论文标题：Mid-Infrared Spectrometer for Black Plastics Sorting Using a Broadband Uncooled Micro-Bolometer Array

论文链接：https://www.mdpi.com/2813-446X/3/2/13

期刊名：Spectroscopy Journal

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/spectroscj

研究背景

随着全球对循环经济的迫切需求，塑料废物的高效回收与管理已成为重大的环境与产业挑战。实现高回收率的关键在于精准、快速的塑料分选技术。近红外-短波红外（NIR-SWIR）光谱技术虽已广泛应用于分选线，但其光谱范围较窄，难以区分高密度与低密度聚乙烯等化学成分相近的塑料，并且完全无法识别含有炭黑染料的黑色塑料，而这些黑色塑料在汽车部件、电子产品包装等高价值应用领域占有显著比例。此外，实验室级的参考仪器傅里叶变换红外（FTIR）光谱仪虽覆盖完整中红外波段，但其结构复杂、存在运动部件、成本高昂且无法实现瞬时测量，难以部署于现场或便携设备中。本文旨在解决如何利用一种新型、经济、紧凑且无需制冷的光谱技术，实现对包括黑色塑料在内的多种塑料进行准确、快速的现场分选这一核心问题。

研究内容

本研究报道了一种基于新型非制冷宽带微测辐射热计焦平面阵列的中红外光谱仪原理验证。该传感器（PICO640S BB， Lynred）对3-14微米的中红外波段敏感，覆盖了包含有机物“指纹区”在内的广阔光谱范围。研究团队将其集成于一个经典的光学色散光谱仪结构中，该结构由抛物面反射镜、硒化锌棱镜和透镜组构成，并使用一个高效、紧凑的黑体辐射源（HIS2000R-0WC）进行照明。整个系统设计紧凑，光路总长约30厘米，且光学与照明模块的功耗极低（约3W），非常适合集成到便携式、电池供电的设备中。与需要低温制冷的InSb或HgCdTe探测器方案相比，该方案的核心优势在于传感器无需制冷即可工作，且成本大幅降低；与传统的热释电线性阵列传感器相比，其噪声等效功率（约4.5 pW）提升了约244倍，显著提高了信噪比。该光谱仪能够在一次测量中瞬时获取整个宽谱带的光谱信息，兼具了FTIR的宽谱带覆盖优势与色散光谱仪的简单、无运动部件特性。

研究人员利用该原理验证系统对聚丙烯（PP）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚乙烯（PE）等多种塑料样本（包括透明和黑色样本）进行了反射光谱测量。结果表明，在中红外波段，不同类型塑料的光谱特征丰富且差异明显，即使是化学成分相近的高密度与低密度聚乙烯也易于区分。更重要的是，对于含有炭黑染料的黑色塑料，尽管信号整体有所衰减，但关键的光谱特征信息得以保留，系统仍能对其进行有效分析。为评估其应用潜力，研究建立了一个包含40个样本（PP， PET， PE）的小型光谱数据库，并采用主成分分析（PCA）进行降维和可视化。数据显示，不同类别的塑料样本在由三个主成分构成的三维空间中形成了界限清晰的独立聚类。在此基础上，使用线性支持向量机（SVM）分类器对样本类型进行预测，在交叉验证中达到了100%的准确率。这初步证明了该系统在塑料分选应用中的有效性与高精度潜力。

研究总结

本研究成功验证了一种基于非制冷宽带微测辐射热计阵列的新型中红外光谱仪概念。该仪器覆盖了传统上仅由实验室FTIR设备主导的宽中红外光谱范围，同时具备了结构紧凑、无运动部件、成本相对较低、可瞬时测量以及低功耗等突出优点，为实现便携式现场光谱分析设备提供了可行的技术路径。在塑料分选这一具体应用中，该技术展现出了超越现有NIR-SWIR方案的显著优势：不仅能够更准确地区分化学成分相近的塑料类型，更关键的是，它首次使经济、便携地分选黑色塑料成为可能，有望填补当前回收产业链中的一项重要技术空白。尽管作为原理验证，其在光谱分辨率和适用于高速传送带（>1米/秒）方面仍有提升空间，例如可通过定制衍射光栅、优化照明以及利用其VGA格式传感器阵列实现推扫式高光谱成像来进一步改进性能。这项研究标志着中红外光谱技术向实用化、现场化迈出了重要一步，其应用前景不仅限于塑料回收，还可广泛延伸至有机化合物分析、农业、食品、制药等多个领域。

Spectroscopy Journal 期刊介绍

主编： Prof. Dr. Clemens Burda, Department of Chemistry, Case Western Reserve University, Millis Science Center, 10900 Euclid Ave., Cleveland, OH 44106, USA

我们鼓励科学家在光谱技术的各个方面、特性表征、理论以及其他光谱发展领域发表他们的实验和理论研究成果。光谱学涉及物质与电磁频谱任何部分之间的相互作用，并应用于所有学科，包括物理学、化学、生物化学、生物学、空间科学、材料科学和工程学等领域。来自非光子实验（如电子、中子和质子实验）的贡献同样受欢迎。

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