近紅外（NIR）光譜儀已有60多年的歷史，但現(xiàn)在仍只有少數(shù)人了解這類可靠的工具。讓人詫異的是，盡管近紅外光譜分析為很多人帶來了極大便利，但“光譜儀”一詞對(duì)他們而言仍非常陌生。近紅外光譜儀能夠?yàn)楦黝愑脩羧后w的日常工作決策過程提供幫助。例如：

1.農(nóng)民：我使用的飼料能否提供足夠的蛋白質(zhì)？
    2.食品安全技術(shù)人員：牛奶中是否含有雜質(zhì)？
    3.化學(xué)藥劑師：藥物的濃度是否恰當(dāng)？

許多行業(yè)（如食品、農(nóng)業(yè)、執(zhí)法、縱火檢測(cè)、制藥、石油及醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域）均依賴光譜儀獲取重要信息。近紅外光譜儀主要用于測(cè)量通過材料樣本反射或發(fā)射的能量。通過該技術(shù)人們可以了解樣本內(nèi)部分子的類型。從某種意義上來說，近紅外光譜儀是在尋找物質(zhì)的分子“足跡”。

近紅外光譜技術(shù)過去的發(fā)展情況

早期光譜儀通常是體積龐大笨重且配備活動(dòng)部件的儀器。照明光源通過棱鏡或光柵被分散為其子部件適用的波長(zhǎng)。針對(duì)相應(yīng)光譜上的每個(gè)測(cè)量點(diǎn)，光柵在手動(dòng)控制下以小的增量旋轉(zhuǎn)。每個(gè)所測(cè)樣本的數(shù)據(jù)都被整理成一份光譜圖。然后，需要手動(dòng)將光譜圖與參考物及其他樣本進(jìn)行對(duì)比。這些早期光譜儀固定擺放在實(shí)驗(yàn)室的某個(gè)位置，而且一經(jīng)安裝就很少再被移動(dòng)。

20世紀(jì)70年代首次迎來了光譜技術(shù)領(lǐng)域微處理器的誕生，其既可用于控制光譜儀，也可用于處理所測(cè)得的數(shù)據(jù)。20世紀(jì)70年代到21世紀(jì)初期，半導(dǎo)體工業(yè)獲得了長(zhǎng)足發(fā)展。這給微處理器和電腦帶來了革命性的變化，從而能夠更好地控制光譜儀和處理光譜數(shù)據(jù)。模擬/數(shù)字轉(zhuǎn)換器的誕生使光譜數(shù)據(jù)采樣可以通過處理器控制。

發(fā)展現(xiàn)狀

當(dāng)今的近紅外光譜儀通常采用以下六種架構(gòu)：

固定濾波器：這類儀器基于固定數(shù)量的波長(zhǎng)進(jìn)行測(cè)量，每種波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)濾光輪上特定的濾光片。濾光輪在不同濾光片之間轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)進(jìn)行讀數(shù)。

旋轉(zhuǎn)光柵/棱鏡：這類儀器利用電機(jī)在單點(diǎn)探測(cè)器上移動(dòng)光柵分散的輸出（波長(zhǎng)）。

FT-NIR：這類儀器利用邁克耳孫干涉儀技術(shù)的傅立葉交換性質(zhì)，通過移動(dòng)的鏡面創(chuàng)造能夠與某個(gè)光譜形成數(shù)學(xué)相關(guān)的干涉圖樣。

線陣探測(cè)器：這類儀器利用光柵在元素?cái)?shù)量為256或512以上的一維線性像素陣列上分散波長(zhǎng)。

線性漸變?yōu)V光器：這類儀器利用線陣探測(cè)器前的漸變?yōu)V光元素，使特定波長(zhǎng)能夠影響每個(gè)像素元素。

DLP?技術(shù)：數(shù)字微鏡器件（DMD）將光柵分散的光反射到單個(gè)像素探測(cè)器上。DMD可編程，且靈活度高，因此可按照任何順序或不同分辨率對(duì)波長(zhǎng)進(jìn)行采樣。整個(gè)過程只需一次掃描即可完成。

實(shí)驗(yàn)室專用型：通常為高精度的大型通用儀器。處理光譜數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)可以是實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部設(shè)備，也可以是通過以太網(wǎng)或USB互聯(lián)的遠(yuǎn)程設(shè)備。這些計(jì)算機(jī)可對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并在數(shù)秒之內(nèi)完成與分布式參考庫的對(duì)比。

便攜型：便攜式NIR光譜儀外形同實(shí)驗(yàn)室小型版本類似，可以移動(dòng)，通常配備110V交流電源或12V帶反相器電源，體積通常比午餐盒略大一些，可以放在卡車后擋板上，以供現(xiàn)場(chǎng)或工業(yè)環(huán)境（例如農(nóng)場(chǎng)或礦區(qū)）中使用。

聯(lián)機(jī)型：這類專門化設(shè)備用于監(jiān)測(cè)工廠環(huán)境，通常具有特定用途。工廠安裝可能會(huì)在一條裝配線上包含多臺(tái)光譜儀，通過以太網(wǎng)或無線網(wǎng)連接到主控制設(shè)施。

手持型：手持式光譜儀的生產(chǎn)受到了廣泛關(guān)注，其最大的特征是真正實(shí)現(xiàn)了便攜化，非常便于用戶使用。目前已推出電池供電式產(chǎn)品，體積與大型手鉆相近。這類產(chǎn)品的好處是，非常便攜，而且依靠?jī)?nèi)置電源可以遠(yuǎn)途使用。

發(fā)展前景

近紅外光譜儀未來的發(fā)展前景十分樂觀。一直以來，測(cè)量?jī)x器通常體積龐大且成本昂貴，而且被局限在有限的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，對(duì)于一般大眾而言遙不可及。使用模型主要是由這種典型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的體積和成本決定。得益于技術(shù)的改進(jìn)，近幾代近紅外光譜儀的體積和成本都大大縮減，因而便攜性更高，也更適合在相關(guān)領(lǐng)域應(yīng)用。

由于新探測(cè)器和DLP技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體工業(yè)帶來的微型化變革以及云計(jì)算時(shí)代的到來，便攜式近紅外光譜儀的未來仿佛近在遲尺。隨著體積的縮小、價(jià)格的降低、效率的提高以及用戶體驗(yàn)的改善，光譜儀將會(huì)逐步在公眾中普及開來。

新的技術(shù)可以給光譜儀產(chǎn)業(yè)帶來翻天覆地的變化。智能手機(jī)的廣泛流行使強(qiáng)大的計(jì)算能力蘊(yùn)含于股掌之中。理論上來看，近紅外光譜儀的發(fā)展也會(huì)遵循類似的體積和成本變化曲線，最終光譜測(cè)量將以家庭或“個(gè)人使用”模型的方式普及開來。將來的個(gè)人測(cè)量設(shè)備可能不再沿用“近紅外光譜儀”的名稱，但是它們可能會(huì)用來幫助家庭評(píng)估食物的生熟度，檢測(cè)食物中是否含有花生等致敏物質(zhì)，確定高價(jià)橄欖油的純度，協(xié)助醫(yī)療監(jiān)測(cè)或檢查汽車液體。未來近紅外光譜儀將會(huì)不可逆轉(zhuǎn)地朝著體積更小、功能更強(qiáng)大的趨勢(shì)發(fā)展，也預(yù)示著巨大的應(yīng)用潛力。

致謝

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圖片由德州儀器公司提供。

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