重塑近红外光谱的新技术

近红外光谱是振动光谱技术的分支，主要是指750-2500nm的分子吸收光谱，在工业和医药领域有着广泛的应用。近红外吸收对于氢（H）与较重原子结合的官能团如羟基（OH）和氨基（NH）官能团非常活跃，这使近红外光谱成为分析许多有机化合物如水分和蛋白质浓度等特性的理想方法。

历史概述
    自从天文学家威廉·赫歇尔（William Herschel）在1800年发现红外光后的不到100年里，科学家们开始使用近红外光谱进行化学分析²。但直到1950年，*商用近红外光谱仪才开始面市。而随着计算机和电子技术在1980年代末期和1990年代初的蓬勃发展，近红外光谱技术才在接下来的20年中不断进步，并成为被广泛应用的技术。如今，近红外光谱技术被广泛用于农产品的检测和生物医学诊断。为了便于推广到更多的应用领域中，商品化的近红外光谱仪也推出了多种系统配置。比如，近红外光谱仪有在实验室中使用的光谱仪，工业过程控制用光谱仪，便携式/手持式光谱仪和模块化近红外光谱仪。

    下面我们通过研究三个有代表性的案例来回顾近红外光谱仪技术的发展现状：首先，MEMS技术如何促进近红外光谱仪的超小型化，从而推动了下一代手持技术的发展。第二，在近红外光谱仪发展中起到关键作用模块化光纤光谱仪。后，嵌入式近红外解决方案如何在工业生产过程中来控制产品质量。

超小型光谱仪
    尽管有多种使光谱仪小型化的方法，但以较小的外形尺寸获得高质量光谱数据的有效方法是使用微机电系统（MEMS）。在这些微型光谱仪中，MEMS技术通常用于制造干涉仪，比如毫米级的傅立叶变换和法布里干涉仪，它们可以与单点探测器一起来得到高质量的光谱。这些基于MEMS技术的光谱仪还可以集成紧凑型钨灯或近红外LED，变成一台超紧凑的近红外光谱仪系统。一个例子是芬兰Spectral Engines公司的NIRONE传感器（图1）。

图1. NIRONE传感器重15克，包括一个基于MEMS技术的Fabry-Pérot干涉仪，一个InGaAs光电探测器，两个钨灯以及所有控制、数据处理和通信的电路板，体积为2.5-×2.5-×1.75-cm。

超小型MEMS近红外传感器的出现极大地促进了便携式和手持式近红外光谱应用系统的发展，常见的应用包括材料识别，验证和分类。图2给出了一些塑料和纺织品的示例光谱。

图2.塑料（顶部）和纺织品（底部）的近红外光谱示例，该光谱用于借助NIRONE传感器开发材料识别库。由Spectral Engines提供。

此外，这些MEMS传感器还可以与现代无线通信技术结合起来，这将在智能云中创建多达数千个近红外传感器的分布式网络，以进行快速数据收集和分析。这个网络可以分布在整个工业处理设备中，以实现下一代过程分析技术；也可以用于广泛的消费级测试应用中，每个设备可以连接到机器学习数据库，以改善每次扫描的表现。

模块化光纤光谱仪

尽管超紧凑型光谱仪具有许多优势并且正在迅速促进便携式近红外光谱仪的发展，但对于许多应用而言，传统的Czerny-Turner色散光谱仪仍然是优先选择。即使某些仪器制造商喜欢自己搭建光谱仪，但大多数公司发现使用专业光谱仪制造商生产的模块化光纤光谱仪会更具优势。

自从1990年代发明了光纤光谱仪以来，它们已经发展得非常成熟，并为OEM系统集成商提供了标准化的即插即用式光谱仪解决方案。这使仪器设计人员得以专注于系统级性能，应用程序和用户接口，而无需设计自己的光谱仪。光纤光谱仪的光纤耦合设计可以使近红外光谱仪不需要紧挨着样品进行测量，例如，系统设计者可以使用多种光纤探头，包括反射探头和透射探头，它们的长度可以达到几十到几百米，从而可以在恶劣的环境中对样品进行测量。

图3展示了一种即插即用式OEM近红外光谱仪模块，这些模块化仪器可配置多种宽度的入口狭缝和衍射光栅，使系统集成商能够在光谱范围，分辨率和灵敏度之间进行平衡。例如，如果某个应用需要非常高的分辨率，则可以选择25 µm的狭缝，从而得到高达1.5 nm的光谱分辨率。但是，如果光谱分辨率不是很重要，但是灵敏度至关重要，则可以选择500 µm的狭缝，从而得到非常高的灵敏度。

图3. AvaSpec-Mini-NIR对称Czerny-Turner光谱仪。由Avantes提供。

这种模块化设计的光谱仪可以使系统集成商选择不同的线性阵列探测器，以实现在900nm到2500 nm范围的测量，例如选择256像素或512像素，带或者不带热电制冷功能等。同样，系统集成商还可以选择自己设计驱动电路板或使用光谱仪制造商的驱动电路。由于这些因素，固定光栅的Czerny-Turner式光谱仪模块已成为OEM系统工程师在过程控制和实验室应用中的行业标准。

嵌入式定制化解决方案

同样重要的是，近出现了将光谱仪作为解决方案中的传感器而不只是光谱仪的新趋势。在过去的十年中，随着技术变得更加人性化和直观，许多用户不再满意所购买的仪器仅能测量光谱，而转向寻找一种可以提供针对特定应用的可以直接提供与过程相关的分析数据的完整解决方案。因此，德国tec5 AG等公司将光谱仪与定制的光学，机械，电子和嵌入式软件功能结合起来，为终用户提供了定制化的嵌入式近红外传感器解决方案，并赢得了声誉。

嵌入式近红外传感器用于在线定量分析的一个例子是在电化学电镀机中测量铜（Cu）和铁（Fe），这是德国tec5与德国Atotech GmbH合作的范例（图4）。类似的定制化近红外传感器已被广泛应用于各种工业领域中，比如制药领域中监控片剂膜层的厚度以及活性药物成分的浓度，食品加工行业的来料检测和成品质量控制。

图4.集成式电化学电镀机，对铜和铁在线分析。由德国Atotech提供。

这个定制化光谱传感器解决方案的核心是其嵌入式数据处理功能，该功能允许用户把算法写入到板卡控制器中，可以实现对光谱的计算处理，包括多变量数据分析。这些类型的NIR传感器计算电子设备中的测量或测试结果，以供过程控制系统直接使用，从而提供无需PC即可使用的即用型解决方案。除了无需使用基于PC的软件外，这种传感器概念还使用户能够通过各种工业接口直接自动接收通过/不通过读数以及所有其他与过程相关的反馈，从而使非技术操作人员也可以使用此技术。

展望未来

在过去的70年中，近红外光谱仪已经从大型实验室设备演变成可以紧凑地集成到过程中的超紧凑型分布式传感器，从而使大多数操作员都不知道该设备的存在，而大型实验室设备需要一组训练有素的科学家进行操作。这些技术进步为NIR光谱学开辟了一些新的应用空间。虽然无法准确预测未来70年的技术进步将带来什么，但是可以肯定的是，紧凑型，模块化和适用于解决方案的趋势将继续存在。这是在可预见的将来，包括NIR分析仪在内的分子光谱市场预计将继续以7％¹⁰的复合年增长率增长的部分原因。
 

  注1：德国 Nynomic AG是一家在德国法兰克福上市的集团公司，公司致力于为广大客户提供非接触式、无损光学解决方案。荷兰Avantes BV公司（光纤光谱仪供应商）、德国tec5 AG公司（定制化、在线光学测量解决方案供应商）、芬兰Spectral Engines Oy公司（MEMS技术微型NIR光谱仪供应商）均为Nynomic AG集团旗下子公司。目前，Avantes China和tec5 China为其在中国的子公司，可以为中国客户提供服务。

注2：本文作者为Robert V. Chimenti先生。为了方便读者阅读，译文较原文有删减。