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，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，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(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(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，既可實現(xiàn)順序掃描、間隔掃描，也可以通過編碼調(diào)制的方式實現(xiàn)阿達(dá)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(qiáng)、溫度適應(yīng)性好、光譜分辨率可調(diào)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(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(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，而是普通的消費者，即消費級的應(yīng)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