近红外光谱分析技术在过去、现在及未来

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，尽管近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

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图片由德州仪器公司提供。

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