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手持式近红外光谱仪的设计概述

    

主要关注用于实验室和现场分析的仪器,而简要提及用于工业在线应用的设计。虽然哈达玛光谱仪的主要优势很早就被证明了,[ 16 , 17 , 18 , 19 ] 一旦可编程微型哈达玛掩模通过 MEMS 实现,这些设备就变得具有实际意义。Polychromix 公司在 NIR 光谱仪中使用了该解决方案,该光谱仪专为 NASA 探索月球而设计。此类应用需要坚固、可靠且紧凑的仪器。与该设计密切相关的是 2006 年正式推出的第一台手持式 NIR 光谱仪 microPHAZIR(目前为 Thermo Fisher Scientific Inc. 的知识产权;表 1 和图 1个)。 [20] 该乐器使用 MEMS 芯片形式的可编程 Hadamard 掩模,带有类似于钢琴键盘的电子驱动杆。它与低功率钨灯泡源和单像素 InGaAs 探测器相结合。该设备提供快速扫描能力,在 10 秒内记录全光谱,具有良好的 S/N 水平,以及 11 nm 的合理良好的光学分辨率。然而,该器件在 1596-2396 nm (6267-4173 cm -1 )的相当窄的波长区域内工作。MicroPHAZIR 配备了自己的电源(锂离子电池,可以更换,因此可以携带备用电池以延长操作时间)、显示屏和完全自主操作的用户界面。因此,该设备非常适合现场测量。

microPHAZIR 设计的初步成功使人们预计,类似的结构(通过基于 MEMS 的可编程致动器与衍射光栅相结合实现的哈达玛掩模)将迅速主导小型化 NIR 仪器市场。 [3] 然而,随着众多不同设计的出现,进一步的发展取得了不同的进展。在德州仪器的数字光处理器(德州仪器拥有的商标)NIRscan 模块中实施了不同的解决方案(表 1 和图 1个)。在此设计中,MEMS DMD 支持在扫描光谱仪中使用固定衍射光栅。这使得昂贵的微阵列检测器可以被大型单像素检测器取代。因此,实现了一种非常简单、具有成本效益的微型色散仪器结构。还应注意这种设计的低功耗。这些光谱仪提供适合某些应用的光谱分辨率和灵敏度。开发的技术可作为两种 EVM 在商业上使用:具有 DLP NIRscan 传感器的 HP EVM 和具有 DLP NIRscan Nano 的 MS EVM(表 1)。 [21] 虽然较大的 DLP NIRscan 传感器被宣传为适合集成到用于现场和工业在线使用的光谱仪中,但紧凑型 NIRscan Nano 模块适用于便携式光谱仪。后一种解决方案在 InnoSpectra [22] 提供的 NIR-S-G1 仪器中实施,可作为 SphereOptics、 [23] Sagitto、 [24] Allied Scientific、 [25] 和 Tellspec的定制产品提供。 [26] NIR-S-G1 光谱仪具有极其紧凑的尺寸(82×63×43 mm 3;重量 <145 g),并使用钨卤源和 InGaAs 检测器。器件的工作光谱区 (11 111–5082 cm-1 ; 900–1700 nm)覆盖了大部分 NIR 波长。光谱仪通过移动应用程序进行控制,并通过低功耗无线(蓝牙)接口与智能手机进行通信。

带有迈克尔逊干涉仪的微型 FTNIR 光谱仪由 Si-Ware Systems 在他们的 NeoSpectra 设备中商业化(表 1 和图 1 厘米)。 [27] 如第 2.3.2 节所述,这种特殊的操作原理很难在没有性能损失的情况下进行小型化。然而,持续的发展集中在改进干涉仪的操作上,并且应该注意此类设备的光通量。例如,合肥南巢科技去年发布了nanoFTIR NIR光谱仪(表 1 和图 1天)。 [28] 该设备使用带有大镜子(相对于 MEMS 芯片的面积)的 MEMS 迈克尔逊干涉仪来提高其光学吞吐量。值得注意的是,该光谱仪在整个 NIR 区域(12 50–846 cm -1;800–2600 nm)上运行,具有相对较高的光谱分辨率(1600 nm 处为 6 nm)。该仪器具有紧凑的尺寸(14.3×4.9×2.8 cm 3)和低重量(220 g)。仪器的坚固构造和光纤探头连接使其特别适合在线分析。Hamamatsu 最近也推出了一种新的基于 MEMS 的 FTNIR 光谱仪。 [29] 为了克服光通量的限制,该设备配备了一个直径为 3 mm 的移动镜,从而在 1100-2500 nm (9090-4000 cm -1 )的宽光谱区域内产生高 S/N 。该设备作为紧凑型光谱仪模块(重量约 300 克)提供,具有 USB 连接和光纤探头接口。

微型化为 MEMS 的可调谐法布里-珀罗干涉仪用于 NIRONE Sensor S 仪器(表 1 和图 1 e) 自 2016 年起可用。[30] 尽管尺寸非常紧凑(25×25×17.5 mm 3;重量为 15 g),但该传感器配备了两个卤钨灯和一个单元素检测器。传感器的多种变体可用,它们因操作波数区域、分辨率和 S/N 参数而异(表 1)。法布里-珀罗干涉仪的实施使传感器的光学配置适用于相对较大的区域,带有 InGaAs 或扩展的 InGaAs 探测器;前一种类型产生高达 15 000:1 的信噪比,使仪器具有合理的灵敏度和特异性水平。Sensor X 是缩小版的变体,针对成本效益和易制造性进行了优化。重要的是,法布里-珀罗干涉仪技术的当前进展在超小型化方面很有希望。Hamamatsu 最近推出了一种超紧凑型 NIR 传感器,该传感器通过 MEMS 技术集成了法布里-珀罗干涉仪,并在 1550-1850 nm (6452-5405 cm -1 ) 区域内运行。 [31] 该传感器是密封的,在高湿度下具有高可靠性,同时保持极其紧凑(<1 g 的重量)。

VIAVI 的 MicroNIR 系列仪器采用了完全不同的设计方法(表 1 和图 1 英尺)。这种紧凑型光谱仪使用复杂且更昂贵的阵列检测器 (InGaAs) 和 LVF 元件。这产生了一个非常小而坚固的设备,没有移动部件,在困难条件下运行可靠;类似的技术被用于以过程控制为目标的传感器。MicroNIR 仪器的较新变体通过实施温度校正功能提高了操作时间的稳定性。这种多通道设备的光学配置能够实现快速测量和高质量的光谱。MicroNIR 1700 设备是由 USB 接口供电和控制的变体,因此,在现场使用期间,它需要持续连接到主设备(例如,笔记本电脑)。更方便的传感器版本 MicroNIR OnSite-W, [32] VIAVI 在其光谱仪系列中提供了类似的设计,用于在线和在线监测化学、制药和食品行业的过程。MicroNIR PAT 分析仪提供三种变体(MicroNIR PAT-U、PAT-W 和 PAT-Ux),其中包含应用所需的不同功能,例如增强的耐用性、对环境(例如水、灰尘、化学试剂)、光纤探头连接或卫生(卫生)法兰安装,以及专为此类用途设计的控制软件。 [33] 有许多用于在线使用的专用便携式 NIR 传感器,例如 Excelitas Technologies 的 Axsun IntegraSpec XL NIR, [34] 或 ABB 的移动装置(安装在可移动推车上并配备自己的电源)MB3600-PH FTNIR 光谱仪。 [35] 有趣的是,Axsun 仪器采用了 MEMS 可调谐激光技术,测量速度快,光谱分辨率高,信噪比好,有助于过程监控应用。 [34]

一些极其紧凑且具有成本效益的 NIR 光谱仪在设计时接受了一般用途中有限的普遍适用性和性能,但对某些应用具有足够的适用性。这种仪器的一个很好的例子是来自 Consumer Physics 的 SCiO NIR 显微光谱仪,它大约在 2015 年开始上市。 [36] 作为第一台袖珍型光谱仪,该设备的尺寸为 67.7×40.2×18.8 mm 3重量35克,面向消费市场。通过使用 LED 光源和简单的硅光电二极管阵列检测器(4×3 配置),在单个像素上使用滤光片创建 12 通道设备,实现了无与伦比的可负担性。然而,在这种设计中,对光谱仪性能的显着影响是不可避免的。应注意低于标准的 S/N、非常窄的 Vis/SW-NIR 工作波长区域 (13 514–9346 cm -1 ; 740–1070 nm),以及由于分辨率元件数量少而导致的约 28 nm 的较差光谱分辨率. 该产品专供消费者使用,因此,性能上的妥协以换取可负担性似乎是合理的。

应该注意的是,在研究实验室和许多应用中,校准是由操作员生成的,通常使用与设备供应商提供的软件不同的软件。尽管绝大多数小型化仪器都可以作为此类通用 NIR 光谱仪运行,但其中一些也已预先配置好用于预期分析的校准。他们的操作不需要对光谱学或数据分析方法有深入的了解,未经培训的人员也可以进行令人满意的分析。这种专用分析仪在日常使用中越来越受欢迎,特别是在农业中。例如,AB Vista 提供的 NIR4 Farm 是一种用于饲料分析的便携式光谱仪。 [37] 与将样品运送到商业实验室的常见方式不同,直接农场分析可以快速优化日粮并最大限度地提高产奶量。还应提及其他概念上类似的产品,例如,AURA 手持式 NIR [38] 或 X-NIR 分析仪 [39] ,它们都预先配置用于评估谷物,或稍大一点的手提箱式便携式 StellarCASE便携式 NIR 分析仪,用于材料分析。 [40] 在线使用的传感器存在类似的概念,例如 MoistTech 公司的非漂移 NIR 分析仪。 [41]

值得注意的是,市场上的一些仪器可用作通用光谱仪或预配置设置。例如,microPHAZIR 已作为动物饲料和成分分析仪出售,并为此类范围准备了多种校准。 [42] 作为 microPHAZIR AG 手持式分析仪提供,该设备旨在易于使用,能够估计饲料中的关键成分(例如,水分、蛋白质、纤维、淀粉)。还应提及相同硬件的其他统包预配置,例如,塑料回收分析仪 (microPHAZIR PC)、 [43] 药物分析仪 (microPHAZIR RX)、 [44] 和石棉分析仪 (microPHAZIR AS)。 [45]

当前的发展趋势旨在进一步超小型化,以实现在智能手机设备中直接实施 NIR 光谱仪。 [46] 此类设计已经公布,但尚未作为最终产品提供,这表明某些挑战尚未完全克服。应该简要提及的是,有可安装在机载无人机(无人驾驶飞行器(UAV))中的光谱仪,这可以被认为是一种高度专业化的便携式 NIR 光谱仪。此类技术的发展面临着类似的挑战,并与本文审查的主题具有类似的目标。值得注意的是,无人机携带的光谱传感器目前主要用于多光谱成像。 [47] 基于从无人机携带的光谱仪获取窄光谱带,并与地面仪器进行性能比较,对作物的几种特性进行定量分析是可行的。 [48] 在某些情况下,处理覆盖 NIR 区域的更高分辨率光谱信息。 [49] 传感器技术和数据分析工具的进步,以及旨在解决基本问题的研究,例如反射率的可靠直接测量, [50] 形成了完全适用的机载 NIR 光谱学的重要步骤。


便携式光谱仪背景下仪器差异的原理、处理和后果

仪器差异是一种众所周知的现象,在相同的外部条件下,在不同光谱仪上对同一样品测量的谱线形状之间甚至可以观察到非常细微的差异。这对于台式 FTNIR 仪器很明显,并导致校准模型的非直接转移性。换句话说,大多数情况下,在给定仪器上开发的校准不能用于在任何其他光谱仪上分析未知样品。由于校准是一个耗费时间和资源的过程,因此对校准转移程序进行了深入研究。 [51] 与传统仪器相比,显微光谱仪技术原理的多样性更进一步,如第 2.3.5 节所述。不同的波长分辨率、光谱灵敏度和 S/N 水平对仪器差异有很大影响。从表中提供的信息可以得出结论 1,小型化光谱仪在这些方面差异很大。因此,它们独特的操作特性可能会导致工具的高度差异。此外,这些设备可以测量的波长区域之间的决定性差异可以直接决定对某些类型样品的适用性。例如,在食品分析中,SW-NIR 区域被认为适用于潮湿样品中的常量营养素测定或含水量分析。然而,人们可能无法以足够的精度测量 SW-NIR 区域中含量较少的化学物质的弱吸收。这使得可以粗略估计 SW-NIR 光谱仪对某些目的的适用性。另一方面,仪器之间在分析 LW-NIR 区域的能力方面的差异, [52]

目前的技术状态只需要一台小型化的 NIR 光谱仪,在小型化水平、性能和经济成本之间取得平衡。此外,这种类型的仪器继续快速发展,新的光谱仪推动了操作特性的发展,例如,能够在整个 NIR 波长范围内操作的 mini-FTNIR 设备(表 1)。因此,这些设备在各种场景中的适用性及其分析性能是一个深入探索的领域。 [4]

总结与展望

小型化光谱仪的出现开启了近红外光谱实际应用发展的重要转折点。这一突破导致这种分析技术出现在各种以前无法实现的新场景中。快速、非侵入式现场分析的能力是对众多领域中使用的传统方法的决定性改进。出于这个原因,人们已经观察到在过去几年中小型化 NIR 光谱仪的使用迅速增加。最近的文献为便携式 NIR 光谱的潜力及其对现代分析化学的重要性提供了丰富的证据。在不久的将来,极其紧凑且具有成本效益的光谱仪可能会导致 NIR 光谱跨越专业和消费者使用之间的障碍。

总的来说,目前可以观察到小型化近红外光谱的两个发展方向。波长选择器正在实现该技术中最有利的发展趋势。同时,这些元素变得更加紧凑且性能更好。新一代 MEMS 迈克尔逊干涉仪可以提供很好的例子,例如 Hamamatsu [29] 或合肥南巢科技 [28] 推出的那些其中,前几代基于干涉仪的仪器经常面临的光学吞吐量限制得到了显着改善。这些仪器应该提供更好的 S/N 和明显更宽的工作光谱区域。另一方面,最近使用法布里-珀罗干涉仪的设计已经实现了令人印象深刻的小型化和实用因子水平,例如,Hamamatsu 推出的机械坚固且密封的传感器重量不到 1 克。 [31] 技术进步显着提高了新一代仪器的应用潜力。它们在更具挑战性的测量条件下使用变得可行,而改进的性能(例如,几乎覆盖整个 NIR 光谱区域,更好的光谱质量)使它们适用于更广泛的分析。另一个追求的进步方向是尝试使光谱仪更适合非专业人员和普通消费者的操作,并为典型分析预先配置控制软件。

然而,与紧凑型仪器的分析性能相比,高度的小型化带来了优势和劣势。此外,与成熟的 FTNIR 台式光谱仪不同,这些新颖的设计采用了各种技术,并且在操作特性上有所不同。因此,它们的性能配置文件在特定于设备的方式上是不同的。对各种小型化近红外光谱仪在不同场景下的适用性和分析性能的系统评估是目前非常活跃的研究领域。从文献中获得的图片表明,不同小型化近红外光谱仪的性能取决于多种因素,例如样品的化学成分和物理特性。经常,小型化 NIR 光谱仪的性能被认为是足够的,而使用便携式分析仪的实际收益是基本的。此外,随着新型光谱仪推动这项技术的发展,微型化与性能因素的关系不断提高;例如,2020 年发布了可在整个 NIR 光谱区域运行的微型 FTNIR 光谱仪。分析性能被优先考虑。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。而使用便携式分析仪的实际收益是基本的。此外,随着新型光谱仪推动这项技术的发展,微型化与性能因素的关系不断提高;例如,2020 年发布了可在整个 NIR 光谱区域运行的微型 FTNIR 光谱仪。分析性能被优先考虑。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。而使用便携式分析仪的实际收益是基本的。此外,随着新型光谱仪推动这项技术的发展,微型化与性能因素的关系不断提高;例如,2020 年发布了可在整个 NIR 光谱区域运行的微型 FTNIR 光谱仪。分析性能被优先考虑。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。随着新型光谱仪推动这项技术的前沿,小型化与性能因素不断提高;例如,2020 年发布了可在整个 NIR 光谱区域运行的微型 FTNIR 光谱仪。分析性能被优先考虑。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。随着新型光谱仪推动这项技术的前沿,小型化与性能因素不断提高;例如,2020 年发布了可在整个 NIR 光谱区域运行的微型 FTNIR 光谱仪。分析性能被优先考虑。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。2020 年发布了在整个 NIR 光谱区域运行的微型 FTNIR 光谱仪。 文献报告表明,如果分析性能良好,基于微型 NIR 光谱仪的光谱分析程序通常需要比实验室内 NIR 光谱仪更多的监督被优先考虑。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。2020 年发布了在整个 NIR 光谱区域运行的微型 FTNIR 光谱仪。 文献报告表明,如果分析性能良好,基于微型 NIR 光谱仪的光谱分析程序通常需要比实验室内 NIR 光谱仪更多的监督被优先考虑。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。可以设想,未来的努力也将旨在克服这个问题。当前的研究工作对于更好地指导小型化 NIR 光谱学的未来发展至关重要。