【導讀】近些年，近紅外光譜分析技術得到了迅猛發展
，該技術可直接對氣體、液體和固體等各種複雜混合物進行定性和定量分析，具有分析速度快
、效(xiao)率(lv)高(gao)，可(ke)實(shi)現(xian)無(wu)損(sun)和(he)在(zai)線(xian)分(fen)析(xi)等(deng)優(you)勢(shi)，在(zai)科(ke)研(yan)和(he)工(gong)農(nong)業(ye)生(sheng)產(chan)中(zhong)發(fa)揮(hui)著(zhe)越(yue)來(lai)越(yue)重(zhong)要(yao)的(de)作(zuo)用(yong)。近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)分(fen)析(xi)儀(yi)的(de)微(wei)小(xiao)型(xing)化(hua)是(shi)一(yi)個(ge)重(zhong)要(yao)的(de)發(fa)展(zhan)方(fang)向(xiang)，近(jin)期(qi)出(chu)現(xian)了(le)眾(zhong)多(duo)不(bu)同(tong)類(lei)型(xing)的(de)商(shang)品(pin)化(hua)微(wei)小(xiao)型(xing)近(jin)紅(hong)外(wai)光(guang)譜(pu)儀(yi)器(qi)。手(shou)持(chi)式(shi)或(huo)便(bian)攜(xie)式(shi)現(xian)場(chang)快(kuai)速(su)分(fen)析(xi)是(shi)一(yi)種(zhong)更(geng)經(jing)濟(ji)、更高效、更靈活的方法，具有小體積、低功耗、低成本
、便於二次開發等優點，在農業
、食品、醫藥
、石油化工和安全等眾多領域獲得了廣泛的研究與應用。物聯網技術在智能農業、智能工廠、智能醫療和智慧城市等眾多領域的興起，成為推動近紅外光譜傳感器向著微型化方向發展的主要力量。

據麥姆斯谘詢報道，近期，中石化石油化工科學研究院的研究人員在《分析測試學報》期刊上發表了題為“微小型近紅外光譜儀的應用進展與展望”的綜述文章，通訊作者為褚小立教授級高工，主要從事光譜分析與化學計量學方法研究與應用。

該文主要綜述了近些年新型的商品化微小型（便攜式
、手持式和袖珍式）近紅外光譜儀器及其應用進展，並對該技術的發展趨勢和應用前景進行了展望。

微小型儀器的分光類型

與yu以yi傅fu裏li葉ye變bian換huan和he光guang柵zha掃sao描miao為wei主zhu的de實shi驗yan室shi台tai式shi近jin紅hong外wai光guang譜pu儀yi相xiang比bi，便bian攜xie式shi近jin紅hong外wai光guang譜pu儀yi呈cheng現xian出chu光guang學xue設she計ji多duo樣yang化hua和he新xin穎ying性xing的de特te點dian，為wei了le保bao證zheng分fen光guang器qi件jian的de緊jin湊cou，這zhe類lei儀yi器qi最zui明ming顯xian的de性xing能neng特te點dian是shi較jiao窄zhai的de光guang譜pu掃sao描miao範fan圍wei和he較jiao低di的de光guang譜pu分fen辨bian率lv，並bing在zai微wei型xing化hua、光譜性能和儀器成本之間尋求平衡。近些年新型商品化的便攜式近紅外光譜儀的分光類型主要有阿達瑪變換（Hadamard-transform，HT）
、數字微鏡陣列（Digital micromirror device，DMD）、法布裏－珀羅幹涉儀（Fabry－Perot，FPI）和線性漸變濾波器（Linear variable filter，LVF）等。

阿達瑪變換型光譜儀以一個可編程控製的阿達瑪變換MEMS芯片為核心分光器件（如圖1所示），使用單點檢測器。這類儀器的特點是光通量大
，信噪比高，可以在短時間內獲得高質量的光譜
，但光譜範圍相對較窄。美國Thermo公司的MicroPHAZIR便攜式近紅外光譜儀采用這種分光方式。

圖1 MEMS阿達瑪變換光譜儀示意圖

基於MEMS數字微鏡陣列的色散光譜調製器，既可實現順序掃描、間隔掃描
，也可以通過編碼調製的方式實現阿達瑪變換掃描（如圖2所示）
，使用單點檢測器。這類儀器具有抗振動能力強

、溫度適應性好
、光譜分辨率可調等特點。美國Texas Instruments的NIRscan微型近紅外光譜采用這種分光方式。加拿大Tellspec公司使用DMD芯片研發了手持式微型近紅外光譜食物成分分析儀。

圖2 MEMS數字微鏡陣列光譜儀光路示意圖

法布裏－珀po羅luo幹gan涉she儀yi是shi由you兩liang塊kuai平ping行xing的de玻bo璃li板ban組zu成cheng的de多duo光guang束shu幹gan涉she儀yi，兩liang塊kuai玻bo璃li板ban相xiang對dui的de內nei表biao麵mian均jun具ju有you高gao反fan射she率lv，當dang入ru射she光guang的de頻pin率lv滿man足zu共gong振zhen條tiao件jian時shi，其qi透tou射she頻pin譜pu將jiang出chu現xian很hen高gao的de峰feng值zhi，對dui應ying著zhe高gao的de透tou射she率lv


，通tong過guo改gai變bian兩liang塊kuai玻bo璃li之zhi間jian的de距ju離li即ji可ke獲huo得de不bu同tong頻pin率lv（波長）的單色光（圖3）。這種儀器的特點是體積小、重量輕，易於批量化生產
，但光譜範圍相對較窄。芬蘭Spectral Engines公司的NIR ONE係列光譜儀產品采用這種分光方式，日本Hamamatsu公司也研製出了類似的產品，波長範圍為1550~1850nm，光譜儀的重量在1g左右。

圖3 法布裏－珀羅幹涉儀原理示意圖

線性漸變濾光片是一種特殊的帶通濾光片
，在製作時向特定方向形成楔形鍍層（圖4）。由(you)於(yu)通(tong)帶(dai)的(de)中(zhong)心(xin)波(bo)長(chang)與(yu)膜(mo)層(ceng)厚(hou)度(du)相(xiang)關(guan)，因(yin)此(ci)濾(lv)光(guang)片(pian)的(de)穿(chuan)透(tou)波(bo)長(chang)將(jiang)向(xiang)楔(xie)形(xing)方(fang)向(xiang)線(xian)性(xing)變(bian)化(hua)。與(yu)陣(zhen)列(lie)式(shi)探(tan)測(ce)器(qi)的(de)結(jie)合(he)使(shi)得(de)這(zhe)類(lei)儀(yi)器(qi)結(jie)構(gou)非(fei)常(chang)緊(jin)湊(cou)，具(ju)有(you)優(you)良(liang)的(de)抗(kang)振(zhen)動(dong)性(xing)和(he)極(ji)快(kuai)的(de)掃(sao)描(miao)速(su)度(du)。美(mei)國(guo)Viavi公司的MicroNIR微型近紅外光譜儀采用了這種分光方式。

圖4 線性漸變濾光片分光原理示意圖

MEMS傅裏葉變換幹涉儀將所有光學和機械組件集成在單個MEMS芯片上，甚至可以將微鏡直接和光子探測器及光源集成在一起
，從而實現芯片級傅裏葉變換光譜儀功能，如圖5所示。這種儀器具有光譜範圍寬、性價比高等特點，但與傳統傅裏葉變換光譜儀相比，其分辨率和信噪比相對較差。埃及Si－Ware公司的NeoSpectra微型光譜儀采用的這種分光方式。

圖5 MEMS傅裏葉變換幹涉儀芯片結構示意圖

除了上述新型的分光方式外，還有一些基於傳統分光方式的便攜式近紅外光譜儀器。如基於固定光柵和陣列檢測器光學設計的AURA手持式近紅外光譜儀（德國Carl Zeiss公司）

、StellarCASE便攜式近紅外光譜儀（美國StellarNet公司），以及多款果品專用的便攜式近紅外光譜儀，如F－750手持式果品品質分析儀（美國Felix公司）、K－BA100R分析儀（日本Kubota公司）、FQA－NIR Gun分析儀（日本Fantec公司）和DA－Meter分析儀（意大利Sinteleia SrL公司）等。我國相關單位也在微型近紅外光譜儀的研製方麵做了大量的工作，且已有商品化的微型近紅外光譜儀器麵世，例如無錫迅傑光遠
、廣州星創、杭州聚光等。

應用方向

近些年，微小型近紅外光譜儀器與智能手機、雲計算和物聯網等的結合越來越緊密，為其廣泛應用提供了無限可能
，其在各領域的應用詳見論文。

農業與林業

微小型近紅外光譜儀器在農業（例如土壤
、飼料、果品等方麵）與林業中有著廣泛的應用，其中在果品分析中的應用最為廣泛和成熟。

食品與藥品

微小型近紅外光譜儀在食品和藥品中的應用主要集中在摻假鑒別、真偽以及類別識別方麵。

刑偵安全

在法庭科學領域，微小型近紅外光譜儀已應用於刑事案件、交通肇事案件等有關物證的分析，作為預篩選樣本檢測的一種手段，可以快速幫助犯罪現場的調查。

其它

除上述應用外
，微小型近紅外光譜儀還在醫學

、礦物、文物等領域有著廣泛的應用。

展望

guojishangjinhongwaiguangpufenxiyiqideweixiaoxinghuashiyigezhongyaodefazhanfangxiang，shichangshangyijingchuxianleduozhongweixiaoxingdejinhongwaiguangpuyi。wulianwangjishuchengweituidongjinhongwaiguangpuchuanganqixiangzheweixinghuafangxiangfazhandezhuyaoliliang。danshi，youyubianxieshiyiqishoubochangfanweidengxingnengzhibiaosuoxian
，liruyiqideboduanjiaozhai
，fenbianlvjiaokuan，yiqizhijiandeyizhixingyexiangduijiaocha，yixieyingyongshangdabudaoshiyanshitaishiyiqidexiaoguo。

但可以預見的是
，隨著新原理
、新xin材cai料liao和he新xin加jia工gong製zhi作zuo技ji術shu的de發fa展zhan，不bu論lun何he種zhong分fen光guang方fang式shi的de便bian攜xie式shi近jin紅hong外wai光guang譜pu儀yi，其qi針zhen對dui特te定ding應ying用yong場chang景jing的de特te定ding性xing能neng將jiang得de到dao進jin一yi步bu改gai進jin和he優you化hua，各ge種zhong類lei型xing儀yi器qi的de整zheng體ti性xing能neng也ye將jiang會hui越yue來lai越yue好hao。

微型近紅外光譜儀也將在多波段、多duo光guang譜pu數shu據ju融rong合he方fang麵mian扮ban演yan越yue來lai越yue重zhong要yao的de角jiao色se。除chu光guang譜pu儀yi硬ying件jian的de改gai進jin外wai，化hua學xue計ji量liang學xue算suan法fa的de提ti升sheng也ye不bu容rong忽hu視shi。此ci外wai
，為wei保bao證zheng微wei小xiao型xing光guang譜pu儀yi的de性xing能neng在zai應ying用yong過guo程cheng中zhong得de到dao保bao證zheng
，建jian立li儀yi器qi安an裝zhuang和he運yun行xing確que認ren（IQOQ）程序也非常重要。

zaiyingyongfangmian，weixiaoxingjinhongwaiguangpuyizuoweiwulianwangjiediandehexinganzhibujianzhiyi，zaishipinheyaopindengrenmenrichangyongpinzhongdeyingyongjianghuiyuelaiyueguangfan。weilaiweixiaoxingjinhongwaiguangpuyiqiyuzhinengshoujiheyunpingtaidejinmijiehe，jiangshishujuchuanshuhecunchugengjialinghuohebianjie，yejiangweidashujufenxiheyingyongdiandingjichu。yinci
，keyiyuqi，weilaiweixingjinhongwaiguangpuyiqideyonghuzhutijiangbushiguangpufenxigongzuozhe，ershiputongdexiaofeizhe
，jixiaofeijideyingyongjiangzhanzhuti。

本研究項目獲得了國家重點研發計劃項目（2017YFB0306501）的支持。

來源：MEMS

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