本發(fā)明涉及一種使用微型光譜儀檢測樣品的方法。

背景技術(shù)：

紅外探測主要是對紅外吸收光譜進(jìn)行分析，而紅外吸收光譜是一種分子的振動-轉(zhuǎn)動光譜，分子的振動能量比轉(zhuǎn)動能量大，當(dāng)發(fā)生振動能級躍遷時，不可避免地伴隨有轉(zhuǎn)動能級的躍遷，所以無法測量純粹的振動光譜，而只能得到分子的振動-轉(zhuǎn)動光譜。

紅外光譜法又稱“紅外分光光度分析法”，是分子吸收光譜的一種，他是利用物質(zhì)對紅外光區(qū)的電磁輻射的選擇性吸收來進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析及定性和定量分析的一種方法。被測物質(zhì)的分子在紅外線照射下，只吸收與其分子振動、轉(zhuǎn)動頻率相一致的紅外光譜。對紅外光譜進(jìn)行剖析，可對物質(zhì)進(jìn)行定性分析。化合物分子中存在著許多原子團(tuán)，各原子團(tuán)被激發(fā)后，都會產(chǎn)生特征振動，其振動頻率也必然反映在紅外吸收光譜上。

相比傳統(tǒng)大型光譜儀器近百年的發(fā)展歷程，微型光譜儀從世紀(jì)八九十年代剛剛開始興起。在微型光譜儀發(fā)展的初期，研究的重點(diǎn)集中在系統(tǒng)的集成化和微型化上。集成化指的是將光譜儀各部分元件集成加工，盡量將相關(guān)聯(lián)的系統(tǒng)元件整個成一體；微型化指的是采用微型化的系統(tǒng)元件和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

現(xiàn)有的微型光譜儀主要缺陷在于靈敏度太低，測量物質(zhì)光譜不夠精確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的之一是提供一種靈敏度高、檢測精確的使用微型光譜儀檢測樣品的方法。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，提供給了一種使用微型光譜儀檢測樣品的方法，所述微型光譜儀包括電源、處理器、探測器、分光器和光源，所述處理器連接到所述探測器，所述電源連接到所述處理器、所述探測器和所述光源并為所述處理器、所述探測器和所述光源供電，所述處理器能夠控制所述光源發(fā)射檢測光線到樣品，樣品反射的反射光能夠經(jīng)過所述分光器分光之后入射到所述探測器上，所述探測器能夠檢測分光之后的反射光并輸出探測信號，所述處理器能夠根據(jù)所述探測信號獲得樣品的光譜數(shù)據(jù)，所述方法包括：

所述處理器控制所述光源分別向至少100份參考樣品發(fā)射檢測光線；

所述探測器分別檢測經(jīng)過所述分光器分光后的所述至少100份參考樣品的反射光，獲得至少100組探測信號，其中每組探測信號對應(yīng)一份參考樣品；

所述處理器接收所述至少100組探測信號，并根據(jù)所述至少100組探測信號獲得至少100組光譜數(shù)據(jù)，其中每組光譜數(shù)據(jù)為一份參考樣品的光譜數(shù)據(jù)；

所述處理器使用savitzky-golay卷積平滑法去除所述至少100組光譜數(shù)據(jù)中的噪聲，使用多元散射校正和均值方差化方法處理所述至少100組光譜數(shù)據(jù)，使用主成分分析法和馬氏距離判別法判別異常組光譜數(shù)據(jù)并從所述至少100組光譜數(shù)據(jù)中去除所述異常組光譜數(shù)據(jù)，使用最小二乘回歸法對去除了異常組光譜數(shù)據(jù)的至少100組光譜數(shù)據(jù)和所述至少100組參考樣品的組分含量或者性質(zhì)值進(jìn)行建模以獲得光譜數(shù)據(jù)與參考樣品的組分含量或者性質(zhì)值的關(guān)聯(lián)模型，并使用非線性多項(xiàng)式偏最小二乘回歸法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對所述關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行校正；

所述處理器存儲所述關(guān)聯(lián)模型；

所述處理器控制所述光源向待測樣品發(fā)射檢測光線；

所述探測器檢測經(jīng)過所述分光器分光后的所述待測樣品的反射光，獲得所述待測樣品的探測信號；

所述處理器接收所述待測樣品的探測信號，并根據(jù)所述待測樣品的探測信號獲得所述待測樣品的光譜數(shù)據(jù)；

根據(jù)所述待測樣品的光譜數(shù)據(jù)和所述關(guān)聯(lián)模型，獲得所述待測樣品的組分含量或者性質(zhì)值。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述光源為鎢燈或者led。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述分光器為線性濾光片。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述探測器包括線性陣列排布的多個像素單元，每個像素單元包括一個pin結(jié)感光二極管及其讀出電路。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述pin結(jié)感光二極管包括縱向排列的第一摻雜區(qū)、第二摻雜區(qū)和第三摻雜區(qū)，其中第一摻雜區(qū)為n+摻雜區(qū)，第二摻雜區(qū)為i型摻雜區(qū)，第三摻雜區(qū)為p+型摻雜區(qū)。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述第一摻雜區(qū)上沉積有鈍化膜層。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述第一摻雜區(qū)的摻雜濃度大于10²⁰/cm³。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述第二摻雜區(qū)的摻雜為n型或者p型摻雜，且摻雜濃度遠(yuǎn)小于所述第一摻雜區(qū)和所述第三摻雜區(qū)的摻雜濃度。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述第三摻雜區(qū)的摻雜濃度大于10¹⁹/cm³。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，所述第一摻雜區(qū)形成為黑硅層。

本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，使用的微型光譜儀比普通微型光譜儀的靈敏度更高，性能更好，該方法能夠在現(xiàn)場對物質(zhì)進(jìn)行高質(zhì)量的紅外光譜分析，同時兼顧了光譜儀便攜性與光譜的高分辨率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一些實(shí)施例的微型光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明一些實(shí)施例的探測器的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，提供給了一種使用微型光譜儀檢測樣品的方法。

如圖1所示，一些實(shí)施例中，這里使用的微型光譜儀可以包括電源1、處理器2、探測器3、分光器4和光源6。

處理器2可以連接到探測器3。電源1可以連接到處理器2、探測器3和光源6并為該處理器2、探測器3和光源6供電。處理器2能夠控制光源6能夠發(fā)射檢測光線到樣品7。樣品7反射的反射光5能夠經(jīng)過分光器4分光之后入射到探測器3上。探測器3能夠檢測分光之后的反射光并輸出探測信號。處理器2能夠接收這些探測信號并根據(jù)該探測信號獲得樣品的光譜數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，光源6可以為鎢燈或者led或者其他適合的光源。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，分光器4可以為線性濾光片，例如lvf線性濾光片，等等。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，探測器3可以包括以線性陣列排布的多個像素單元，其中每個像素單元可以包括一個pin結(jié)感光二極管及其相應(yīng)的讀出電路。

如圖2所示，本發(fā)明的一些實(shí)施例中，該pin結(jié)可以包括縱向排列的第一摻雜區(qū)31、第二摻雜區(qū)32和第三摻雜區(qū)33，其中第一摻雜區(qū)31可以為n+摻雜區(qū)，第二摻雜區(qū)32可以為i型摻雜區(qū)，第三摻雜區(qū)33可以為p+型摻雜區(qū)。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)31上還可以沉積有鈍化膜層34。該鈍化膜層34可以為氧化鋁或者氧化鈦等等。該氧化鋁或者氧化鈦的沉積可以采用原子層沉積法實(shí)現(xiàn)，其厚度可以為幾十納米。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)31的摻雜濃度可以大于10²⁰/cm³。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第二摻雜區(qū)32的摻雜可以為n型或者p型摻雜，且摻雜濃度遠(yuǎn)小于第一摻雜區(qū)31和第三摻雜區(qū)33的摻雜濃度。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第三摻雜區(qū)33的摻雜濃度可以大于10¹⁹/cm³。

本發(fā)明的一些實(shí)施例中，第一摻雜區(qū)31可以形成為黑硅層，該黑硅層的厚度可以小于或等于2μm。黒硅層對可見-近紅外光的吸收率能達(dá)到近100%，從而可以大大提高該微型光譜儀對光的吸收率和靈敏度。

使用該微型光譜儀檢測樣品的方法可以包括下列步驟：

處理器2控制光源6分別向至少100份參考樣品發(fā)射檢測光線，其中該至少100份參考樣品的組分含量或者性質(zhì)值可以是已知的；該至少100份參考樣品可以使用kennard-stone方法選擇。

探測器3分別檢測經(jīng)過分光器4分光后的該至少100份參考樣品的反射光，獲得至少100組探測信號，其中每組探測信號對應(yīng)一份參考樣品；

處理器2接收該至少100組探測信號，并根據(jù)該至少100組探測信號獲得至少100組光譜數(shù)據(jù)，其中每組光譜數(shù)據(jù)為一份參考樣品的光譜數(shù)據(jù)；

然后，處理器2可以根據(jù)這些光譜數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的參考樣品的組分含量或性質(zhì)值，構(gòu)建光譜數(shù)據(jù)與樣品的組分含量或者性質(zhì)值的關(guān)聯(lián)模型。這個構(gòu)建過程可以包括：

使用savitzky-golay卷積平滑法對該至少100組光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，從而去除該至少100組光譜數(shù)據(jù)中的噪聲；

使用多元散射校正和均值方差化方法對該至少100組光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行處理；

使用主成分分析法和馬氏距離判別法判別異常組光譜數(shù)據(jù)并從該至少100組光譜數(shù)據(jù)中去除異常組光譜數(shù)據(jù)，這樣，可以去除異常數(shù)據(jù)，提高后續(xù)對待測樣品的檢測的準(zhǔn)確性；

使用最小二乘回歸法對去除了異常組光譜數(shù)據(jù)的至少100組光譜數(shù)據(jù)和該至少100組參考樣品的組分含量或者性質(zhì)值進(jìn)行建模，以獲得光譜數(shù)據(jù)與參考樣品的組分含量或者性質(zhì)值的關(guān)聯(lián)模型；

使用非線性多項(xiàng)式偏最小二乘回歸法和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對關(guān)聯(lián)模型進(jìn)行校正，以提高關(guān)聯(lián)模型的準(zhǔn)確性；

獲得關(guān)聯(lián)模型之后，處理器可以2存儲關(guān)聯(lián)模型；

其后，處理器2可以控制光源6向待測樣品發(fā)射檢測光線；

探測器3檢測經(jīng)過分光器4分光后的待測樣品的反射光，獲得待測樣品的探測信號；

處理器接收待測樣品的探測信號，并根據(jù)待測樣品的探測信號獲得待測樣品的光譜數(shù)據(jù)；

根據(jù)待測樣品的光譜數(shù)據(jù)和關(guān)聯(lián)模型，獲得待測樣品的組分含量或者性質(zhì)值。由于光譜數(shù)據(jù)與樣品組分含量或者性質(zhì)值的關(guān)聯(lián)模型在前面的步驟中已經(jīng)構(gòu)建出來，因此，這里，將探測到的待測樣品的光譜數(shù)據(jù)代入該關(guān)聯(lián)模型中，即可容易地獲得待測樣品的組分含量或者性質(zhì)值的測量值。

這樣，經(jīng)過上述步驟，即獲得了待測樣品的組分含量或者性質(zhì)值的測量值。

本發(fā)明的實(shí)施例的方法中，使用的微型光譜儀比普通微型光譜儀的靈敏度更高，性能更好，該方法能夠在現(xiàn)場對物質(zhì)進(jìn)行高質(zhì)量的紅外光譜分析，同時兼顧了光譜儀便攜性與光譜的高分辨率。

以上通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了說明，但本發(fā)明并不限于這些具體的實(shí)施例。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，還可以對本發(fā)明做各種修改、等同替換、變化等等，這些變換只要未背離本發(fā)明的精神，都應(yīng)在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。此外，以上多處的“一個實(shí)施例”表示不同的實(shí)施例，當(dāng)然也可以將其全部或部分結(jié)合在一個實(shí)施例中。