《便携式光谱仪器及其应用：应用卷》系统介绍了便携式光谱仪的应用以及相关的算法、光谱数据库开发和转移等内容，涉及中红外光谱、近红外光谱、拉曼光谱、X射线荧光光谱、核磁共振和质谱等便携式仪器在化工、药品、危险化学品、食品、饲料、野外地质、天体生物、考古、司法、军事等领域的应用以及智能手机光谱和成像技术在临床领域的应用，此外还对便携式仪器及其应用的未来前景进行了展望。
本书体系完整，原理深入浅出，案例丰富新颖，点面结合，实用性强，可作为分析仪器和仪器分析等领域的科研人员、工程师和高校教师的参考书籍，也可作为高等院校分析化学、化学计量学、分析仪器、光学和应用化学等专业研究生的参考教材。
Richard A. Crocombe博士是美国Crocombe光谱咨询公司负责人，曾任 2020 年美国应用光谱学会 (SAS) 主席，并担任 SPIE（国际光学工程学会）“下一代光谱技术”会议主席。他在分析仪器行业拥有 40 年的经验。在过去的 15 年中，他专注于微型和便携式光谱仪领域。
Pauline E. Leary 博士是美国Federal Resources 公司的后援化学家（Reachback Chemist），专注于微型和便携式光谱仪及仪器平台。超过 15 年来，她一直为包括现场科学家、应急响应人员以及美国军队的常规部队与特种部队在内的用户，提供便携式系统理论和操作方面的培训。Pauline 曾在世界各地的会议和技术研讨会上就便携式仪器发表演讲。
Brooke W. Kammrath博士是纽黑文大学李昌钰刑事司法与法庭科学学院 (Henry C. Lee College of Criminal Justice and Forensic Sciences) 法庭科学系 (Forensic Science Department) 的副教授，并担任李昌钰法庭科学研究所 (Henry C. Lee Institute of Forensic Science) 的助理所长。她同时为刑事和民事案件担任科学顾问和专家证人。她曾于 2017—2019 年担任纽约显微镜学会 (NYMS) 主席，是东部分析研讨会 (EAS) 理事会的成员，并且是美国刑事鉴定委员会 (ABC) 的特聘专家 (Diplomate)。
1 便携式光谱仪的应用 001
1.1 概述 001
1.2 应用的演进 001
1.3 什么定义了应用? 004
1.3.1 混合物 005
1.3.2 定性分析和定量分析 006
1.3.3 操作空间 007
1.3.4 操作和维护问题 009
1.4 仪器的投资回报 010
1.5 现场样品制备 011
1.6 便携式光谱仪的商业成功 013
1.6.1 市场营销 013
1.7 结语和未来应用 014
缩略语 015
参考文献 015
2 手持式分析仪：识别与确认算法 017
2.1 概述 017
2.1.1 应用场景 018
2.1.2 系统层面概述 018
2.2 数据采集 019
2.2.1 关于样品的考虑因素 020
2.2.2 关于环境的考虑因素 021
2.3 数据预处理 023
2.4 算法类型 023
2.4.1 检测算法 024
2.4.2 确认算法 024
2.4.3 分类算法 027
2.4.4 识别算法 027
2.4.5 定量算法 029
2.5 算法结果的显示 030
2.5.1 用户界面 030
2.5.2 统计推断 030
2.6 计算注意事项 032
2.6.1 离线和云计算 033
2.6.2 大型库的机载识别与混合物分析 034
2.6.3 用户输入的整合 034
2.7 性能表征 034
2.8 结语 035
缩略语 036
参考文献 036
3 便携式仪器光谱库和方法开发：案例研究方法 039
3.1 概述 039
3.2 仪器应用概述 040
3.3 光谱库开发 041
3.4 定性模型开发 043
3.5 光谱库构建 044
3.6 案例研究：构建多晶型物库 045
3.7 案例研究：抗衡离子及其对选择性的影响 047
3.7.1 阴离子盐的鉴定 047
3.7.2 阳离子盐的选择性 048
3.8 案例研究：水分对硝酸铵峰的影响 048
3.9 案例研究：爆炸物子库的选择性 049
3.10 定量方法的发展 050
3.10.1 数据预处理 050
3.11 构建有意义的预测模型 052
3.12 案例研究：面粉样品中蛋白质水平的预测 053
3.12.1 基础模型的扩展步骤 055
3.13 结语 056
缩略语 056
参考文献 057
4 便携式光谱仪在化工行业中的应用 059
4.1 概述 059
4.2 工业应用综述 060
4.2.1 在石化和燃料中的应用 060
4.2.2 在化学品和材料中的应用 062
4.3 深入实例 064
4.3.1 用于在线涂层表征的便携式FTIR光谱仪 064
4.3.2 用于聚氨酯和聚脲泡沫的便携式NIR光谱仪 068
4.3.3 便携式拉曼光谱仪用于反应监测 071
4.4 结语和前景 073
缩略语 073
参考文献 074
5 便携式光谱仪在假冒伪劣药品分析中的应用 077
5.1 概述 077
5.1.1 法医和法律上的考虑因素 080
5.1.2 现场分析概述 082
5.2 现场分析光谱方法 083
5.2.1 振动光谱 083
5.2.2 气相色谱-质谱 095
5.3 部署系统 100
5.4 未来展望 102
致 谢 103
缩略语 103
参考文献 104
6 便携式光谱仪在法庭科学中的应用 110
6.1 呼气酒精测试 112
6.2 白色粉末攻击 115
6.3 非法毒品检测 118
6.4 假药检测 121
6.5 爆炸物检测 121
6.6 秘密实验室检测 122
6.7 可燃液体检测 123
6.8 展望 124
6.9 结语 125
致 谢 126
缩略语 126
参考文献 127
7 便携式光谱仪的军事应用 131
7.1 概述 131
7.2 可见光/近红外高光谱成像在散装炸药探测和破除伪装中的应用 132
7.3 红外光谱仪在远程危险气体探测和早期预警中的应用 132
7.4 红外和拉曼光谱在凝聚相分析（能源、化学试剂、生物试剂）中的应用 134
7.5 拉曼光谱在表面污染检测中的应用 135
7.6 拉曼光谱在推定生物危害分类和生物战剂攻击的早期预警中的应用 135
7.7 荧光光谱法作为生物检测的“触发器” 136
7.8 网络化多模态传感器和数据分析及展望 137
缩略语 137
参考文献 138
8 离子迁移谱的应用 140
8.1 概述 140
8.2 应用 142
8.2.1 军事应用——化学战剂和有毒工业化学品检测 142
8.2.2 航空工业——爆炸物检测与鉴定 145
8.2.3 监狱 148
8.2.4 其他应用 150
8.3 结语 152
缩略语 153
参考文献 154
9 便携式光谱仪在危险物质应急响应中的应用 158
9.1 危险物质管理 158
9.1.1 采集信息 159
9.2 定义任务：执行IC条例 159
9.2.1 角色分配 160
9.2.2 站点设置 160
9.2.3 信息共享 161
9.3 危化品储存与入库说明 162
9.3.1 技术选择 162
9.3.2 了解危险物质 162
9.3.3 pH试纸 164
9.3.4 LEL传感器 164
9.3.5 氧气传感器 164
9.3.6 光电离传感器 165
9.3.7 辐射监测器/探测器/标识符 165
9.3.8 情境 166
9.4 高压质谱 168
9.4.1 优势 168
9.4.2 劣势 168
9.5 拉曼光谱 168
9.5.1 优势 168
9.5.2 劣势 169
9.6 傅里叶变换红外光谱 169
9.6.1 优势 169
9.6.2 劣势 169
9.7 离子迁移谱 169
9.7.1 优势 169
9.7.2 劣势 170
9.8 气相色谱-质谱 170
9.8.1 优势 170
9.8.2 劣势 170
9.9 比色法 171
9.9.1 优势 171
9.9.2 劣势 171
9.10 质保与赔偿 171
9.11 缺陷 172
9.11.1 注意单位 172
9.11.2 交叉灵敏度 172
9.12 互补技术 172
9.13 缉获毒品分析科学工作组简介 172
9.14 缉获毒品分析科学工作组建议：它们与危险品现场的关系 173
9.15 辅助设备 173
缩略语 175
参考文献 176
10 智能手机光谱学和成像的临床应用 177
10.1 智能手机成像和光谱技术能力：概述 178
10.1.1 硬件 178
10.1.2 光学测量的类型 179
10.2 针对智能手机的临床生物标志物 181
10.3 智能手机在低成本和即时环境中的临床应用 184
10.3.1 LFA的替代方案 186
10.4 迈向初级保健或病理实验室设置的临床应用 187
10.4.1 多路和微流控液体系统 189
10.4.2 智能手机上的核酸检测 190
10.4.3 超越标准吸收/发射分析 192
10.5 智能手机上的显微镜和成像以及潜在的临床应用 193
10.6 在临床中使用智能手机进行光学测量：展望 195
缩略语 196
参考文献 197
11 手持式和便携式红外光谱技术的应用 202
11.1 快速响应 203
11.2 分散样品 206
11.3 无损检测 211
11.4 结语 216
缩略语 217
参考文献 217
12 台式傅里叶变换近红外光谱仪和小型手持式近红外光谱仪之间的光谱传递 221
12.1 概述 221
12.2 实验详情 225
12.2.1 材料 225
12.2.2 仪器仪表 226
12.2.3 数据评估 227
12.3 结果与讨论 227
12.3.1 PDS在有机溶剂三组分混合物光谱分析中的应用 227
12.3.2 三组分有机溶剂混合物传递光谱的诊断程序 228
12.3.3 用三组分有机溶剂混合物的转移光谱建立测试模型及测量目标光谱的预测 228
12.3.4 为PE开发PCA模型，作为光谱传递的性能测试 232
12.4 转移策略总结 233
12.4.1 用于定量应用的光谱传递 233
12.4.2 用于定性应用的光谱传递 233
12.5 结语 234
缩略语 234
参考文献 234
13 手持式近红外光谱仪的应用 236
13.1 概述 236
13.2 仪器 236
13.3 应用 237
13.4 手持式近红外光谱仪的定性应用 238
13.4.1 纺织品的鉴别 238
13.4.2 可回收聚合物的鉴定 240
13.4.3 根茎类药材产地溯源 241
13.4.4 果蔬新鲜度的测定 242
13.4.5 鱼类识别 243
13.5 手持式近红外光谱仪定量分析 245
13.5.1 苹果可溶性固形物含量的测定 245
13.5.2 丁香中成分的定量测定 246
13.5.3 药物制剂有效成分的定量分析 248
13.5.4 土壤中碳氢污染物的NIR定量分析 252
13.5.5 营养参数的定量测定 255
13.6 结语 258
致谢 259
缩略语 259
参考文献 260
14 XRF、LIBS、NMR 和 MS 在食品、饲料和农业中的应用 263
14.1 概述 263
14.1.1 食品质量控制问题 263
14.1.2 农业部门面临的挑战 264
14.2 便携式光谱仪在食品、饲料和农业中的应用 265
14.2.1 X射线荧光 265
14.2.2 激光诱导击穿光谱 269
14.2.3 核磁共振 272
14.2.4 质谱 275
14.3 当前的发展、仍然存在的挑战和未来前景 279
14.4 结语 279
缩略语 279
参考文献 281
15 食品分析中的便携式近红外光谱仪 285
15.1 概述 285
15.2 光谱 286
15.2.1 光谱范围 286
15.3 分析、取样和检测限 286
15.3.1 参比分析 287
15.3.2 类别分析与特定分析 288
15.3.3 确保所测物质为目标物质 288
15.3.4 光学系统注意事项 289
15.3.5 校准和验证样本 289
15.3.6 质量控制分析 289
15.3.7 数据解读 290
15.4 便携式近红外仪器在食品分析中的应用 291
15.4.1 农产品分析 291
15.4.2 水果分析 292
15.4.3 乳品分析 293
15.4.4 肉、禽、鱼分析 293
15.4.5 甜味剂分析 293
15.4.6 加工食品分析 293
15.5 结语 295
缩略语 295
参考文献 295
16 手持式拉曼、表面增强拉曼和空间位移拉曼光谱仪 304
16.1 概述 304
16.2 拉曼光谱：采样、技术基础和注意事项 305
16.3 手持拉曼设备 306
16.4 样品注意事项 307
16.4.1 荧光 307
16.4.2 样品加热 308
16.4.3 透过包装检测 308
16.5 可用性考虑 308
16.6 表面增强拉曼光谱 309
16.7 空间偏移拉曼光谱 311
16.8 远距离检测 313
16.9 技术组合 314
16.10 数据应用 315
16.11 军事识别应用 316
16.11.1 爆炸物 316
16.11.2 拉曼光谱的爆炸物识别能力 316
16.12 制药领域应用 318
16.13 麻醉品 321
16.14 新型精神活性物质 323
16.15 结语 325
致 谢 325
缩略语 325
参考文献 326
17 便携式拉曼光谱在野外地质学和天体生物学中的应用 329
17.1 简介 329
17.2 便携式拉曼光谱仪的诞生 330
17.2.1 火星探索：ExoMars 2022和Mars 2020任务的拉曼光谱编年史 336
17.2.2 对火星上生命特征的光谱探测 338
17.2.3 火星历史 338
17.2.4 火星的天体生物学和拉曼光谱的作用 338
17.2.5 光谱生物特征与生物标志物 339
17.2.6 地球上的极端环境：火星上的类似物 341
17.3 结语 343
地质学和生物学术语 344
缩略语 346
参考文献 346
18 高光谱近端传感仪器及其在覆盖探测中的应用 351
18.1 引言 351
18.2 现场可见近红外到短波红外光谱传感器 352
18.3 现场和实验室傅里叶变换红外光谱仪 355
18.4 高光谱岩心传感 357
18.5 数据预处理 358
18.5.1 光谱参考库 360
18.6 应用 360
18.6.1 遥感数据地面验证的现场光谱仪数据 360
18.6.2 测绘矿物系统中的物理化学梯度 362
18.6.3 从高光谱数据中建模地球化学指数 363
18.7 结语 365
致 谢 366
缩略语 366
参考文献 367
19 手持式X射线荧光分析仪 371
19.1 X射线荧光技术概述 371
19.2 手持式XRF分析仪的演变 373
19.3 当代HHXRF分析仪：构造和操作 374
19.3.1 HHXRF分析仪的主要功能模块 375
19.3.2 操作 378
19.3.3 典型技术规范 379
19.4 校准方法 380
19.4.1 经验校准曲线 380
19.4.2 基于基本参数的校准 381
19.5 HHXRF分析仪最重要的应用 382
19.5.1 合金的分析与鉴定 382
19.5.2 土壤中重金属的筛查 385
19.5.3 电子产品、消费品和儿童玩具的合规性筛查 387
19.5.4 家用涂料中铅含量的检测 389
19.5.5 其他应用 390
19.6 使用HHXRF时的安全注意事项 392
19.7 结语和展望 392
缩略语 393
参考文献 393
20 X射线荧光光谱和激光诱导击穿光谱在野外勘探中的应用 397
20.1 概述 397
20.2 X射线荧光光谱 399
20.2.1 背景 399
20.2.2 定性分析与定量分析 401
20.2.3 pXRF在野外地质中的应用 404
20.2.4 结语 411
20.3 野外勘探中的激光诱导击穿光谱 412
20.3.1 背景 412
20.3.2 LIBS的定性分析与定量分析 413
20.3.3 LIBS的地质应用 414
20.3.4 现场便携式和手持式LIBS 415
20.3.5 结语 425
20.4 野外便携式XRF和LIBS的目前潜力和未来发展 425
地质学和地球化学术语 426
缩略语 429
参考文献 431
21 用于文化遗产的便携式光谱技术：应用和实际挑战 438
21.1 概述 438
21.2 仪器 440
21.2.1 X射线荧光光谱仪 440
21.2.2 光纤反射光谱 440
21.2.3 拉曼光谱 441
21.2.4 傅里叶变换红外光谱 441
21.3 便携式光谱在文化遗产研究中的应用 442
21.3.1 元素光谱 442
21.3.2 电子光谱法 444
21.3.3 振动光谱 446
21.4 结语 454
致 谢 454
缩略语 455
参考文献 455
22 用于现场及原位考古研究的便携式光谱技术 461
22.1 概述 461
22.2 分子和振动光谱分析 462
22.2.1 拉曼光谱 462
22.2.2 傅里叶变换红外光谱 464
22.3 原子光谱分析 465
22.3.1 X射线荧光光谱 465
22.3.2 激光诱导击穿光谱 466
22.3.3 其他分析方法 467
22.4 案例研究：通过便携式X射线荧光光谱技术对意大利翁布里亚大区蒙泰鲁布利亚利奥的多相石塔进行表征 467
22.4.1 考古环境 467
22.4.2 城镇和塔楼 468
22.4.3 方法 468
22.4.4 结果和讨论 470
22.4.5 考古意义 473
22.5 结语 474
致 谢 474
缩略语 474
参考文献 474
23 便携式光谱的未来 480
23.1 概述 480
23.2 光谱学 480
23.3 通用技术改进 481
23.3.1 光学滤波器和阵列检测器 481
23.3.2 光源 482
23.4 拉曼光谱仪 482
23.4.1 机场瓶装液体筛查 483
23.5 XRF和LIBS 483
23.6 GC-MS和LC-MS 484
23.7 IMS和HPMS 484
23.8 NMR 485
23.9 联用 485
23.10 智能手机光谱仪 487
23.11 嵌入消费品中的光谱仪 487
23.11.1 Bosch “X-Spect” 487
23.11.2 Henkel “SalonLAB” 488
23.11.3 P&G Ventures“OptéTM” 488
23.11.4 BASF Trinamix “HertzstückTM” 未来餐厅 488
23.11.5 运动手表 488
23.11.6 汽车气味探测器 489
23.12 直接销售给消费者的光谱仪 489
23.13 便携式光谱仪的新应用 490
23.14 便携式高光谱成像 492
23.15 生物分析仪 493
23.16 算法、数据库和校准 494
23.17 结语 494
致 谢 494
缩略语 494
参考文献 496
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