【導讀】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)可直接對氣體、液體和固體等各種復雜混合物進(jìn)行定性和定量分析，具有分析速度快、效率高，可實(shí)現無(wú)損和在線(xiàn)分析等優(yōu)勢，在科研和工農業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著(zhù)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，近期出現了眾多不同類(lèi)型的商品化微小型近紅外光譜儀器。手持式或便攜式現場(chǎng)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(kāi)發(fā)等優(yōu)點(diǎn)，在農業(yè)、食品、醫藥、石油化工和安全等眾多領(lǐng)域獲得了廣泛的研究與應用。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能農業(yè)、智能工廠(chǎng)、智能醫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(zhù)微型化方向發(fā)展的主要力量。
據麥姆斯咨詢(xún)報道，近期，中石化石油化工科學(xué)研究院的研究人員在《分析測試學(xué)報》期刊上發(fā)表了題為“微小型近紅外光譜儀的應用進(jìn)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(xué)計量學(xué)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(jìn)展，并對該技術(shù)的發(fā)展趨勢和應用前景進(jìn)行了展望。
微小型儀器的分光類(lèi)型
與以傅里葉變換和光柵掃描為主的實(shí)驗室臺式近紅外光譜儀相比，便攜式近紅外光譜儀呈現出光學(xué)設計多樣化和新穎性的特點(diǎn)，為了保證分光器件的緊湊，這類(lèi)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(lèi)型主要有阿達瑪變換（Hadamard-transform，HT）、數字微鏡陣列（Digital micromirror device，DMD）、法布里－珀羅干涉儀（Fabry－Perot，FPI）和線(xiàn)性漸變?yōu)V波器（Linear variable filter，LVF）等。
阿達瑪變換型光譜儀以一個(gè)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(diǎn)檢測器。這類(lèi)儀器的特點(diǎn)是光通量大，信噪比高，可以在短時(shí)間內獲得高質(zhì)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數字微鏡陣列的色散光譜調制器，既可實(shí)現順序掃描、間隔掃描，也可以通過(guò)編碼調制的方式實(shí)現阿達瑪變換掃描（如圖2所示），使用單點(diǎn)檢測器。這類(lèi)儀器具有抗振動(dòng)能力強、溫度適應性好、光譜分辨率可調等特點(diǎn)。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(mǎn)足共振條件時(shí)，其透射頻譜將出現很高的峰值，對應著(zhù)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(cháng)）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(lèi)似的產(chǎn)品，波長(cháng)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(xiàn)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(cháng)與膜層厚度相關(guān)，因此濾光片的穿透波長(cháng)將向楔形方向線(xiàn)性變化。與陣列式探測器的結合使得這類(lèi)儀器結構非常緊湊，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(xiàn)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器及光源集成在一起，從而實(shí)現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?xún)r(jià)比高等特點(diǎn)，但與傳統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(xué)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(zhuān)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(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、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(lái)越緊密，為其廣泛應用提供了無(wú)限可能，其在各領(lǐng)域的應用詳見(jiàn)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(zhù)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、真偽以及類(lèi)別識別方面。
刑偵安全
在法庭科學(xué)領(lǐng)域，微小型近紅外光譜儀已應用于刑事案件、交通肇事案件等有關(guān)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場(chǎng)的調查。
其它
除上述應用外，微小型近紅外光譜儀還在醫學(xué)、礦物、文物等領(lǐng)域有著(zhù)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(gè)重要的發(fā)展方向，市場(chǎng)上已經(jīng)出現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(zhù)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(cháng)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(shí)驗室臺式儀器的效果。
但可以預見(jiàn)的是，隨著(zhù)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，其針對特定應用場(chǎng)景的特定性能將得到進(jìn)一步改進(jìn)和優(yōu)化，各種類(lèi)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、多光譜數據融合方面扮演越來(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用過(guò)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)節點(diǎn)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(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和云平臺的緊密結合，將使數據傳輸和存儲更加靈活和便捷，也將為大數據分析和應用奠定基礎。因此，可以預期，未來(lái)微型近紅外光譜儀器的用戶(hù)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(diǎn)研發(fā)計劃項目（2017YFB0306501）的支持。
來(lái)源：MEMS
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