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微型光谱仪技术的实用化前景展望

实验室资讯网    更新:2016-11-08   到论坛去讨论   百度搜索
【导读】光谱仪器是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学原理,对物质的结构和成分等进行测量、分析、和处理的基本设备,具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点,广泛应用于冶金、地质、......

1.引言

光谱仪器是光学仪器的重要组成部分。它是应用光学原理,对物质的结构和成分等进行测量、分析、和处理的基本设备,具有分析精度高、测量范围大、速度快等优点,广泛应用于冶金、地质、石油、化工、医药卫生、环境保护等部门;也是军事侦察、宇宙探索、资源和水文探测等必不可少的遥感设备。〔‘’现代光谱技术开始于二战期间的工业应用,今天光谱及相关光传感技术已经发展成了几十亿美元的产业,光谱技术的应用几乎覆盖了所有的科学领域。

尽管应用光谱学的发展已经经历了五十多年的历史,但由于一般的光谱仪器,体积、重量过大,对工作环境要求苛刻等因素,较难进行在线实时测试和监控,仍主要局限在实验室内进行分析。随着我国加人WTO,对外出口的农产品和食品的数量逐年增加。近年来,由于一些经济发达国家,如欧盟、日、韩等对我国农产品、食品出口进行限制,农业部开始启动无公害农产品质量安全检测专项工作,对所有出口的食品、农产品等实行更加严格的检测标准。这也对我国的测试分析仪器提出了更高的标准。过去的检测分析仪器和检测模式,已经远远不能满足现在的要求,因此迫切需要开发微小型化的、可集成化、轻量化的光谱仪器,实现实时测量和质量监控。

由于光纤的大批量生产,高效低廉的光学元件及线性阵列CCD器件的出现,计算机的发展,MOEMS、UGA及二元光学等微制造技术的发展,光谱仪器逐渐摆脱了实验室的局限,光谱技术的应用逐渐延展到实验室之外的更加广阔的领域,这就使曾一度被认为是不可能实现的、不实际的实时光谱分析,现在变得非常可行。

和传统光谱仪相比,微型光谱仪的分辨率一般稍低于传统光谱仪,但是微型光谱仪器具有许多大型光谱仪所不有的优点,如重量轻、体积小、探测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等,因此像普通光谱仪一样,微型光谱仪有着巨大的应用市场,可以应用在实验室化学分析、临床医学检验、工业监测、航空航天遥感等领域,引起了人们广泛的兴趣。

本文简述了目前光谱技术的重要发展方向,分析了各种最新发展的微型光谱仪的工作原理和发展趋势,探讨了微型光谱仪的多个潜在应用领域和实用化前景。

2.微型光谱仪器技术

微型光谱仪的实现可以应用多种技术,目前发展比较迅速的微细加工技术,包括MOEMS、11以技术和应用二元光学和集成光学光波导技术等制造技术。目前的微型光谱仪按工作模式,包括以下几类:采用新型滤光技术的微型光谱仪;基于光栅分光的微型光栅光谱仪;基于调制原理的微光谱技术;分别利用光纤的化学传感性制成光纤探针进行光谱分析的微型光谱仪和利用其传导光线作用制成光纤探头的光纤光谱仪;二元光学微型光谱技术;基于集成光学光波导化学传感性的微型光谱仪。本文主要介绍基于调制原理的微型光谱仪和光纤微型光谱仪。

2.1基于调制原理的微型光谱仪

基于调制原理的微型光谱仪主要有:微型傅立叶变换光谱仪;微型哈达玛变换光谱仪;微型法布里-玻罗干涉光谱仪。

2.1.1基于MOEMS的傅立叶变换干涉光谱仪

它包括两类,一类是时间调制型的干涉光谱仪,也就是基于迈克尔逊干涉仪的动镜型的光谱仪。傅立叶变换光谱技术是一种常用的测量微弱扩展光源光谱的技术,它具有高通量、多通道、杂散光低、波数示数精度高等优点,比其他方法具有更高的信噪比,因而微型化的前景比较诱人。但是,由于它的反射镜执行器位移比较小,系统分辩率不是很高。瑞士Neuchatel大学Appliedoptlcs实验室开发了一种微型傅立叶变换光谱仪。它的原理如图1所示,这种基于MOEMS技术之上的微型傅立叶变换光谱仪是一个带一个扫描镜的迈克尔逊干涉仪[2]。一种新型的静电梳驱动器操纵扫描镜完成扫描运动,它是通过给两块电极板带相同或相反的静电产生的静电力,与弹簧的弹力同时作用,来带动扫描镜移动,产生光程差,得到干涉条纹。实验结果表明,制动系统在移动38.5~的距离时有土2.5二的非线性误差。该光谱仪系统在相位修正之后的测量分辨率在633nm时为6mm。

微型光谱仪技术的实用化前景展望

另一类是空间调制型干涉光谱仪,由于对傅立叶变换干涉光谱仪,其光谱分辨率由最大光程差决定,而对于MOEMS系统,由于它的优点在于微细结构的精确控制,光程差不能做得很大,故其分辨率较低,主要用于分辨率要求不高的领域。

2.1.2哈达玛(H目翻na记)变换光谱仪

哈达玛(Had朋阻记)变换光谱仪阁是一种利用哈达玛循环矩阵对入射光进行调制的新型光谱仪器,也即是增加了哈达玛变换信息处理系统的光栅光谱仪。

2.2光纤光谱仪的发展

光纤传感器的主要特点是具有很高的传输信息容量,可以同时反映出多元成分的多维信息,并通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收集瞬时信息等加以分辩,真正实现多道光谱分析和复合传感器阵列的设计,达到对复杂混合物中特定分析对象的检测。光纤的探头直径可以小到与其传播的光波波长属于同一数量级,这样小巧的光纤探头可以直接插入那些非准直空间和无法采样的小空间(如活体组织、血管、细胞)中,对分析物进行连续检测。另外低损耗光纤引人,不仅使光谱仪器性能明显提高,体积大大减小,价格大大降低,而且使光谱仪器的使用方式发生极大改变,可利用光纤探头把远离光谱仪器的样品光谱源引人光谱仪器进行测量。而且,计算机技术的引人极大的提高了光谱的智能化处理能力。因而,由光纤探头、CCD阵列、计算机和光谱仪器组成的光纤光谱仪,仪器性能得到极大提高,基本上具备了适应工业部门现场光谱分析的能力。

ocean叩tics公司的而ch句dJ.Mo币s等人研制一种新型微小光谱仪[’1。结构见图2。这种微型光谱仪结合一个紧凑级联光纤DIP探针,使用单股光纤以获得高分辨率光谱信息,使用不同的指示材料决定测量液体的吸收、发射和散射光谱,并依据不同的光谱得到溶液的pH值或有毒金属浓度。该系统选择的CcD阵列的光谱性能,如分辨率、杂散光、噪音和动态范围等参数与常规非光纤分析仪器相同。光在光纤中的传播模式限制了光通量,常规应用中可以使用50四的光纤,通过剪切、抛光、将两根平行光纤末端磨成45。角,然后固定在一起构成串连光纤探针。

微型光谱仪技术的实用化前景展望

OceanOPtics公司还利用光纤的传光性能制成了一种光纤光谱仪。它使光谱仪器脱离了样品池,利用光纤探头把远离光谱仪器的样品光谱源引人光谱仪器,进行测量和分析。结构如图所示。目前已经得到了广泛地使用。结构见图3。

微型光谱仪技术的实用化前景展望

3.应用与讨论

微型光谱仪与普通光谱仪相比,具有极大的优点。首先,微小型、低成本的光谱仪器它具有二次开发性能,设备制造商可以利用小光谱仪来制造其他分析仪器。它也易于实现模块化。而且由于采用新颖光电接收器件,可以进行实时及多通道分析,因而具有极强的现场应用价值。另外它还具有耐用、紧凑、易于校准、抗振动、抗环境温度压力变化的影响,操作对于非专业人员来说很易于掌握,方便人们在日常生活中使用。

微型光谱仪结构上的特点使得它比传统光谱仪有更为广泛的应用领域。它的问世推动了生物传感技术、光神经网络、全光通讯、工业检测、宇宙探索等众多领域的发展。它易于操作,易于扩展,真正地使光谱技术从实验室走向更为广泛的人们的日常生活中。可以进行测量食物是否变质,疾病诊断、毒气报警等。例如美国SPec血公司,在德国Mic功pa比公司生产的可见微型光谱仪的基础上成功研制了黄疽病诊断仪,这种仪器不需要抽取血液,它使用一束白光照到患者的头皮上,然后探测反射光的颜色,进而判断人体内的血红素是否正常,以此诊断被检查者是否患有黄疽病,避免了由于抽血带来的疼痛和感染。目前微型光谱仪的研究是国际上的分析仪器设计的一个热点,蕴藏着巨大的潜在市场和经济利润。

但是目前国外产业化的小型光谱仪一般是通用型产品,其结构并不一定适合某些专用的领域(如临床生化分析)。这就需要我们有针对性地进行研究开发。另外从目前的发展现状来看,微型光谱仪基本上是研究所或大学研制的原理样机,还无法成为实用化的产品。为了使得这种具有潜力的微型产品真正走向实用化,还有很多研究工作需要继续进行下去。

(来源:网络)

(责任编辑:火星)

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