重塑近紅外光譜的新技術

近紅外光譜是振動光譜技術的分支，主要是指750-2500nm的分子吸收光譜，在工業和(hé)醫(yī)藥領域有(yǒu)着廣泛的應用。近紅外吸收對于氫（H）與較重原子結合的官能團如羟基（OH）和(hé)氨基（NH）官能團非常活躍，這使近紅外光譜成為(wèi)分析許多(duō)有(yǒu)機化合物如水(shuǐ)分和(hé)蛋白質濃度等特性的理(lǐ)想方法。

曆史概述
    自從天文學家(jiā)威廉·赫歇爾（William Herschel）在1800年發現紅外光後的不到100年裏，科學家(jiā)們開(kāi)始使用近紅外光譜進行(xíng)化學分析²。但(dàn)直到1950年，*商用近紅外光譜儀才開(kāi)始面市。而随着計算(suàn)機和(hé)電(diàn)子技術在1980年代末期和(hé)1990年代初的蓬勃發展，近紅外光譜技術才在接下來(lái)的20年中不斷進步，并成為(wèi)被廣泛應用的技術。如今，近紅外光譜技術被廣泛用于農産品的檢測和(hé)生(shēng)物醫(yī)學診斷。為(wèi)了便于推廣到更多(duō)的應用領域中，商品化的近紅外光譜儀也推出了多(duō)種系統配置。比如，近紅外光譜儀有(yǒu)在實驗室中使用的光譜儀，工業過程控制(zhì)用光譜儀，便攜式/手持式光譜儀和(hé)模塊化近紅外光譜儀。

    下面我們通(tōng)過研究三個(gè)有(yǒu)代表性的案例來(lái)回顧近紅外光譜儀技術的發展現狀：首先，MEMS技術如何促進近紅外光譜儀的超小(xiǎo)型化，從而推動了下一代手持技術的發展。第二，在近紅外光譜儀發展中起到關鍵作(zuò)用模塊化光纖光譜儀。後，嵌入式近紅外解決方案如何在工業生(shēng)産過程中來(lái)控制(zhì)産品質量。

超小(xiǎo)型光譜儀
    盡管有(yǒu)多(duō)種使光譜儀小(xiǎo)型化的方法，但(dàn)以較小(xiǎo)的外形尺寸獲得(de)高(gāo)質量光譜數據的有(yǒu)效方法是使用微機電(diàn)系統（MEMS）。在這些(xiē)微型光譜儀中，MEMS技術通(tōng)常用于制(zhì)造幹涉儀，比如毫米級的傅立葉變換和(hé)法布裏幹涉儀，它們可(kě)以與單點探測器(qì)一起來(lái)得(de)到高(gāo)質量的光譜。這些(xiē)基于MEMS技術的光譜儀還(hái)可(kě)以集成緊湊型鎢燈或近紅外LED，變成一台超緊湊的近紅外光譜儀系統。一個(gè)例子是芬蘭Spectral Engines公司的NIRONE傳感器(qì)（圖1）。

圖1. NIRONE傳感器(qì)重15克，包括一個(gè)基于MEMS技術的Fabry-Pérot幹涉儀，一個(gè)InGaAs光電(diàn)探測器(qì)，兩個(gè)鎢燈以及所有(yǒu)控制(zhì)、數據處理(lǐ)和(hé)通(tōng)信的電(diàn)路闆，體(tǐ)積為(wèi)2.5-×2.5-×1.75-cm。

超小(xiǎo)型MEMS近紅外傳感器(qì)的出現極大(dà)地促進了便攜式和(hé)手持式近紅外光譜應用系統的發展，常見的應用包括材料識别，驗證和(hé)分類。圖2給出了一些(xiē)塑料和(hé)紡織品的示例光譜。

圖2.塑料（頂部）和(hé)紡織品（底部）的近紅外光譜示例，該光譜用于借助NIRONE傳感器(qì)開(kāi)發材料識别庫。由Spectral Engines提供。

此外，這些(xiē)MEMS傳感器(qì)還(hái)可(kě)以與現代無線通(tōng)信技術結合起來(lái)，這将在智能雲中創建多(duō)達數千個(gè)近紅外傳感器(qì)的分布式網絡，以進行(xíng)快速數據收集和(hé)分析。這個(gè)網絡可(kě)以分布在整個(gè)工業處理(lǐ)設備中，以實現下一代過程分析技術；也可(kě)以用于廣泛的消費級測試應用中，每個(gè)設備可(kě)以連接到機器(qì)學習數據庫，以改善每次掃描的表現。

模塊化光纖光譜儀

盡管超緊湊型光譜儀具有(yǒu)許多(duō)優勢并且正在迅速促進便攜式近紅外光譜儀的發展，但(dàn)對于許多(duō)應用而言，傳統的Czerny-Turner色散光譜儀仍然是優先選擇。即使某些(xiē)儀器(qì)制(zhì)造商喜歡自己搭建光譜儀，但(dàn)大(dà)多(duō)數公司發現使用專業光譜儀制(zhì)造商生(shēng)産的模塊化光纖光譜儀會(huì)更具優勢。

自從1990年代發明(míng)了光纖光譜儀以來(lái)，它們已經發展得(de)非常成熟，并為(wèi)OEM系統集成商提供了标準化的即插即用式光譜儀解決方案。這使儀器(qì)設計人(rén)員得(de)以專注于系統級性能，應用程序和(hé)用戶接口，而無需設計自己的光譜儀。光纖光譜儀的光纖耦合設計可(kě)以使近紅外光譜儀不需要緊挨着樣品進行(xíng)測量，例如，系統設計者可(kě)以使用多(duō)種光纖探頭，包括反射探頭和(hé)透射探頭，它們的長度可(kě)以達到幾十到幾百米，從而可(kě)以在惡劣的環境中對樣品進行(xíng)測量。

圖3展示了一種即插即用式OEM近紅外光譜儀模塊，這些(xiē)模塊化儀器(qì)可(kě)配置多(duō)種寬度的入口狹縫和(hé)衍射光栅，使系統集成商能夠在光譜範圍，分辨率和(hé)靈敏度之間(jiān)進行(xíng)平衡。例如，如果某個(gè)應用需要非常高(gāo)的分辨率，則可(kě)以選擇25 µm的狹縫，從而得(de)到高(gāo)達1.5 nm的光譜分辨率。但(dàn)是，如果光譜分辨率不是很(hěn)重要，但(dàn)是靈敏度至關重要，則可(kě)以選擇500 µm的狹縫，從而得(de)到非常高(gāo)的靈敏度。

圖3. AvaSpec-Mini-NIR對稱Czerny-Turner光譜儀。由Avantes提供。

這種模塊化設計的光譜儀可(kě)以使系統集成商選擇不同的線性陣列探測器(qì)，以實現在900nm到2500 nm範圍的測量，例如選擇256像素或512像素，帶或者不帶熱電(diàn)制(zhì)冷功能等。同樣，系統集成商還(hái)可(kě)以選擇自己設計驅動電(diàn)路闆或使用光譜儀制(zhì)造商的驅動電(diàn)路。由于這些(xiē)因素，固定光栅的Czerny-Turner式光譜儀模塊已成為(wèi)OEM系統工程師(shī)在過程控制(zhì)和(hé)實驗室應用中的行(xíng)業标準。

嵌入式定制(zhì)化解決方案

同樣重要的是，近出現了将光譜儀作(zuò)為(wèi)解決方案中的傳感器(qì)而不隻是光譜儀的新趨勢。在過去的十年中，随着技術變得(de)更加人(rén)性化和(hé)直觀，許多(duō)用戶不再滿意所購買的儀器(qì)僅能測量光譜，而轉向尋找一種可(kě)以提供針對特定應用的可(kě)以直接提供與過程相關的分析數據的完整解決方案。因此，德國tec5 AG等公司将光譜儀與定制(zhì)的光學，機械，電(diàn)子和(hé)嵌入式軟件功能結合起來(lái)，為(wèi)終用戶提供了定制(zhì)化的嵌入式近紅外傳感器(qì)解決方案，并赢得(de)了聲譽。

嵌入式近紅外傳感器(qì)用于在線定量分析的一個(gè)例子是在電(diàn)化學電(diàn)鍍機中測量銅（Cu）和(hé)鐵(tiě)（Fe），這是德國tec5與德國Atotech GmbH合作(zuò)的範例（圖4）。類似的定制(zhì)化近紅外傳感器(qì)已被廣泛應用于各種工業領域中，比如制(zhì)藥領域中監控片劑膜層的厚度以及活性藥物成分的濃度，食品加工行(xíng)業的來(lái)料檢測和(hé)成品質量控制(zhì)。

圖4.集成式電(diàn)化學電(diàn)鍍機，對銅和(hé)鐵(tiě)在線分析。由德國Atotech提供。

這個(gè)定制(zhì)化光譜傳感器(qì)解決方案的核心是其嵌入式數據處理(lǐ)功能，該功能允許用戶把算(suàn)法寫入到闆卡控制(zhì)器(qì)中，可(kě)以實現對光譜的計算(suàn)處理(lǐ)，包括多(duō)變量數據分析。這些(xiē)類型的NIR傳感器(qì)計算(suàn)電(diàn)子設備中的測量或測試結果，以供過程控制(zhì)系統直接使用，從而提供無需PC即可(kě)使用的即用型解決方案。除了無需使用基于PC的軟件外，這種傳感器(qì)概念還(hái)使用戶能夠通(tōng)過各種工業接口直接自動接收通(tōng)過/不通(tōng)過讀數以及所有(yǒu)其他與過程相關的反饋，從而使非技術操作(zuò)人(rén)員也可(kě)以使用此技術。

展望未來(lái)

在過去的70年中，近紅外光譜儀已經從大(dà)型實驗室設備演變成可(kě)以緊湊地集成到過程中的超緊湊型分布式傳感器(qì)，從而使大(dà)多(duō)數操作(zuò)員都不知道(dào)該設備的存在，而大(dà)型實驗室設備需要一組訓練有(yǒu)素的科學家(jiā)進行(xíng)操作(zuò)。這些(xiē)技術進步為(wèi)NIR光譜學開(kāi)辟了一些(xiē)新的應用空(kōng)間(jiān)。雖然無法準确預測未來(lái)70年的技術進步将帶來(lái)什麽，但(dàn)是可(kě)以肯定的是，緊湊型，模塊化和(hé)适用于解決方案的趨勢将繼續存在。這是在可(kě)預見的将來(lái)，包括NIR分析儀在內(nèi)的分子光譜市場(chǎng)預計将繼續以7％¹⁰的複合年增長率增長的部分原因。
 

  注1：德國 Nynomic AG是一家(jiā)在德國法蘭克福上(shàng)市的集團公司，公司緻力于為(wèi)廣大(dà)客戶提供非接觸式、無損光學解決方案。荷蘭Avantes BV公司（光纖光譜儀供應商）、德國tec5 AG公司（定制(zhì)化、在線光學測量解決方案供應商）、芬蘭Spectral Engines Oy公司（MEMS技術微型NIR光譜儀供應商）均為(wèi)Nynomic AG集團旗下子公司。目前，Avantes China和(hé)tec5 China為(wèi)其在中國的子公司，可(kě)以為(wèi)中國客戶提供服務。

注2：本文作(zuò)者為(wèi)Robert V. Chimenti先生(shēng)。為(wèi)了方便讀者閱讀，譯文較原文有(yǒu)删減。
 

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