近红外光谱分析技术在过去、现在及未来

2014-11-27 16:40:01来源: TI 关键字:DLP  光谱

    近红外(NIR)光谱仪已有60多年的历史,但现在仍只有少数人了解这类可靠的工具。让人诧异的是,尽管红外光谱分析为很多人带来了极大便利,但“光谱仪”一词对他们而言仍非常陌生。近红外光谱仪能够为各类用户群体的日常工作决策过程提供帮助。例如:

    1.农民:我使用的饲料能否提供足够的蛋白质?
    2.食品安全技术人员:牛奶中是否含有杂质?
    3.化学药剂师:药物的浓度是否恰当?

   

    许多行业(如食品、农业、执法、纵火检测、制药、石油及医学等领域)均依赖光谱仪获取重要信息。近红外光谱仪主要用于测量通过材料样本反射或发射的能量。通过该技术人们可以了解样本内部分子的类型。从某种意义上来说,近红外光谱仪是在寻找物质的分子“足迹”。

近红外光谱技术过去的发展情况

    早期光谱仪通常是体积庞大笨重且配备活动部件的仪器。照明光源通过棱镜或光栅被分散为其子部件适用的波长。针对相应光谱上的每个测量点,光栅在手动控制下以小的增量旋转。每个所测样本的数据都被整理成一份光谱图。然后,需要手动将光谱图与参考物及其他样本进行对比。这些早期光谱仪固定摆放在实验室的某个位置,而且一经安装就很少再被移动。

    20世纪70年代首次迎来了光谱技术领域微处理器的诞生,其既可用于控制光谱仪,也可用于处理所测得的数据。20世纪70年代到21世纪初期,半导体工业获得了长足发展。这给微处理器和电脑带来了革命性的变化,从而能够更好地控制光谱仪和处理光谱数据。模拟/数字转换器的诞生使光谱数据采样可以通过处理器控制。

发展现状

当今的近红外光谱仪通常采用以下六种架构:

    固定滤波器:这类仪器基于固定数量的波长进行测量,每种波长对应滤光轮上特定的滤光片。滤光轮在不同滤光片之间转动时进行读数。

    旋转光栅/棱镜:这类仪器利用电机在单点探测器上移动光栅分散的输出(波长)。

    FT-NIR:这类仪器利用迈克耳孙干涉仪技术的傅立叶交换性质,通过移动的镜面创造能够与某个光谱形成数学相关的干涉图样。

    线阵探测器:这类仪器利用光栅在元素数量为256或512以上的一维线性像素阵列上分散波长。

    线性渐变滤光器:这类仪器利用线阵探测器前的渐变滤光元素,使特定波长能够影响每个像素元素。

    DLP®技术:数字微镜器件(DMD)将光栅分散的光反射到单个像素探测器上。DMD可编程,且灵活度高,因此可按照任何顺序或不同分辨率对波长进行采样。整个过程只需一次扫描即可完成。

   
 
    现在的近红外光谱仪比前几代产品要先进得多,具有微处理器控制、高精A/D采样、光谱电算化(带统计分析)等特性。不同架构的使用模型也有所不同:  

  实验室专用型:通常为高精度的大型通用仪器。处理光谱数据的计算机可以是实验室内部设备,也可以是通过以太网或USB互联的远程设备。这些计算机可对海量数据进行处理,并在数秒之内完成与分布式参考库的对比。

    便携型:便携式NIR光谱仪外形同实验室小型版本类似,可以移动,通常配备110V交流电源或12V带反相器电源,体积通常比午餐盒略大一些,可以放在卡车后挡板上,以供现场或工业环境(例如农场或矿区)中使用。

    联机型:这类专门化设备用于监测工厂环境,通常具有特定用途。工厂安装可能会在一条装配线上包含多台光谱仪,通过以太网或无线网连接到主控制设施。

    手持型:手持式光谱仪的生产受到了广泛关注,其最大的特征是真正实现了便携化,非常便于用户使用。目前已推出电池供电式产品,体积与大型手钻相近。这类产品的好处是,非常便携,而且依靠内置电源可以远途使用。

发展前景

    近红外光谱仪未来的发展前景十分乐观。一直以来,测量仪器通常体积庞大且成本昂贵,而且被局限在有限的实验室环境中,对于一般大众而言遥不可及。使用模型主要是由这种典型实验室设备的体积和成本决定。得益于技术的改进,近几代近红外光谱仪的体积和成本都大大缩减,因而便携性更高,也更适合在相关领域应用。

    由于新探测器和DLP技术的发展,半导体工业带来的微型化变革以及云计算时代的到来,便携式近红外光谱仪的未来仿佛近在迟尺。随着体积的缩小、价格的降低、效率的提高以及用户体验的改善,光谱仪将会逐步在公众中普及开来。

    新的技术可以给光谱仪产业带来翻天覆地的变化。智能手机的广泛流行使强大的计算能力蕴含于股掌之中。理论上来看,近红外光谱仪的发展也会遵循类似的体积和成本变化曲线,最终光谱测量将以家庭或“个人使用”模型的方式普及开来。将来的个人测量设备可能不再沿用“近红外光谱仪”的名称,但是它们可能会用来帮助家庭评估食物的生熟度,检测食物中是否含有花生等致敏物质,确定高价橄榄油的纯度,协助医疗监测或检查汽车液体。未来近红外光谱仪将会不可逆转地朝着体积更小、功能更强大的趋势发展,也预示着巨大的应用潜力。

致谢

1 - http://www.perkinelmer.com/cmsresources/images/44-74388bro_60yearsinfraredspectroscopy.pdf
图片由德州仪器公司提供。

关键字:DLP  光谱

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/MEMS/2014/1127/article_1637.html
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