重塑近紅外光譜的新技術(shù)

近紅外光譜是振動(dòng)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(duì)于氫（H）與較重原子結(jié)合的官能團(tuán)如羥基（OH）和氨基（NH）官能團(tuán)非常活躍，這使近紅外光譜成為分析許多有機(jī)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(kāi)始使用近紅外光譜進(jìn)行化學(xué)分析²。但直到1950年，*商用近紅外光譜儀才開(kāi)始面市。而隨著計(jì)算機(jī)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(lái)的20年中不斷進(jìn)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(cè)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(shí)驗(yàn)室中使用的光譜儀，工業(yè)過(guò)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(guò)研究三個(gè)有代表性的案例來(lái)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(jìn)近紅外光譜儀的超小型化，從而推動(dòng)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(guò)程中來(lái)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(jī)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(jí)的傅立葉變換和法布里干涉儀，它們可以與單點(diǎn)探測(cè)器一起來(lái)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(tái)超緊湊的近紅外光譜儀系統(tǒng)。一個(gè)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(gè)基于MEMS技術(shù)的Fabry-Pérot干涉儀，一個(gè)InGaAs光電探測(cè)器，兩個(gè)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(jìn)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(jiàn)的應(yīng)用包括材料識(shí)別，驗(yàn)證和分類(lèi)。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(kāi)發(fā)材料識(shí)別庫(kù)。由Spectral Engines提供。

此外，這些MEMS傳感器還可以與現(xiàn)代無(wú)線通信技術(shù)結(jié)合起來(lái)，這將在智能云中創(chuàng)建多達(dá)數(shù)千個(gè)近紅外傳感器的分布式網(wǎng)絡(luò)，以進(jìn)行快速數(shù)據(jù)收集和分析。這個(gè)網(wǎng)絡(luò)可以分布在整個(gè)工業(yè)處理設(shè)備中，以實(shí)現(xiàn)下一代過(guò)程分析技術(shù)；也可以用于廣泛的消費(fèi)級(jí)測(cè)試應(yīng)用中，每個(gè)設(shè)備可以連接到機(jī)器學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)庫(kù)，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(shì)并且正在迅速促進(jìn)便攜式近紅外光譜儀的發(fā)展，但對(duì)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(zhuān)業(yè)光譜儀制造商生產(chǎn)的模塊化光纖光譜儀會(huì)更具優(yōu)勢(shì)。

自從1990年代發(fā)明了光纖光譜儀以來(lái)，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(biāo)準(zhǔn)化的即插即用式光譜儀解決方案。這使儀器設(shè)計(jì)人員得以專(zhuān)注于系統(tǒng)級(jí)性能，應(yīng)用程序和用戶(hù)接口，而無(wú)需設(shè)計(jì)自己的光譜儀。光纖光譜儀的光纖耦合設(shè)計(jì)可以使近紅外光譜儀不需要緊挨著樣品進(jìn)行測(cè)量，例如，系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(zhǎng)度可以達(dá)到幾十到幾百米，從而可以在惡劣的環(huán)境中對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)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(jìn)行平衡。例如，如果某個(gè)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(dá)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(duì)稱(chēng)Czerny-Turner光譜儀。由Avantes提供。

這種模塊化設(shè)計(jì)的光譜儀可以使系統(tǒng)集成商選擇不同的線性陣列探測(cè)器，以實(shí)現(xiàn)在900nm到2500 nm范圍的測(cè)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(jì)驅(qū)動(dòng)電路板或使用光譜儀制造商的驅(qū)動(dòng)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(guò)程控制和實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用中的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

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(shì)。在過(guò)去的十年中，隨著技術(shù)變得更加人性化和直觀，許多用戶(hù)不再滿(mǎn)意所購(gòu)買(mǎi)的儀器僅能測(cè)量光譜，而轉(zhuǎn)向?qū)ふ乙环N可以提供針對(duì)特定應(yīng)用的可以直接提供與過(guò)程相關(guān)的分析數(shù)據(jù)的完整解決方案。因此，德國(guó)tec5 AG等公司將光譜儀與定制的光學(xué)，機(jī)械，電子和嵌入式軟件功能結(jié)合起來(lái)，為終用戶(hù)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(yù)。

嵌入式近紅外傳感器用于在線定量分析的一個(gè)例子是在電化學(xué)電鍍機(jī)中測(cè)量銅（Cu）和鐵（Fe），這是德國(guó)tec5與德國(guó)Atotech GmbH合作的范例（圖4）。類(lèi)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(lái)料檢測(cè)和成品質(zhì)量控制。

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

這個(gè)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(hù)把算法寫(xiě)入到板卡控制器中，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光譜的計(jì)算處理，包括多變量數(shù)據(jù)分析。這些類(lèi)型的NIR傳感器計(jì)算電子設(shè)備中的測(cè)量或測(cè)試結(jié)果，以供過(guò)程控制系統(tǒng)直接使用，從而提供無(wú)需PC即可使用的即用型解決方案。除了無(wú)需使用基于PC的軟件外，這種傳感器概念還使用戶(hù)能夠通過(guò)各種工業(yè)接口直接自動(dòng)接收通過(guò)/不通過(guò)讀數(shù)以及所有其他與過(guò)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(lái)

在過(guò)去的70年中，近紅外光譜儀已經(jīng)從大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備演變成可以緊湊地集成到過(guò)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(shí)驗(yàn)室設(shè)備需要一組訓(xùn)練有素的科學(xué)家進(jìn)行操作。這些技術(shù)進(jìn)步為NIR光譜學(xué)開(kāi)辟了一些新的應(yīng)用空間。雖然無(wú)法準(zhǔn)確預(yù)測(cè)未來(lái)70年的技術(shù)進(jìn)步將帶來(lái)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(shì)將繼續(xù)存在。這是在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，包括NIR分析儀在內(nèi)的分子光譜市場(chǎng)預(yù)計(jì)將繼續(xù)以7％¹⁰的復(fù)合年增長(zhǎng)率增長(zhǎng)的部分原因。
 

  注1：德國(guó) Nynomic AG是一家在德國(guó)法蘭克福上市的集團(tuán)公司，公司致力于為廣大客戶(hù)提供非接觸式、無(wú)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(guó)tec5 AG公司（定制化、在線光學(xué)測(cè)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(tuán)旗下子公司。目前，Avantes China和tec5 China為其在中國(guó)的子公司，可以為中國(guó)客戶(hù)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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