?某進(jìn)口光譜系統(tǒng)實(shí)物連接圖

1）吸光度重復(fù)性實(shí)驗(yàn)
吸光度 ，其中T為透射率。本實(shí)驗(yàn)在同一條件下對(duì)同一樣本連續(xù)進(jìn)行多次光譜測(cè)量，用整個(gè)光譜區(qū)間或某一特征譜峰的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差來衡量重復(fù)性。本實(shí)驗(yàn)分別以純凈水，75%醫(yī)用酒精為實(shí)驗(yàn)樣本，采用上述兩套光譜系統(tǒng)，每間隔10分鐘掃描測(cè)樣本1次，每天測(cè)試6小時(shí)，測(cè)試連續(xù)測(cè)試2天，實(shí)驗(yàn)通過計(jì)算整個(gè)光譜區(qū)間的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差來分析儀器穩(wěn)定性。

圖3 ?SG1700重復(fù)測(cè)量水的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差圖4 ?某進(jìn)口光譜儀重復(fù)測(cè)量水的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差

圖3為SG1700重復(fù)測(cè)量水的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差，圖4為某進(jìn)口光譜儀重復(fù)測(cè)量水的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差。SG1700的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于某進(jìn)口光譜儀模塊。

圖5 ?SG1700重復(fù)測(cè)量酒精的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差圖6 ?某進(jìn)口光譜儀重復(fù)測(cè)量酒精的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差

圖5為SG1700重復(fù)測(cè)量酒精的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差，圖6為某進(jìn)口光譜儀重復(fù)測(cè)量酒精的吸光度標(biāo)準(zhǔn)差。SG1700的測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)差遠(yuǎn)小于某進(jìn)口光譜儀模塊。

2）波長準(zhǔn)確性和重復(fù)性實(shí)驗(yàn)
波長準(zhǔn)確性是指儀器測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)某一譜峰的波長與該譜峰的標(biāo)定波長之差，波長準(zhǔn)確性對(duì)保證近紅外光譜儀間的模型傳遞非常重要。波長重復(fù)性是指對(duì)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行多次掃描獲得的譜峰位置差異，用標(biāo)準(zhǔn)偏差表示。波長重復(fù)性是體現(xiàn)儀器穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，影響最終分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。
本實(shí)驗(yàn)用于校準(zhǔn)光譜儀波長專用的鑫旭光電科技的近紅外（稀土）波長濾光片（圖7），使用其中5個(gè)特征吸收峰，1524.0nm、1464.4nm、1362.9nm、1220.5nm、1068.3nm。

圖7 近紅外波長濾光片實(shí)物圖及標(biāo)準(zhǔn)片吸收峰

實(shí)驗(yàn)采用上述兩套光譜系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)片特征峰，每間隔10分鐘掃描測(cè)樣本1次，每天測(cè)試6小時(shí)，連續(xù)測(cè)試2天。圖8為吸光度譜圖，藍(lán)色曲線對(duì)應(yīng)SG1700，黃色曲線對(duì)應(yīng)某進(jìn)口光譜儀模塊。由圖可見，SG1700的吸光度值高于某進(jìn)口光譜儀模塊。

圖8 ?吸光度譜圖（藍(lán)色對(duì)應(yīng)SG1700，黃色對(duì)應(yīng)某進(jìn)口光譜儀模塊）

波長準(zhǔn)確性和重復(fù)性數(shù)據(jù)見表1。圖9為測(cè)量5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)波長的誤差，圖10為重復(fù)測(cè)量后統(tǒng)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差，反映儀器的重復(fù)性。

表1 ?波長準(zhǔn)確性和重復(fù)性分析表圖9 測(cè)量5個(gè)標(biāo)定波長的誤差(nm) ? ? ? 圖10 ?測(cè)量5個(gè)譜峰波長的標(biāo)準(zhǔn)偏差(nm)

(藍(lán)色數(shù)值為SG1700數(shù)值，黃色數(shù)值為某進(jìn)口NIR光譜儀模塊數(shù)值）

SG1700測(cè)量準(zhǔn)確性在3個(gè)波長高于、2個(gè)波長低于某進(jìn)口光譜儀。由于SG1700采用標(biāo)準(zhǔn)光源進(jìn)行波長標(biāo)定，部分差異可能來自標(biāo)準(zhǔn)光源和濾光片之間的波長差異。在重復(fù)性方面，SG1700在4個(gè)波長均顯著好于某進(jìn)口光譜儀模塊，在1個(gè)波長略有不足。巨哥科技用標(biāo)準(zhǔn)譜線光源自測(cè)，全量程波長重復(fù)性優(yōu)于0.1nm。

3）結(jié)論
本實(shí)驗(yàn)分別從吸光度重復(fù)性、波長準(zhǔn)確度和波長重復(fù)性三個(gè)方面進(jìn)行測(cè)試，SG1700穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性表現(xiàn)優(yōu)異，掃描速度快，并且有高靈敏度和低靈敏度模式，積分時(shí)間和平均次數(shù)可以調(diào)節(jié)。在相同照明光強(qiáng)下獲取相同信噪比，SG1700的掃描時(shí)間比某進(jìn)口光譜儀模塊快1~2個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到毫秒級(jí)，可用于實(shí)時(shí)在線的成分分析。

二、 塑料建模與分類實(shí)測(cè)
1）建模
使用SG1700微型光譜儀采集5種塑料光譜進(jìn)行建模，具體步驟為：
a) 測(cè)量訓(xùn)練集HDPE、PET、PP、PVC、ABS樣品各40個(gè)
b) 對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行平滑等預(yù)處理
c) PCA降維選取主成分到解釋占比95%以上
d) 使用支持向量機(jī)（SVM）模型建模

圖11 樣品光譜采集圖12 PCA降維

2） 模型實(shí)測(cè)
模型建立后，針對(duì)生活中實(shí)際樣本進(jìn)行分類，包括：早餐豆花包裝、雪碧瓶子、雪碧瓶蓋、密封袋、實(shí)際PP零件、可口可樂包裝紙、可口可樂瓶蓋、可口可樂瓶身、農(nóng)夫山泉包裝紙、農(nóng)夫山泉瓶蓋、農(nóng)夫山泉瓶身、銀行卡、校園卡、卡套、港臺(tái)通行證、身份證、計(jì)算器、剪刀柄、電子門卡、PVC管等，共200多種。使用上述模型對(duì)未知塑料進(jìn)行分類識(shí)別，準(zhǔn)確率達(dá)到100%。

3）模型遷移
根據(jù)本報(bào)告第一部分的評(píng)測(cè)結(jié)果，SG1700具有很好的吸光度重復(fù)性、波長準(zhǔn)確度和波長重復(fù)性，均有利于不同SG1700間模型的遷移。將建模使用SG1700光譜儀的模型直接遷移至其他SG1700光譜儀，對(duì)上述200多種塑料的分類準(zhǔn)確率達(dá)到98%。
進(jìn)一步提升遷移模型的準(zhǔn)確性，可對(duì)每臺(tái)SG1700進(jìn)行互校準(zhǔn)。選取訓(xùn)練集10%的樣本進(jìn)行光譜互校準(zhǔn)后，多臺(tái)SG1700的遷移模型對(duì)上述200多種塑料分類準(zhǔn)確率達(dá)到了100%。

三、 結(jié)論
巨哥科技SG1700微型光譜儀具有很好的穩(wěn)定性和一致性，靈敏度高，掃描速度快，可用于實(shí)驗(yàn)室研究和實(shí)時(shí)在線檢測(cè)。使用SG1700建立的塑料分類模型預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度高，并可直接遷移至其他SG1700。使用SG1700進(jìn)行化學(xué)成分定量分析的研究目前仍在開展。巨哥科技長期致力于先進(jìn)光電儀器的開發(fā)，愿與各行業(yè)的合作伙伴一起推動(dòng)更多應(yīng)用的開發(fā)。

審核編輯：符乾江