光譜分析自從作為一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室技術(shù)問世以來，迄今已經(jīng)取得了很大的發(fā)展。手持近紅外 (NIR)光譜分析儀的尺寸在不斷變小，成本也越來越低，在一定程度上，這歸功于新出現(xiàn)的系統(tǒng)架構(gòu)，這個(gè)系統(tǒng)充分利用微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)組件。我們來深入研究一下這些硬件優(yōu)化如何在光譜分析行業(yè)中實(shí)現(xiàn)更簡單且更加便攜的未來。

NIR光譜分析

光譜分析可基于樣本對于大范圍波長的反應(yīng)鑒定樣本，是實(shí)現(xiàn)該應(yīng)用的強(qiáng)大工具。值得注意的是，NIR光譜分析用波長范圍通常在780-2500納米之間的光來刺激樣本。根據(jù)樣本材料的物理狀態(tài)，我們可以通過使用反射率測量值(固體)或吸收率測量值(液體和氣體)精確測量光譜響應(yīng)。

780-2500納米區(qū)域內(nèi)的光譜特征由諸如O-H、C-H、N-H和S-H的氫鍵決定。通過這種方式，NIR波段特別適合于食品和農(nóng)業(yè)監(jiān)視、健康診斷、石化處理和醫(yī)藥制造。在NIR波段內(nèi)，每個(gè)光譜分析應(yīng)用對于波長范圍和化學(xué)計(jì)量分析都有著獨(dú)特的需要。例如，一個(gè)900-1700nm儀器能夠提供與水 (H2O) 和蔗糖 (C12H24O12) 含量有關(guān)的信息 [1]。若儀器的波長范圍擴(kuò)展至2500納米，則可以發(fā)現(xiàn)額外的有機(jī)化合物特征，并且能夠改進(jìn)醫(yī)藥過程監(jiān)視的效果 [2]。

選擇波長范圍可能影響儀器的物料清單(BOM)成本。一個(gè)短波NIR系統(tǒng)能夠充分利用廉價(jià)探測器來實(shí)現(xiàn)波長范圍高達(dá)1050納米的測量。超過1050納米的測量則通常需要一款更加昂貴的銦鎵砷(InGaAs)探測器。在超過1700納米之后，為了保持性能要求，InGaAs材料通常需要冷卻，特別是與多像素線性陣列檢測器一同使用時(shí)更是如此。由于昂貴的InGaAs基板和額外的冷卻元件，InGaAs線性陣列技術(shù)由于價(jià)格過于昂貴而無法在低成本手持式儀器內(nèi)使用。

光譜分析儀架構(gòu)中的創(chuàng)新

考慮到用InGaAs陣列探測器實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)色散型光譜分析時(shí)的成本難題，很多NIR光譜分析儀創(chuàng)新將注意力放在減少系統(tǒng)組件數(shù)量方面，用線性可變?yōu)V波器(LVF)取代色散光柵中繼就是其中一個(gè)示例。LVF架構(gòu)減少了光通量，不過也通過消除光柵到探測器的路徑而極大地縮小了光譜分析儀的封裝尺寸。其它創(chuàng)新型光設(shè)計(jì)采用透射光柵架構(gòu);這個(gè)架構(gòu)在盡可能降低光損耗的同時(shí)精簡了系統(tǒng)封裝尺寸。另外一個(gè)架構(gòu)使用一個(gè)掃描光柵，將光直接中繼傳遞至單點(diǎn)探測器，從而免除了對于上文提到的多像素InGaAs陣列的需要。相對于陣列檢測器，單點(diǎn)探測器在成本、尺寸和性能方面具有顯著優(yōu)勢。

在光譜分析儀架構(gòu)中采用MEMS技術(shù)并連同單點(diǎn)探測器一起使用可降低成本以及實(shí)現(xiàn)便攜性。將穩(wěn)健耐用的MEMS組件集成到一個(gè)光譜分析儀光路徑中，不但可以縮小儀器的封裝尺寸，還可以添加全新的性能。選擇MEMS組件時(shí)的主要考慮因素包括性能可靠性和大批量生產(chǎn)制造時(shí)的穩(wěn)定性。

德州儀器(TI)的DLP? NIR芯片組就是一種久經(jīng)考驗(yàn)的MEMS技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)提供針對小巧、可編程且高性能光譜分析儀的高保真光調(diào)制。其中，TI DLP2010NIR和DLP4500NIR可實(shí)現(xiàn)令人激動的全新波長控制特性，比如說哈達(dá)瑪圖形和旋轉(zhuǎn)掃描動態(tài)可編程性。其它新涌現(xiàn)的MEMS技術(shù)，其中包括法布里-珀羅干涉儀和邁克爾遜干涉儀，顯示出儀器架構(gòu)簡化方面的良好發(fā)展前景，不過仍然面臨著滿足信噪比和分辨率標(biāo)準(zhǔn)等實(shí)驗(yàn)室性能需求的挑戰(zhàn)。

雖然有很多的光譜分析儀架構(gòu)選擇，MEMS技術(shù)的吸引力仍與日俱增。動態(tài)可編程性、成本降低、使用單點(diǎn)探測器，以及免除對大型移動部件的需要只是基于MEMS的架構(gòu)所能提供眾多優(yōu)勢中的一部分。這些優(yōu)勢，與可靠系統(tǒng)集成組合在一起，在現(xiàn)場部署期間，會變得更加關(guān)鍵。

圖1：DLP2010NIR是這款TI DLPNIRscan? Nano 評估模塊的特色所在

移動應(yīng)用和行業(yè)前瞻

緊湊小巧、高性能的NIR光譜分析儀器為現(xiàn)場應(yīng)用的涌現(xiàn)做出了巨大貢獻(xiàn)，在這些應(yīng)用中，現(xiàn)場測量能夠?yàn)閭€(gè)人用戶和工業(yè)公司帶來額外的優(yōu)勢與價(jià)值。通過Wi-Fi或Bluetooth? 無線連通性，經(jīng)由一個(gè)移動設(shè)備，將這些光譜分析儀鏈接至云端數(shù)據(jù)庫，可以將實(shí)驗(yàn)室內(nèi)的全預(yù)測功能引入到樣本檢測中。通過這種方式，集成式光譜分析儀可以作為網(wǎng)絡(luò)邊緣上的高性能光傳感器。當(dāng)光譜分析儀硬件使云端內(nèi)的高保真數(shù)據(jù)聚合變得更加便利時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)能夠動態(tài)地提升處理效率。針對IoT移動感測的前沿應(yīng)用包括食品安全、遠(yuǎn)程農(nóng)業(yè)監(jiān)視和用于醫(yī)藥生產(chǎn)的過程監(jiān)視。

也許最令人激動的NIR光譜分析行業(yè)趨勢就是開源模型。諸如德州儀器、Consumer Physics和Si-ware的前沿技術(shù)開發(fā)公司已經(jīng)發(fā)布了多種軟件開發(fā)套件(SDKs)以鼓勵(lì)創(chuàng)新。KS 技術(shù)公司就是在工業(yè)IoT應(yīng)用方面開創(chuàng)低成本NIR光譜分析儀架構(gòu)的一個(gè)典范。除了提供用于圖1中所見的DLP NIRScan Nano評估模塊的免費(fèi)iOS和安卓應(yīng)用，以及SDK，這家公司還將他們在移動數(shù)據(jù)系統(tǒng)和IoT架構(gòu)方面的專業(yè)知識應(yīng)用于新出現(xiàn)的移動NIR感測市場。

這些平臺的低成本和開源屬性讓他們能夠更好地與大學(xué)化學(xué)計(jì)量專家合作，以增加對應(yīng)用的了解。通過這種方法，手邊的硬件與開源軟件組合在一起，可以加快算法和化學(xué)計(jì)量開發(fā)，而這也反過來推動了NIR光譜分析生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展。未來的行業(yè)增長與創(chuàng)新將取決于專家間的通力協(xié)作。

考慮到NIR光譜分析的強(qiáng)大功能，這個(gè)行業(yè)將很多的注意力放在了將高性能分析由實(shí)驗(yàn)室轉(zhuǎn)移到現(xiàn)場應(yīng)用。NIR光譜分析儀架構(gòu)領(lǐng)域內(nèi)的行業(yè)突破正在推動著新一波創(chuàng)新的移動測量功能。這個(gè)創(chuàng)新與21世紀(jì)的移動趨勢相一致，并且與IoT革命具有一個(gè)邏輯上的交匯點(diǎn)。當(dāng)只能在實(shí)驗(yàn)室中運(yùn)行的昂貴光譜分析發(fā)展成可以在你的手掌中產(chǎn)生精確數(shù)據(jù)的應(yīng)用時(shí)，你將用它來測量哪些數(shù)據(jù)呢?

[1] B.M. Nicola¨? et al. / Postharvest Biology and Technology 46 (2007). 99–118.

[2] Chang, Cheng-Wen, "Near-infrared reflectance spectroscopic measurement of soil properties" (2000). Retrospective Theses and Dissertations. Paper 12315.

作者：Dorsey Standish, 德州儀器(TI) DLP 產(chǎn)品先進(jìn)光控項(xiàng)目經(jīng)理

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