【導(dǎo)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(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)無損和在線分析等優(yōu)勢，在科研和工農(nóng)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(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(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(yīng)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(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，并對該技術(shù)的發(fā)展趨勢和應(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(xué)設(shè)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)檢測器。這類儀器的特點(diǎn)是光通量大，信噪比高，可以在短時間內(nèi)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(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)檢測器。這類儀器具有抗振動能力強(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(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，其透射頻譜將出現(xiàn)很高的峰值，對應(yīng)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(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(guān)，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(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(xué)和機(jī)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(shí)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(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器光學(xué)設(shè)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(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)、云計算和物聯(lián)網(wǎng)等的結(jié)合越來越緊密，為其廣泛應(yīng)用提供了無限可能，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)篩選樣本檢測的一種手段，可以快速幫助犯罪現(xiàn)場的調(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(shù)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(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較差，一些應(yīng)用尚達(dá)不到實(shí)驗室臺式儀器的效果。
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，其針對特定應(yīng)用場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(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(yīng)用過程中得到保證，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)用將會越來越廣泛。未來微小型近紅外光譜儀器與智能手機(jī)和云平臺的緊密結(jié)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(yīng)用奠定基礎(chǔ)。因此，可以預(yù)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(fèi)者，即消費(fèi)級的應(yīng)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。
來源：MEMS
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