重塑近紅外光譜的新技術(shù)

近紅外光譜是振動光譜技術(shù)的分支，主要是指750-2500nm的分子吸收光譜，在工業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。近紅外吸收對于氫（H）與較重原子結(jié)合的官能團如羥基（OH）和氨基（NH）官能團非常活躍，這使近紅外光譜成為分析許多有機化合物如水分和蛋白質(zhì)濃度等特性的理想方法。

歷史概述
    自從天文學(xué)家威廉·赫歇爾（William Herschel）在1800年發(fā)現(xiàn)紅外光后的不到100年里，科學(xué)家們開始使用近紅外光譜進行化學(xué)分析²。但直到1950年，*商用近紅外光譜儀才開始面市。而隨著計算機和電子技術(shù)在1980年代末期和1990年代初的蓬勃發(fā)展，近紅外光譜技術(shù)才在接下來的20年中不斷進步，并成為被廣泛應(yīng)用的技術(shù)。如今，近紅外光譜技術(shù)被廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品的檢測和生物醫(yī)學(xué)診斷。為了便于推廣到更多的應(yīng)用領(lǐng)域中，商品化的近紅外光譜儀也推出了多種系統(tǒng)配置。比如，近紅外光譜儀有在實驗室中使用的光譜儀，工業(yè)過程控制用光譜儀，便攜式/手持式光譜儀和模塊化近紅外光譜儀。

    下面我們通過研究三個有代表性的案例來回顧近紅外光譜儀技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀：首先，MEMS技術(shù)如何促進近紅外光譜儀的超小型化，從而推動了下一代手持技術(shù)的發(fā)展。第二，在近紅外光譜儀發(fā)展中起到關(guān)鍵作用模塊化光纖光譜儀。后，嵌入式近紅外解決方案如何在工業(yè)生產(chǎn)過程中來控制產(chǎn)品質(zhì)量。

超小型光譜儀
    盡管有多種使光譜儀小型化的方法，但以較小的外形尺寸獲得高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)的有效方法是使用微機電系統(tǒng)（MEMS）。在這些微型光譜儀中，MEMS技術(shù)通常用于制造干涉儀，比如毫米級的傅立葉變換和法布里干涉儀，它們可以與單點探測器一起來得到高質(zhì)量的光譜。這些基于MEMS技術(shù)的光譜儀還可以集成緊湊型鎢燈或近紅外LED，變成一臺超緊湊的近紅外光譜儀系統(tǒng)。一個例子是芬蘭Spectral Engines公司的NIRONE傳感器（圖1）。

圖1. NIRONE傳感器重15克，包括一個基于MEMS技術(shù)的Fabry-Pérot干涉儀，一個InGaAs光電探測器，兩個鎢燈以及所有控制、數(shù)據(jù)處理和通信的電路板，體積為2.5-×2.5-×1.75-cm。

超小型MEMS近紅外傳感器的出現(xiàn)極大地促進了便攜式和手持式近紅外光譜應(yīng)用系統(tǒng)的發(fā)展，常見的應(yīng)用包括材料識別，驗證和分類。圖2給出了一些塑料和紡織品的示例光譜。

圖2.塑料（頂部）和紡織品（底部）的近紅外光譜示例，該光譜用于借助NIRONE傳感器開發(fā)材料識別庫。由Spectral Engines提供。

此外，這些MEMS傳感器還可以與現(xiàn)代無線通信技術(shù)結(jié)合起來，這將在智能云中創(chuàng)建多達數(shù)千個近紅外傳感器的分布式網(wǎng)絡(luò)，以進行快速數(shù)據(jù)收集和分析。這個網(wǎng)絡(luò)可以分布在整個工業(yè)處理設(shè)備中，以實現(xiàn)下一代過程分析技術(shù)；也可以用于廣泛的消費級測試應(yīng)用中，每個設(shè)備可以連接到機器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫，以改善每次掃描的表現(xiàn)。

模塊化光纖光譜儀

盡管超緊湊型光譜儀具有許多優(yōu)勢并且正在迅速促進便攜式近紅外光譜儀的發(fā)展，但對于許多應(yīng)用而言，傳統(tǒng)的Czerny-Turner色散光譜儀仍然是優(yōu)先選擇。即使某些儀器制造商喜歡自己搭建光譜儀，但大多數(shù)公司發(fā)現(xiàn)使用專業(yè)光譜儀制造商生產(chǎn)的模塊化光纖光譜儀會更具優(yōu)勢。

自從1990年代發(fā)明了光纖光譜儀以來，它們已經(jīng)發(fā)展得非常成熟，并為OEM系統(tǒng)集成商提供了標準化的即插即用式光譜儀解決方案。這使儀器設(shè)計人員得以專注于系統(tǒng)級性能，應(yīng)用程序和用戶接口，而無需設(shè)計自己的光譜儀。光纖光譜儀的光纖耦合設(shè)計可以使近紅外光譜儀不需要緊挨著樣品進行測量，例如，系統(tǒng)設(shè)計者可以使用多種光纖探頭，包括反射探頭和透射探頭，它們的長度可以達到幾十到幾百米，從而可以在惡劣的環(huán)境中對樣品進行測量。

圖3展示了一種即插即用式OEM近紅外光譜儀模塊，這些模塊化儀器可配置多種寬度的入口狹縫和衍射光柵，使系統(tǒng)集成商能夠在光譜范圍，分辨率和靈敏度之間進行平衡。例如，如果某個應(yīng)用需要非常高的分辨率，則可以選擇25 µm的狹縫，從而得到高達1.5 nm的光譜分辨率。但是，如果光譜分辨率不是很重要，但是靈敏度至關(guān)重要，則可以選擇500 µm的狹縫，從而得到非常高的靈敏度。

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

這種模塊化設(shè)計的光譜儀可以使系統(tǒng)集成商選擇不同的線性陣列探測器，以實現(xiàn)在900nm到2500 nm范圍的測量，例如選擇256像素或512像素，帶或者不帶熱電制冷功能等。同樣，系統(tǒng)集成商還可以選擇自己設(shè)計驅(qū)動電路板或使用光譜儀制造商的驅(qū)動電路。由于這些因素，固定光柵的Czerny-Turner式光譜儀模塊已成為OEM系統(tǒng)工程師在過程控制和實驗室應(yīng)用中的行業(yè)標準。

嵌入式定制化解決方案

同樣重要的是，近出現(xiàn)了將光譜儀作為解決方案中的傳感器而不只是光譜儀的新趨勢。在過去的十年中，隨著技術(shù)變得更加人性化和直觀，許多用戶不再滿意所購買的儀器僅能測量光譜，而轉(zhuǎn)向?qū)ふ乙环N可以提供針對特定應(yīng)用的可以直接提供與過程相關(guān)的分析數(shù)據(jù)的完整解決方案。因此，德國tec5 AG等公司將光譜儀與定制的光學(xué)，機械，電子和嵌入式軟件功能結(jié)合起來，為終用戶提供了定制化的嵌入式近紅外傳感器解決方案，并贏得了聲譽。

嵌入式近紅外傳感器用于在線定量分析的一個例子是在電化學(xué)電鍍機中測量銅（Cu）和鐵（Fe），這是德國tec5與德國Atotech GmbH合作的范例（圖4）。類似的定制化近紅外傳感器已被廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域中，比如制藥領(lǐng)域中監(jiān)控片劑膜層的厚度以及活性藥物成分的濃度，食品加工行業(yè)的來料檢測和成品質(zhì)量控制。

圖4.集成式電化學(xué)電鍍機，對銅和鐵在線分析。由德國Atotech提供。

這個定制化光譜傳感器解決方案的核心是其嵌入式數(shù)據(jù)處理功能，該功能允許用戶把算法寫入到板卡控制器中，可以實現(xiàn)對光譜的計算處理，包括多變量數(shù)據(jù)分析。這些類型的NIR傳感器計算電子設(shè)備中的測量或測試結(jié)果，以供過程控制系統(tǒng)直接使用，從而提供無需PC即可使用的即用型解決方案。除了無需使用基于PC的軟件外，這種傳感器概念還使用戶能夠通過各種工業(yè)接口直接自動接收通過/不通過讀數(shù)以及所有其他與過程相關(guān)的反饋，從而使非技術(shù)操作人員也可以使用此技術(shù)。

展望未來

在過去的70年中，近紅外光譜儀已經(jīng)從大型實驗室設(shè)備演變成可以緊湊地集成到過程中的超緊湊型分布式傳感器，從而使大多數(shù)操作員都不知道該設(shè)備的存在，而大型實驗室設(shè)備需要一組訓(xùn)練有素的科學(xué)家進行操作。這些技術(shù)進步為NIR光譜學(xué)開辟了一些新的應(yīng)用空間。雖然無法準確預(yù)測未來70年的技術(shù)進步將帶來什么，但是可以肯定的是，緊湊型，模塊化和適用于解決方案的趨勢將繼續(xù)存在。這是在可預(yù)見的將來，包括NIR分析儀在內(nèi)的分子光譜市場預(yù)計將繼續(xù)以7％¹⁰的復(fù)合年增長率增長的部分原因。
 

  注1：德國 Nynomic AG是一家在德國法蘭克福上市的集團公司，公司致力于為廣大客戶提供非接觸式、無損光學(xué)解決方案。荷蘭Avantes BV公司（光纖光譜儀供應(yīng)商）、德國tec5 AG公司（定制化、在線光學(xué)測量解決方案供應(yīng)商）、芬蘭Spectral Engines Oy公司（MEMS技術(shù)微型NIR光譜儀供應(yīng)商）均為Nynomic AG集團旗下子公司。目前，Avantes China和tec5 China為其在中國的子公司，可以為中國客戶提供服務(wù)。

注2：本文作者為Robert V. Chimenti先生。為了方便讀者閱讀，譯文較原文有刪減。
 

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