微型光纖光譜儀在過程監測中的應用

圖4 各式光纖探頭

　　圖4-A是透射式浸入探頭，在探頭末端有(yǒu)一段1mm、2.5mm或5mm的缺口，光通(tōng)過此物理(lǐ)間(jiān)隙由底部的白色漫反射材料反射回連接到光譜儀的光纖，信号進入儀器(qì)內(nèi)進行(xíng)檢測。通(tōng)過把探頭浸入或固定在液體(tǐ)中，可(kě)在線測量吸收率。圖4-B是工業用熒光探頭，它在反射式探頭末端加裝特殊的附件，變為(wèi)一個(gè)45。角的前端視(shì)窗，該附件可(kě)有(yǒu)效防止周圍環境光進入探頭，并屏蔽激發光來(lái)增強熒光信号。被測液體(tǐ)光程還(hái)可(kě)在0-5mm之間(jiān)調節。
由于拉曼散射信号較弱，受幹擾影(yǐng)響大(dà)，故用于拉曼光譜測量的光纖探頭光路設計較為(wèi)特别(圖5所示)。

 圖5 拉曼光纖探頭的光路設計

　　其中的陷波濾光器(qì)的作(zuò)用是，能針對性地将以激光波長為(wèi)中心的幾個(gè)納米的波長範圍內(nèi)的瑞利散射光能量有(yǒu)效地濾除達5到6個(gè)數量級，讓該波長範圍之外的光信号順利通(tōng)過。這樣後面隻需再用小(xiǎo)型光譜儀色散分出光譜，激光用20mW的小(xiǎo)型激光器(qì)也就夠了。整個(gè)系統變得(de)體(tǐ)積小(xiǎo)而緊湊，容易整合到一起，進而極大(dà)增強了穩定性。
光纖探頭采樣的引入極大(dà)簡化了傳統光譜測量的光學系統，并且光纖的長度可(kě)根據實際情況選擇，使非接觸，遠距離，實時(shí)快速的在線測量成為(wèi)可(kě)能。目前已出現多(duō)種商品化的光纖探頭。

3. 微型光纖光譜儀在過程監測中的應用
随微型光纖光譜儀的出現，光譜技術也經曆着一場(chǎng)從實驗室走向生(shēng)産現場(chǎng)的革命，已轉化為(wèi)一種以被測樣品為(wèi)中心而設計現場(chǎng)儀器(qì)的實用技術。在實際生(shēng)産應用中，出現了紫外、可(kě)見光、近紅外、拉曼散射和(hé)熒光分析等多(duō)個(gè)平台的在線測量系統。

3.1 紫外-可(kě)見光測量的在線應用
可(kě)用于傳導紫外光的高(gāo)質量光纖，陣列型檢測器(qì)和(hé)化學計量學算(suàn)法的引入，使經典的紫外-可(kě)見光分析技術跨過了在線測量的門(mén)檻，在工業在線監測中有(yǒu)着廣泛的應用。

3.1.1 紫外-可(kě)見吸收光譜的測量
基于比爾-琅勃定律，溶液或氣體(tǐ)中的化學成分對光的定量吸收，結合化學計量學算(suàn)法對紫外光譜法數據信息的挖掘，可(kě)對多(duō)組分混合物實現“數學分離”測定。如：Valerie Feigenbrugel等人(rén)利用基于CCD陣列探測器(qì)紫外光譜技術，建立檢測丙酮、甲氨基酚、二嗪農和(hé)敵敵畏等多(duō)種殺蟲劑的摩爾吸收系數的實驗方法。Remo Bucci等人(rén)将紫外-可(kě)見光譜分析用于變性酒精的檢測，非常适合于工業生(shēng)産中 樣品的檢測。這些(xiē)方法代替了傳統化學分離測定的繁瑣過程，作(zuò)為(wèi)在線測量系統的“軟件”部分，适應于在線快速檢測的要求。

3.1.2 薄膜厚度的測量
    應用光的幹涉測量原理(lǐ)，微型光纖光譜儀可(kě)測的薄膜厚度達到25 µm，分辨率（FWHM）為(wèi)1.5nm。将光纖光譜儀與光纖探頭在生(shēng)産線上(shàng)構建實時(shí)測量系統，可(kě)為(wèi)高(gāo)精度工件加工的線上(shàng)質量監測和(hé)工業鍍膜過程提供了一種靈活方便的測量手段。

3.1.3 顔色測量
    顔色測量是基于物質生(shēng)色基團在可(kě)見光範圍內(nèi)（380-780nm）的基頻吸收原理(lǐ)，将測量光譜轉化為(wèi)CIE規定的顔色空(kōng)間(jiān)L*, a* 和(hé)b*值表示。結合光纖光譜儀測量系統的浸入式透射探頭、反射式探頭或積分球采樣附件，可(kě)方便完成對溶液、酒類産品、紡織品和(hé)紙張等系列産品.生(shēng)産過程的顔色質量控制(zhì)。

3.1.4 LED的分析測量
    結合積分球的使用，光纖光譜儀可(kě)方便快捷地測量出LED的輻射量和(hé)顔色等參數，在LED生(shēng)産的質量控制(zhì)中有(yǒu)重要的應用。
此外，由可(kě)見光譜衍生(shēng)出的應用也越來(lái)越多(duō)，程志(zhì)海等人(rén)利用CCD光纖光譜儀和(hé)K原子特征譜線的相對強度，實現了對煤粉火(huǒ)焰溫度的在線測量，該方法具有(yǒu)簡單，可(kě)靠等優點。

3.2 近紅外光譜分析的在線應用
    近紅外光譜法是20世紀90年代以來(lái)發展快，引人(rén)注目的光譜分析技術。因其儀器(qì)簡單，分析速度快，非破壞性和(hé)樣品制(zhì)備量小(xiǎo)，不需對樣品預處理(lǐ)，可(kě)直接進行(xíng)測定，幾乎适合各類樣品（液體(tǐ)、塗層、粉末或固體(tǐ)），在在線分析儀器(qì)中表現突出。并且近紅外光在光纖中幾乎無損傳輸，結合光纖技術容易實現遠距離多(duō)點同時(shí)測量，适合構建遠離現場(chǎng)的在線監測系統，是其它方法*的。
随新型近紅外光纖光譜儀的出現和(hé)軟件的升級，近紅外光譜的應用和(hé)研究出現了新局面，近紅外光譜在線測量分析技術在煙草，制(zhì)藥[，石化，造紙和(hé)食品輕工等領域的應用為(wèi)活躍。

3.3 拉曼散射光譜的在線應用
    拉曼光譜分析技術以檢測速度快，并能實時(shí)獲取詳細的化學信息等特點，越來(lái)越多(duō)地被用于連續或間(jiān)歇反應過程控制(zhì)。光纖技術的引入，使測試人(rén)員遠離危險工作(zuò)現場(chǎng)，實現遠距離取樣分析。
Dao等的實驗室展示了拉曼光纖探針方法用于遠程、在位多(duō)成分檢測多(duō)可(kě)能性。Lee等人(rén)利用拉曼光譜儀在生(shēng)化反應器(qì)中同時(shí)測定了葡萄糖、醋酸纖維素、甲酸鹽和(hé)苯基丙氨酸等多(duō)組分濃度。Bauer等人(rén)運用FT-Raman光譜和(hé)非接觸式光纖探針結合的測量系統，測定了苯乙烯單體(tǐ)在乳液聚合反應中的濃度變化情況。Wenz研究了用拉曼光譜分析技術監測ABS生(shēng)産的接枝共聚過程，确定了恰當的反應終點。McCaffery討(tǎo)論了低(dī)分辨率拉曼光譜儀直接在小(xiǎo)批量生(shēng)産的間(jiān)歇乳液聚合反應監測中的應用。食品行(xíng)業中，拉曼光譜在糖類、蛋白質、脂肪、維生(shēng)素和(hé)色素等生(shēng)産的在線快速檢測和(hé)質量控制(zhì)方面發揮着重要的作(zuò)用。
另外，表面增強拉曼散射（SERS）效應極大(dà)推動了拉曼光譜技術在衆多(duō)領域的應用。随激光技術的發展和(hé)檢測裝置的改進，用于在線監測的拉曼光譜分析技術将在現代工業生(shēng)産中得(de)到越來(lái)越廣泛的應用。

3.4 激光測量
3.4.1 激光波長測量
    随激光在工業領域的廣泛應用，激光器(qì)的波長測量也正成為(wèi)迫切需求。采用微型光纖光譜儀對其可(kě)進行(xíng)，快速的實時(shí)監測，直接獲取的數據信息比通(tōng)常使用的波長計和(hé)掃描F-P腔的方法完整，即同時(shí)得(de)出激光的波長和(hé)激光光譜的形狀，而且儀器(qì)體(tǐ)積小(xiǎo)巧，可(kě)方便地集成到系統中操作(zuò)。

3.4.1 激光誘導擊穿光譜（LIBS）
    LIBS技術是用高(gāo)能量激光光源，在分析樣品表面形成高(gāo)強度激光光斑(等離子體(tǐ))，使樣品激發發光,光随後通(tōng)過光纖引入光譜儀的檢測系統進行(xíng)分析。這種技術對材料中的絕大(dà)部分無機元素非常靈敏，測量精度達ppm級的含量，而且樣品可(kě)以是固态，液态或氣态。

3.5 熒光分析
    熒光測量要求靈敏度較高(gāo)的檢測器(qì)和(hé)有(yǒu)效的濾光器(qì)，能區(qū)分開(kāi)激發光源的光合樣品發出的相對微弱的熒光。光纖光譜儀可(kě)在360-1000nm範圍內(nèi)檢測溶液和(hé)粉末的表面熒光，應用熒光分析技術還(hái)可(kě)測量樣品中氧的含量，可(kě)将LED激發光源和(hé)帶有(yǒu)光纖熒光探頭的微型光譜儀組成氧濃度傳感器(qì)的測量系統，根據熒光的淬滅程度與氧濃度相關的原理(lǐ)進行(xíng)實時(shí)監測。

4.展望
    光纖光譜儀以系統模塊化和(hé)靈活性，儀器(qì)結構緊湊，小(xiǎo)巧，內(nèi)部無可(kě)移動部件，波長覆蓋範圍廣（190-2500nm），測量速度快（小(xiǎo)于0.1秒(miǎo)）等優點，适合于工業在線監測，而且光譜儀選用低(dī)成本的通(tōng)用探測器(qì)，大(dà)幅降低(dī)使用的價格門(mén)檻。近幾年，化學計量學、光纖和(hé)計算(suàn)機技術的發展，為(wèi)以光纖光譜儀為(wèi)核心的在線監測系統提供了一個(gè)十分廣闊的應用空(kōng)間(jiān)。