微小型近紅外光譜儀及其應(yīng)用

近些年，近紅外光譜分析技術(shù)得到了迅猛發(fā)展，該技術(shù)可直接對(duì)氣體、液體和固體等各種復(fù)雜混合物進(jìn)行定性和定量分析，具有分析速度快、效率高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)損和在線分析等優(yōu)勢(shì)，在科研和工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。近紅外光譜分析儀的微小型化是一個(gè)重要的發(fā)展方向，近期出現(xiàn)了眾多不同類型的商品化微小型近紅外光譜儀器。手持式或便攜式現(xiàn)場(chǎng)快速分析是一種更經(jīng)濟(jì)、更高效、更靈活的方法，具有小體積、低功耗、低成本、便于二次開發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)業(yè)、食品、醫(yī)藥、石油化工和安全等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的研究與應(yīng)用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農(nóng)業(yè)、智能工廠、智能醫(yī)療和智慧城市等眾多領(lǐng)域的興起，成為推動(dòng)近紅外光譜傳感器向著微型化方向發(fā)展的主要力量。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，中石化石油化工科學(xué)研究院的研究人員在《分析測(cè)試學(xué)報(bào)》期刊上發(fā)表了題為“微小型近紅外光譜儀的應(yīng)用進(jìn)展與展望”的綜述文章，通訊作者為褚小立教授級(jí)高工，主要從事光譜分析與化學(xué)計(jì)量學(xué)方法研究與應(yīng)用。

該文主要綜述了近些年新型的商品化微小型（便攜式、手持式和袖珍式）近紅外光譜儀器及其應(yīng)用進(jìn)展，并對(duì)該技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

微小型儀器的分光類型

與以傅里葉變換和光柵掃描為主的實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式近紅外光譜儀相比，便攜式近紅外光譜儀呈現(xiàn)出光學(xué)設(shè)計(jì)多樣化和新穎性的特點(diǎn)，為了保證分光器件的緊湊，這類儀器最明顯的性能特點(diǎn)是較窄的光譜掃描范圍和較低的光譜分辨率，并在微型化、光譜性能和儀器成本之間尋求平衡。近些年新型商品化的便攜式近紅外光譜儀的分光類型主要有阿達(dá)瑪變換（Hadamard-transform，HT）、數(shù)字微鏡陣列（Digital micromirror device，DMD）、法布里－珀羅干涉儀（Fabry－Perot，F(xiàn)PI）和線性漸變?yōu)V波器（Linear variable filter，LVF）等。

阿達(dá)瑪變換型光譜儀以一個(gè)可編程控制的阿達(dá)瑪變換MEMS芯片為核心分光器件（如圖1所示），使用單點(diǎn)檢測(cè)器。這類儀器的特點(diǎn)是光通量大，信噪比高，可以在短時(shí)間內(nèi)獲得高質(zhì)量的光譜，但光譜范圍相對(duì)較窄。美國(guó)Thermo公司的MicroPHAZIR便攜式近紅外光譜儀采用這種分光方式。

圖1 MEMS阿達(dá)瑪變換光譜儀示意圖

基于MEMS數(shù)字微鏡陣列的色散光譜調(diào)制器，既可實(shí)現(xiàn)順序掃描、間隔掃描，也可以通過(guò)編碼調(diào)制的方式實(shí)現(xiàn)阿達(dá)瑪變換掃描（如圖2所示），使用單點(diǎn)檢測(cè)器。這類儀器具有抗振動(dòng)能力強(qiáng)、溫度適應(yīng)性好、光譜分辨率可調(diào)等特點(diǎn)。美國(guó)Texas Instruments的NIRscan微型近紅外光譜采用這種分光方式。加拿大Tellspec公司使用DMD芯片研發(fā)了手持式微型近紅外光譜食物成分分析儀。

圖2 MEMS數(shù)字微鏡陣列光譜儀光路示意圖

法布里－珀羅干涉儀是由兩塊平行的玻璃板組成的多光束干涉儀，兩塊玻璃板相對(duì)的內(nèi)表面均具有高反射率，當(dāng)入射光的頻率滿足共振條件時(shí)，其透射頻譜將出現(xiàn)很高的峰值，對(duì)應(yīng)著高的透射率，通過(guò)改變兩塊玻璃之間的距離即可獲得不同頻率（波長(zhǎng)）的單色光（圖3）。這種儀器的特點(diǎn)是體積小、重量輕，易于批量化生產(chǎn)，但光譜范圍相對(duì)較窄。芬蘭Spectral Engines公司的NIR ONE系列光譜儀產(chǎn)品采用這種分光方式，日本Hamamatsu公司也研制出了類似的產(chǎn)品，波長(zhǎng)范圍為1550~1850nm，光譜儀的重量在1g左右。

圖3 法布里－珀羅干涉儀原理示意圖

線性漸變?yōu)V光片是一種特殊的帶通濾光片，在制作時(shí)向特定方向形成楔形鍍層（圖4）。由于通帶的中心波長(zhǎng)與膜層厚度相關(guān)，因此濾光片的穿透波長(zhǎng)將向楔形方向線性變化。與陣列式探測(cè)器的結(jié)合使得這類儀器結(jié)構(gòu)非常緊湊，具有優(yōu)良的抗振動(dòng)性和極快的掃描速度。美國(guó)Viavi公司的MicroNIR微型近紅外光譜儀采用了這種分光方式。

圖4 線性漸變?yōu)V光片分光原理示意圖

MEMS傅里葉變換干涉儀將所有光學(xué)和機(jī)械組件集成在單個(gè)MEMS芯片上，甚至可以將微鏡直接和光子探測(cè)器及光源集成在一起，從而實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)傅里葉變換光譜儀功能，如圖5所示。這種儀器具有光譜范圍寬、性價(jià)比高等特點(diǎn)，但與傳統(tǒng)傅里葉變換光譜儀相比，其分辨率和信噪比相對(duì)較差。埃及Si－Ware公司的NeoSpectra微型光譜儀采用的這種分光方式。

圖5 MEMS傅里葉變換干涉儀芯片結(jié)構(gòu)示意圖

除了上述新型的分光方式外，還有一些基于傳統(tǒng)分光方式的便攜式近紅外光譜儀器。如基于固定光柵和陣列檢測(cè)器光學(xué)設(shè)計(jì)的AURA手持式近紅外光譜儀（德國(guó)Carl Zeiss公司）、StellarCASE便攜式近紅外光譜儀（美國(guó)StellarNet公司），以及多款果品專用的便攜式近紅外光譜儀，如F－750手持式果品品質(zhì)分析儀（美國(guó)Felix公司）、K－BA100R分析儀（日本Kubota公司）、FQA－NIR Gun分析儀（日本Fantec公司）和DA－Meter分析儀（意大利Sinteleia SrL公司）等。我國(guó)相關(guān)單位也在微型近紅外光譜儀的研制方面做了大量的工作，且已有商品化的微型近紅外光譜儀器面世，例如無(wú)錫迅杰光遠(yuǎn)、廣州星創(chuàng)、杭州聚光等。

應(yīng)用方向

近些年，微小型近紅外光譜儀器與智能手機(jī)、云計(jì)算和物聯(lián)網(wǎng)等的結(jié)合越來(lái)越緊密，為其廣泛應(yīng)用提供了無(wú)限可能，其在各領(lǐng)域的應(yīng)用詳見論文。

農(nóng)業(yè)與林業(yè)

微小型近紅外光譜儀器在農(nóng)業(yè)（例如土壤、飼料、果品等方面）與林業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，其中在果品分析中的應(yīng)用最為廣泛和成熟。

食品與藥品

微小型近紅外光譜儀在食品和藥品中的應(yīng)用主要集中在摻假鑒別、真?zhèn)我约邦悇e識(shí)別方面。

刑偵安全

在法庭科學(xué)領(lǐng)域，微小型近紅外光譜儀已應(yīng)用于刑事案件、交通肇事案件等有關(guān)物證的分析，作為預(yù)篩選樣本檢測(cè)的一種手段，可以快速幫助犯罪現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查。

其它

除上述應(yīng)用外，微小型近紅外光譜儀還在醫(yī)學(xué)、礦物、文物等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

展望

國(guó)際上近紅外光譜分析儀器的微小型化是一個(gè)重要的發(fā)展方向，市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了多種微小型的近紅外光譜儀。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)成為推動(dòng)近紅外光譜傳感器向著微型化方向發(fā)展的主要力量。但是，由于便攜式儀器受波長(zhǎng)范圍等性能指標(biāo)所限，例如儀器的波段較窄，分辨率較寬，儀器之間的一致性也相對(duì)較差，一些應(yīng)用尚達(dá)不到實(shí)驗(yàn)室臺(tái)式儀器的效果。

但可以預(yù)見的是，隨著新原理、新材料和新加工制作技術(shù)的發(fā)展，不論何種分光方式的便攜式近紅外光譜儀，其針對(duì)特定應(yīng)用場(chǎng)景的特定性能將得到進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，各種類型儀器的整體性能也將會(huì)越來(lái)越好。

微型近紅外光譜儀也將在多波段、多光譜數(shù)據(jù)融合方面扮演越來(lái)越重要的角色。除光譜儀硬件的改進(jìn)外，化學(xué)計(jì)量學(xué)算法的提升也不容忽視。此外，為保證微小型光譜儀的性能在應(yīng)用過(guò)程中得到保證，建立儀器安裝和運(yùn)行確認(rèn)（IQOQ）程序也非常重要。

在應(yīng)用方面，微小型近紅外光譜儀作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的核心感知部件之一，在食品和藥品等人們?nèi)粘Ｓ闷分械膽?yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣泛。未來(lái)微小型近紅外光譜儀器與智能手機(jī)和云平臺(tái)的緊密結(jié)合，將使數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)更加靈活和便捷，也將為大數(shù)據(jù)分析和應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。因此，可以預(yù)期，未來(lái)微型近紅外光譜儀器的用戶主體將不是光譜分析工作者，而是普通的消費(fèi)者，即消費(fèi)級(jí)的應(yīng)用將占主體。

本研究項(xiàng)目獲得了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（2017YFB0306501）的支持。

來(lái)源：MEMS