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(yè)和醫(yī)藥領域有著廣泛的應用。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，科學家們開始使用近紅外光譜進行化學分析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在1980年代末期和1990年代初的蓬勃發(fā)展，近紅外光譜技術才在接下來的20年中不斷進步，并成為被廣泛應用的技術。如今，近紅外光譜技術被廣泛用于農(nóng)產(chǎn)品的檢測和生物醫(yī)學診斷。為了便于推廣到更多的應用領域中，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的發(fā)展現(xiàn)狀：首先，MEMS技術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的發(fā)展。第二，在近紅外光譜儀發(fā)展中起到關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用系統(tǒng)的發(fā)展，常見的應用包括材料識別，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，以進行快速數(shù)據(jù)收集和分析。這個網(wǎng)絡可以分布在整個工業(yè)處理設備中，以實現(xiàn)下一代過程分析技術；也可以用于廣泛的消費級測試應用中，每個設備可以連接到機器學習數(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。這使儀器設計人員得以專注于系統(tǒng)級性能，應用程序和用戶接口，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用的可以直接提供與過程相關的分析數(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，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用于各種工業(yè)領域中，比如制藥領域中監(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的反饋，從而使非技術操作人員也可以使用此技術。

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備的存在，而大型實驗室設備需要一組訓練有素的科學家進行操作。這些技術進步為NIR光譜學開辟了一些新的應用空間。雖然無法準確預測未來70年的技術進步將帶來什么，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。這是在可預見的將來，包括NIR分析儀在內(nèi)的分子光譜市場預計將繼續(xù)以7％¹⁰的復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。

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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