近紅外光譜分析技術在過去、現在及未來

　　許多行業(如食品、農業、執法、縱火檢測、制藥、石油及醫學等領域)均依賴光譜儀獲取重要信息。近紅外光譜儀主要用于測量通過材料樣本反射或發射的能量。通過該技術人們可以了解樣本內部分子的類型。從某種意義上來說，近紅外光譜儀是在尋找物質的分子“足跡”。

近紅外(NIR)光譜儀已有60多年的歷史，但現在仍只有少數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”一詞對他們而言仍非常陌生。

　　早期光譜儀通常是體積龐大笨重且配備活動部件的儀器。照明光源通過棱鏡或光柵被分散為其子部件適用的波長。針對相應光譜上的每個測量點，光柵在手動控制下以小的增量旋轉。每個所測樣本的數據都被整理成一份光譜圖。然后，需要手動將光譜圖與參考物及其他樣本進行對比。這些早期光譜儀固定擺放在實驗室的某個位置，而且一經安裝就很少再被移動。

　　20世紀70年代首次迎來了光譜技術領域微處理器的誕生，其既可用于控制光譜儀，也可用于處理所測得的數據。20世紀70年代到21世紀初期，半導體工業獲得了長足發展。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據。模擬/數字轉換器的誕生使光譜數據采樣可以通過處理器控制。

　　發展現狀

　　當今的近紅外光譜儀通常采用以下六種架構：

　　固定濾波器：這類儀器基于固定數量的波長進行測量，每種波長對應濾光輪上特定的濾光片。濾光輪在不同濾光片之間轉動時進行讀數。

　　旋轉光柵/棱鏡：這類儀器利用電機在單點探測器上移動光柵分散的輸出(波長)。

　　FT-NIR：這類儀器利用邁克耳孫干涉儀技術的傅立葉交換性質，通過移動的鏡面創造能夠與某個光譜形成數學相關的干涉圖樣。

　　線陣探測器：這類儀器利用光柵在元素數量為256或512以上的一維線性像素陣列上分散波長。

　　線性漸變濾光器：這類儀器利用線陣探測器前的漸變濾光元素，使特定波長能夠影響每個像素元素。

　　DLP®技術：數字微鏡器件(DMD)將光柵分散的光反射到單個像素探測器上。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波長進行采樣。整個過程只需一次掃描即可完成。

　　現在的近紅外光譜儀比前幾代產品要先進得多，具有微處理器控制、高精A/D采樣、光譜電算化(帶統計分析)等特性。不同架構的使用模型也有所不同：

　　實驗室專用型：通常為高精度的大型通用儀器。處理光譜數據的計算機可以是實驗室內部設備，也可以是通過以太網或USB互聯的遠程設備。這些計算機可對海量數據進行處理，并在數秒之內完成與分布式參考庫的對比。

　　便攜型：便攜式NIR光譜儀外形同實驗室小型版本類似，可以移動，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，以供現場或工業環境(例如農場或礦區)中使用。

　　聯機型：這類專門化設備用于監測工廠環境，通常具有特定用途。工廠安裝可能會在一條裝配線上包含多臺光譜儀，通過以太網或無線網連接到主控制設施。

　　手持型：手持式光譜儀的生產受到了廣泛關注，其最大的特征是真正實現了便攜化，非常便于用戶使用。目前已推出電池供電式產品，體積與大型手鉆相近。這類產品的好處是，非常便攜，而且依靠內置電源可以遠途使用。

　　發展前景

　　近紅外光譜儀未來的發展前景十分樂觀。一直以來，測量儀器通常體積龐大且成本昂貴，而且被局限在有限的實驗室環境中，對于一般大眾而言遙不可及。使用模型主要是由這種典型實驗室設備的體積和成本決定。得益于技術的改進，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，也更適合在相關領域應用。

　　由于新探測器和DLP技術的發展，半導體工業帶來的微型化變革以及云計算時代的到來，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、價格的降低、效率的提高以及用戶體驗的改善，光譜儀將會逐步在公眾中普及開來。

　　新的技術可以給光譜儀產業帶來翻天覆地的變化。智能手機的廣泛流行使強大的計算能力蘊含于股掌之中。理論上來看，近紅外光譜儀的發展也會遵循類似的體積和成本變化曲線，最終光譜測量將以家庭或“個人使用”模型的方式普及開來。將來的個人測量設備可能不再沿用“近紅外光譜儀”的名稱，但是它們可能會用來幫助家庭評估食物的生熟度，檢測食物中是否含有花生等致敏物質，確定高價橄欖油的純度，協助醫療監測或檢查汽車液體。未來近紅外光譜儀將會不可逆轉地朝著體積更小、功能更強大的趨勢發展，也預示著巨大的應用潛力。