微小型近紅外光譜儀及其應用

近些年，近紅外光譜分析技術得到了迅猛發(fā)展，該技術可直接對氣體、液體和固體等各種復雜混合物進行定性和定量分析，具有分析速度快、效率高，可實現(xiàn)無損和在線分析等優(yōu)勢，在科研和工農業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著越來越重要的作用。近紅外光譜分析儀的微小型化是一個重要的發(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)場快速分析是一種更經(jīng)濟、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，在農業(yè)、食品、醫(yī)藥、石油化工和安全等眾多領域獲得了廣泛的研究與應用。物聯(lián)網(wǎng)技術在智能農業(yè)、智能工廠、智能醫(yī)療和智慧城市等眾多領域的興起，成為推動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)麥姆斯咨詢報道，近期，中石化石油化工科學研究院的研究人員在《分析測試學報》期刊上發(fā)表了題為“微小型近紅外光譜儀的應用進展與展望”的綜述文章，通訊作者為褚小立教授級高工，主要從事光譜分析與化學計量學方法研究與應用。

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用進展，并對該技術的發(fā)展趨勢和應用前景進行了展望。

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驗室臺式近紅外光譜儀相比，便攜式近紅外光譜儀呈現(xiàn)出光學設計多樣化和新穎性的特點，為了保證分光器件的緊湊，這類儀器最明顯的性能特點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。

阿達瑪變換型光譜儀以一個可編程控制的阿達瑪變換MEMS芯片為核心分光器件（如圖1所示），使用單點檢測器。這類儀器的特點是光通量大，信噪比高，可以在短時間內獲得高質量的光譜，但光譜范圍相對較窄。美國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制器，既可實現(xiàn)順序掃描、間隔掃描，也可以通過編碼調制的方式實現(xiàn)阿達瑪變換掃描（如圖2所示），使用單點檢測器。這類儀器具有抗振動能力強、溫度適應性好、光譜分辨率可調等特點。美國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，兩塊玻璃板相對的內表面均具有高反射率，當入射光的頻率滿足共振條件時，其透射頻譜將出現(xiàn)很高的峰值，對應著高的透射率，通過改變兩塊玻璃之間的距離即可獲得不同頻率（波長）的單色光（圖3）。這種儀器的特點是體積小、重量輕，易于批量化生產(chǎn)，但光譜范圍相對較窄。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，在制作時向特定方向形成楔形鍍層（圖4）。由于通帶的中心波長與膜層厚度相關，因此濾光片的穿透波長將向楔形方向線性變化。與陣列式探測器的結合使得這類儀器結構非常緊湊，具有優(yōu)良的抗振動性和極快的掃描速度。美國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和機械組件集成在單個MEMS芯片上，甚至可以將微鏡直接和光子探測器及光源集成在一起，從而實現(xiàn)芯片級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、性價比高等特點，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構示意圖

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器光學設計的AURA手持式近紅外光譜儀（德國Carl Zeiss公司）、StellarCASE便攜式近紅外光譜儀（美國StellarNet公司），以及多款果品專用的便攜式近紅外光譜儀，如F－750手持式果品品質分析儀（美國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。我國相關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，例如無錫迅杰光遠、廣州星創(chuàng)、杭州聚光等。

應用方向

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

農業(yè)與林業(yè)

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

食品與藥品

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

刑偵安全

在法庭科學領域，微小型近紅外光譜儀已應用于刑事案件、交通肇事案件等有關物證的分析，作為預篩選樣本檢測的一種手段，可以快速幫助犯罪現(xiàn)場的調查。

其它

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

展望

國際上近紅外光譜分析儀器的微小型化是一個重要的發(fā)展方向，市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種微小型的近紅外光譜儀。物聯(lián)網(wǎng)技術成為推動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范圍等性能指標所限，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較差，一些應用尚達不到實驗室臺式儀器的效果。

但可以預見的是，隨著新原理、新材料和新加工制作技術的發(fā)展，不論何種分光方式的便攜式近紅外光譜儀，其針對特定應用場景的特定性能將得到進一步改進和優(yōu)化，各種類型儀器的整體性能也將會越來越好。

微型近紅外光譜儀也將在多波段、多光譜數(shù)據(jù)融合方面扮演越來越重要的角色。除光譜儀硬件的改進外，化學計量學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用過程中得到保證，建立儀器安裝和運行確認（IQOQ）程序也非常重要。

在應用方面，微小型近紅外光譜儀作為物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點的核心感知部件之一，在食品和藥品等人們日常用品中的應用將會越來越廣泛。未來微小型近紅外光譜儀器與智能手機和云平臺的緊密結合，將使數(shù)據(jù)傳輸和存儲更加靈活和便捷，也將為大數(shù)據(jù)分析和應用奠定基礎。因此，可以預期，未來微型近紅外光譜儀器的用戶主體將不是光譜分析工作者，而是普通的消費者，即消費級的應用將占主體。

本研究項目獲得了國家重點研發(fā)計劃項目（2017YFB0306501）的支持。

來源：MEMS