微型近紅外光譜儀研究進展

王宿慧，張 旭，張根偉，郭騰霄，丁學全

（國民核生化災害防護國家重點實驗室，北京 102205）

0 引言

微型近紅外光譜儀（ Micro-Near Infrared Spectrometer，NIM）是通過光學原理對物質的組成、含量進行定性、定量分析的一種光學儀器。在絕對零度以上，自然界的一切物體對紅外能量都有著不同程度的吸收和輻射，因此可通過分析待測物的紅外吸收光譜來實現(xiàn)定性、定量檢測。用于物質檢測的紅外光譜技術主要包括近紅外和中紅外兩個波段，前者一般是指800 nm～2500 nm 范圍，后者則是2.5 μm～25 μm范圍。理論上，近紅外光譜是分子結構中某些化學鍵能級躍遷的倍頻、合頻與差頻在短波長區(qū)域的體現(xiàn)，中紅外光譜則主要是基頻在相對長波區(qū)域的體現(xiàn)，因此二者存在一定的對應關系。中紅外光譜因譜峰窄、吸收強、特征性強等優(yōu)點較早被應用于分子結構解析，近紅外光譜則因譜峰重疊而解析困難，曾經長期處于被遺忘狀態(tài)。隨著探測器、信號放大器等器件和光譜解析算法的不斷進步，近紅外光譜技術取得了突破性發(fā)展，在化學氣體檢測、農產品成分檢測等分子結構解析相關領域得到了廣泛應用近紅外檢測相比中紅外檢測具有結構簡單、成本低等優(yōu)點，在表面污染物檢測、生物組織檢測、爆炸物探測等領域具有非常廣闊的應用前景[1-4]。

隨著科學技術的發(fā)展進步，近年來，對近紅外光譜儀小型化、便攜化、低成本以及快速、實時、準確檢測的要求更加迫切，因此對微型近紅外光譜儀的分析、研究、開發(fā)具有非常重要的意義。微機電加工技術的發(fā)展，極大推動了微型近紅外光譜儀的發(fā)展進程。相較于傳統(tǒng)近紅外光譜儀，微型近紅外光譜儀具有體積小、功耗低、便于二次開發(fā)以及可實現(xiàn)現(xiàn)場快速檢測等優(yōu)點，現(xiàn)有的微型近紅外光譜儀可大致分為傳統(tǒng)色散型微型近紅外光譜儀、濾光片型微型近紅外光譜儀、調制型微型近紅外光譜儀[5]，及基于微光機電系統(tǒng)（Micro-Opto-Electro-mechanical system，MOEMS）、微機電系統(tǒng)（Micro-Electro-mechanical system，MEMS）技術開發(fā)的微型近紅外光譜儀等。

本文主要論述了以上幾種傳統(tǒng)微型近紅外光譜儀的工作原理結構、國內研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點，介紹了光子晶體微型光譜儀及量子點微型光譜儀等新型光譜儀，最后總結了我國微型近紅外光譜儀發(fā)展現(xiàn)狀，并展望了微型近紅外光譜儀未來發(fā)展趨勢。

1 濾光片型微型近紅外光譜儀

濾光片型微型近紅外光譜儀按照濾光片類型又可分為基于可調諧濾光片型光譜儀和基于線性濾光片型光譜儀?？烧{諧濾光片型微型近紅外光譜儀本質是法布里-珀羅干涉儀：由上下鏡和一個介質層（諧振腔）構成，通過對上下鏡施加靜電驅動電壓來調節(jié)諧振腔厚度，實現(xiàn)連續(xù)可調濾波。線性濾光片型微型近紅外光譜儀的基本原理則是通過錐形腔層的厚度變化進行快速分光。其基本元件分別為可調諧法布里-珀羅濾光片和線性漸變?yōu)V光片。如圖1(a)、(b)所示。

可調諧濾光片型微型近紅外光譜儀通常使用靜電驅動控制法-珀腔中錐形層厚度變化，靜電吸和作用使得光譜范圍非常有限，而制備腔長漸變?yōu)V光片陣列是線性濾光片型微型近紅外光譜儀的技術難點。

2006年Steven Fawcett 等人[6]使用基于超發(fā)光二極管、微電機械系統(tǒng)法布里-珀羅調諧濾波器和一個InGaAs 檢測器實現(xiàn)了對不同生物體腹部組織的測量鑒定，該微型近紅外光譜儀工作在1550 nm～1970 nm波段，光譜分辨率為5 nm，通過4 次平均掃描獲得更準確的光譜數(shù)據，并且使用USB 進行PC 通信，其無線連接范圍可達200 ft。

2010年Wolffenbuttel團隊[7]成功將線性漸變法布里-珀羅腔集成在陣列探測器上，開發(fā)的近紅外微型光譜儀的工作波段可達1800 nm～2800 nm。

2013年Manel Alcalà等人[8]使用線性濾光微型近紅外光譜儀結合最小二乘法的數(shù)據分析方法，開發(fā)了制藥原料光譜庫，實現(xiàn)了對藥物的定性定量分析，并可快速區(qū)分假藥以及非法仿制藥品，其評估的濃度水平可達14%～26%，預測的平均誤差可達0.8%。

2014年Nada A.O'Brien 等人[9]使用線性濾光片薄膜與檢測器陣列耦合開發(fā)的微型近紅外光譜儀分辨率達到2 nm、重量小于60 g、工作波段為900 nm～1700 nm，配置USB 接口，可通過筆記本電腦、平板電腦甚至智能手機來驅動。同年陳斌等人[10]基于Lab VIEW 和美國JDSU MicroNIR-1700 近紅外光譜儀開發(fā)了光譜采集系統(tǒng)軟件和建模應用軟件，該光譜儀采用線性濾光片和二極管陣列檢測器，實現(xiàn)了儀器的小型化，檢測波長范圍為950 nm～1650 nm，分辨率達12.5 nm，實現(xiàn)了對水果品質的無損檢測。

2015年陳斌團隊[11]再次使用MicroNIR-1700 近紅外光譜儀，建立了偏最小二乘回歸和最小二乘支持向量機定量分析模型并對其參數(shù)進行優(yōu)化，最終提高了預測油菜籽含油率模型的精度和穩(wěn)定性。

2016年王穎等人[12]設計了一種基于線性濾光片，工作波段為600 nm～1100 nm 的多光譜成像光譜儀，可通過掃描和圖像重構獲得目標的準單色圖像以及反射光譜，實驗結果表明：線性濾光片型多光譜成像光譜儀的光譜分辨率與濾光片寬帶相匹配，在600 nm處分辨率可達9 nm。同年陳斌等人[13]基于Android 平臺開發(fā)了一款可以對MicroNIR-1700近紅外光譜儀進行遠程控制、光譜采集、數(shù)據上傳、模型下載等功能的App，實現(xiàn)了近紅外光譜儀的網絡化與智能化。

圖1 微型近紅外光譜儀濾光片F(xiàn)ig.1 Micro near infrared spectrometer filter

2017年張恩陽等人[14]基于微機電系統(tǒng)開發(fā)了一款通過控制微機電法珀腔兩層反射薄膜的電壓實現(xiàn)時間順序的干涉濾波，并對聚苯乙烯薄膜進行測試，實驗結果表明：微機電系統(tǒng)可調法-珀腔微型光譜儀重復性指標良好，滿足實際使用需求。

2018年張征立等人[15]同樣使用MicroNIR-1700近紅外光譜儀建立了土壤有機質含量的快速檢測方法，實驗結果表明，使用一階求導、標準正態(tài)變量變換和均值中心化3 種預處理組合方式效果最好，用偏最小二乘法建立預測模型并用隨機蛙跳法優(yōu)選波長、優(yōu)化模型，提高預測精度最為有效，促進了對桑園土壤肥力的高效管理。

總體來說，濾光片型微型紅外光譜儀成本低，體積小，結構簡單緊湊，但其可探測范圍有限并且分辨率較低。

2 色散型微型近紅外光譜儀

色散型微型近紅外光譜儀主要通過光柵分光，其中包括通過改變光柵角度進行色散，并通過單元探測器依次獲取光譜不同波段信息的掃描光柵型微型近紅外光譜儀，和通過采用陣列檢測器直接獲取光柵不同波段光譜信息的陣列檢測型微型近紅外光譜儀。其中光柵掃描型微型光譜儀的核心元件是掃描光柵。入射光經光纖進入、準直后，掃描光柵不斷改變角度，將光色散后成像，依次通過狹縫被單管探測器收集。圖2 為色散型微型近紅外光譜儀原理結構圖。

圖2 色散型微型近紅外光譜儀原理結構圖Fig.2 Principle and structure of dispersion type miniature near-infrared spectrometer

2009年重慶大學溫志渝等人[16]基于折疊交叉的C-T 結構開發(fā)了微型近紅外光譜儀，其折疊結構增加了系統(tǒng)的可變參量，實現(xiàn)了對系統(tǒng)彗差的有效改善，提高了成像質量、光強，減小了微結構尺寸，其工作波段為900 nm～1700 nm，分辨率＜10 nm。

2014年Lei FENG 等人[17]設計了一種棱鏡色散光柵的微型光譜儀，與傳統(tǒng)色散光譜儀系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的色散寬度更大、體積更小、頻譜彎曲更小，具有更優(yōu)的成像效果。

2016年溫志渝團隊[18]又開發(fā)了由電磁驅動線圈驅動高衍射效率光柵的高性能掃面光柵微型近紅外光譜儀。該光譜儀工作波段拓寬為800 nm～1800 nm，整體動態(tài)衍射效率在54%以上，且最大值可達90%。同年Hakki Refai 等人[19]基于數(shù)字光投影的方法進行光譜測量，該光譜儀減少了傳輸測量所需能量，且具有非常高的光通量，高效利用光源。該設計將光信號高度高效耦合到光譜儀中，數(shù)字光處理控制器板驅動的數(shù)字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）可從衍射光柵中獲取更大比例的光信號，相比于傳統(tǒng)光譜成像，其具有分析靈活的突出優(yōu)點，并且不會因為提高分辨率而降低信噪比。

光柵掃描型微型近紅外光譜儀有效降低了成本，分辨率高，易于維修，但由于其抗震性能差，掃描光柵鏡面薄，易出現(xiàn)動態(tài)變形等缺點限制了此類儀器的應用，主要用于對成本要求嚴格，環(huán)境相對穩(wěn)定的檢測場景。

陣列檢測型微型光譜儀的核心元件是陣列探測器（Charge Couple Device，CCD）。入射光經光纖進入，準直鏡準直后由光柵分光色散，光譜成像后經陣列探測器收集。

2010年陳萬英等人[20]通過在準直物鏡前放置平面反射鏡代替雜散光遮擋裝置，通過調節(jié)平面鏡角度使得入射光線全部被探測器接收而不產生雜散光，將儀器整體雜散光水平降低1.13%，并通過線陣CCD作為探測器，實現(xiàn)了儀器的微型化。

2018年武漢大學沈斌等人[21]結合可編程門列控制芯片搭建了一個CCD 驅動與信號采集系統(tǒng)，并結合Verilog HDL 語言設計了CCD 工作模式、積分時間及工作頻率可調的CCD 驅動系統(tǒng)，借助于現(xiàn)場可編程邏輯門陣列并行時序控制的優(yōu)勢有效調控整個CCD 驅動、A/D 配置工作模式、采樣、數(shù)據傳輸?shù)认到y(tǒng)運作，使CCD 輸出信號幅值合適，有效提高了光譜儀的信噪比。同年浙江工業(yè)大學徐丹陽團隊[22]采用EPM7064 芯片控制驅動信號的輸出，并使用AD9826芯片采集和讀取分離CCD 輸出的視頻信號，其開發(fā)的微型近紅外光譜儀的靈敏度達到基于線陣CCD 微型光譜儀的11 倍左右，動態(tài)范圍2000:1，信噪比達到了500:1，大幅地提高了微型光譜儀性能。

CCD 作為光電轉換傳感器，具有靈敏度高、分辨率高、光譜響應寬、功耗低、體積小等特點，陣列檢測型微型近紅外光譜儀具有結構簡單、抗震性能好、讀取速度快等優(yōu)點，在大氣監(jiān)測、航空航天等領域具有較大優(yōu)勢，同時其動態(tài)范圍大、檢測速度快、靈敏度高等優(yōu)點使其在DNA 測量、熒光測序、低光度檢測等信號微弱的測量場景中同樣有著優(yōu)異表現(xiàn)。但陣列檢測器的非均勻性影響信噪比，且造價昂貴，成本較高。

3 調制型微型近紅外光譜儀

3.1 傅里葉變換型微型近紅外光譜儀

傅里葉變換型微型光譜儀基于傅里葉變換和光的干涉原理，屬于調制變換型光譜儀，又細分為：空間調制傅里葉變換微型近紅外光譜儀和時間調制傅里葉變換微型近紅外光譜儀。前者的核心元件為層狀光柵干涉儀，通過光柵空間位置的改變得到光程差序列，進而實現(xiàn)干涉信號空間調制。后者的核心元件為邁克爾遜干涉儀，由驅動器控制反射鏡的空間運動，以獲得不同時間上的干涉調制圖，再利用單管探測器對干涉光進行探測后再經傅里葉變換得到光譜信號[23]。邁克爾遜干涉儀工作原理如圖3 所示。

2015年梁靜秋等人[24]研究了以多級微反射鏡為核心的空間調制型傅里葉變換紅外光譜儀，并提出了一種衍射噪聲的抑制方法，提出了基于最小二乘法擬合的修正算法，還提出了3 種分別為電鑄法、真空鍍膜法以及斜面傾斜角疊片法的制作多級微反射鏡的方法，進行了紅外準直與縮束系統(tǒng)的光學設計，利用過零采樣方式獲取干涉圖樣序列，并完成了光譜相位誤差的矯正等。實驗結果表明，該光譜儀在微型化與輕量化的基礎上，實現(xiàn)了穩(wěn)定性與可靠性，并通過實時采樣增加了系統(tǒng)的快速性與有效性，使用的多機位反射鏡陣列增加了系統(tǒng)采樣精度，具有廣闊的應用前景。

2016年Miriam Unger 等人[25]比較了小型化手持近紅外光譜儀與臺式傅里葉變換近紅外光譜儀的性能，實驗選取了變溫近紅外測量聚酰胺Ⅱ，利用二維相關光譜和微擾相關移動窗二維評價技術，進一步提高了測量數(shù)據的信息量，結果表明雖然二者在分辨率上存在顯著差異，但二者都可以測出聚合物結構變化的變溫光譜序列信息。因此小型化手持近紅外光譜儀的發(fā)展側重點依舊是提高儀器分辨率。

圖3 邁克爾遜干涉儀工作原理Fig.3 Principle of Michelson interferometer

2017年Erhan等人[26]將基質集成空心波導的光纖耦合到傅里葉變換光譜儀，并用該系統(tǒng)分析異丁烯、環(huán)丙烷和甲烷，該波導可以根據不同氣體傳感場景進行定制和調整，該系統(tǒng)不但可以使用寬頻帶紅外光源，還有望推廣至量子級聯(lián)和帶間級聯(lián)激光器在內的窄帶光源，從而進一步提高工業(yè)、環(huán)境和生物醫(yī)學應用場景中的靈敏度。

2018年中國科學院王洪亮等人[27]采用單片折衍混合透鏡及微透鏡陣列實現(xiàn)準直和聚焦功能，通過優(yōu)化光焦度均衡了球差和色差，基于相差理論分析了殘余相差、衍射效率及多級微反射鏡的衍射效應對光譜復原的影響，最終通過建模仿真得到了與理想光譜曲線復原誤差為2.89%的復原光譜。同年Takashi 等人[28]將氣體電池連接到內胚層中空光纖，并耦合到傅里葉變換紅外光譜儀上，構成了一個量子級聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）光源的小型探測系統(tǒng)，光纖探頭可插入普通支氣管鏡工作通道實驗結果表明，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對人體氣道局部CO2濃度的原位測量。

傅里葉變換型光譜儀結構緊湊、光通量大、波長精度高[29]、具有高分辨率的同時具有極快掃描速度，并且有很寬的光譜范圍，但由于其抗震性差，性能受限于動鏡的活塞位移且儀器成本較高等問題僅僅局限于實驗室中的使用[30]。

3.2 阿達瑪變換型微型近紅外光譜儀

阿達瑪變換型微型近紅外光譜儀是在色散光譜儀中引入阿達瑪變換的數(shù)字變換型儀器。光源發(fā)出的光通過狹縫后經分光成像，通過對色散后的光譜進行阿達瑪變換，經探測器探測后，再進行阿達瑪逆變換，從而解調出光譜信號?？臻g調制型阿達瑪光譜儀原理結構圖如圖4 所示。

圖4 空間調制型阿達瑪光譜儀原理結構圖Fig.4 Principle and structure of spatial modulation adamant spectrometer

2011年張智海等人[31]提出運用MOEMS 閃耀光柵，動態(tài)產生阿達瑪變換模板的微型近紅外光譜儀。將數(shù)字微鏡芯片轉換成阿達瑪模板后，信噪比提高到原來的4 倍，單次掃描時間為2.4 s。

2012年Dong Xiang 等人[32]基于固體DMD 和阿達瑪變換開發(fā)的微型近紅外光譜儀成功分析出由聚苯乙烯和聚乙烯組成的聚合物樣品的化學成分，其中固體DMD 使得光譜分辨率大大提高，配合阿達瑪變換解析出了正確的樣品光譜圖像。

2016年LIU Hua 等人[33]利用DMD 和雙副光柵對阿達瑪變換光譜儀的光譜異常進行校正，確定了光源噪聲與光譜相應噪聲對阿達瑪變換編碼矩陣方程的影響，推導了解碼矩陣方程，并使用插入測試掩膜的方法校正光強噪聲。

2019年上海交通大學徐永浩等人[34]基于DMD和阿達瑪變換技術開發(fā)了一種新型近紅外光譜儀，光柵分光后的單色光經透鏡匯聚后按波長順序入射到DMD 的不同像元，使用阿達瑪變換的編碼矩陣模式控制DMD 像元鏡片的翻轉，從而挑選入射光波，并將單點探測器采集后的光譜送入計算機，進行阿達瑪逆變換解碼。

阿達瑪變換型微型近紅外光譜儀掃描速度快、光通量大、信噪比高、性價比高、性能穩(wěn)定，目前對阿達瑪變換微型光譜儀的研究仍是近年來的熱點。

4 其他微型近紅外光譜儀

4.1 基于MOEMS 與MEMS 技術的微型近紅外光譜儀

微光機電系統(tǒng)（MOEMS）與微機電系統(tǒng)（MEMS）基于半導體微加工技術，實現(xiàn)器件微型化，基于該技術制作的微型光譜儀體積小、測量準、掃描快、低成本、高靈敏，也是近年來的研究熱點。圖5 為基于MOEMS、MEMS 技術的微型近紅外光譜儀原理圖。

圖5 基于MOEMS、MEMS 技術的微型近紅外光譜儀原理結構圖Fig.5 Principle and structure of miniature near infrared spectrometer based on MOEMS, MEMS technology

2012 胡方強等人[35]開發(fā)了由基于MEMS 技術的電磁驅動式掃描反射微鏡、AT91SAM7S64 處理器芯片構成的便攜式近紅外光譜儀，輕便靈活、性價比高，具有巨大市場空間和前景。 2015年梁靜秋等人[36]使用3 個微透鏡陣列組成的復眼縮束系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單孔徑透鏡組結構，并使用設計軟件優(yōu)化其初始結構，借助光學分析軟件，進行了干涉圖及光譜復原，對現(xiàn)有的以多級為反射鏡為核心的靜態(tài)傅里葉變換紅外光譜儀進行了有效的微型化及輕量化。 2016年郅建軍等人[37]使用濱松公司生產的C11708MA 微型光譜儀結合偏最小二乘法和最小二乘支持向量機建立了水果可溶性固體模型，證明了其在水果檢測方面應用的可行性。 2017年聶秋玉[38]在偏晶向硅基底材料上制作了MEMS 閃耀光柵，使用一次性氧化削尖法提高了光柵的衍射效率，獲得了具有平滑光學表面和良好槽型的閃耀光柵，其在1392 nm 入射波長下的衍射效率可達70%以上，滿足近紅外光譜儀使用需求。同年陳斌等人[39]使用日本濱松公司的MESM-FPI 光譜傳感器，其中的單點探測器極大降低了成本，將光源單獨設計成獨立控制的電路，避免因光譜儀發(fā)熱而導致光源不穩(wěn)定，并且可根據樣品調節(jié)廣元強度，采用ATxmegal 128A3U 芯片作為光譜數(shù)據微處理器，簡單便攜、靈活度高，基于Android 系統(tǒng)的云端控制使得用戶可直接通過手機進行光譜采集控制。該團隊[40]又將江蘇大學食品與生物工程學院與濟南海能儀器股份有限公司合作研制的N100 近紅外光譜儀用于檢測油菜籽的粗脂肪、粗蛋白含量，并與FOSS 公司的NIR System 6500 近紅外光譜儀的檢測結果相比較，結果證明二者模型相差不大，甚至N100 樣機效果更優(yōu)，完全滿足日常生活中農產品的檢測要求。

2018年孔孟晉等人[41]使用STM32F407 主控芯片設計了具有休眠模式、停止模式和待機模式的近紅外光譜儀低功耗系統(tǒng)，比未采取低功耗設計的系統(tǒng)工作時間長3～4 h。同年王杰等人[42]對MEMS 微鏡驅動系統(tǒng)進行了解耦網絡的設計，改進了比例積分微分（Proportion a Integral Differential，PID）控制器，構成PID 解耦控制系統(tǒng)，將MEMS 微鏡在運動過程中因振動等外界影響而導致的角度偏轉控制在0.005°左右，提高了光譜儀的穩(wěn)定性。

2019年李沙沙等人[43]運用偏最小二乘回歸微型近紅外光譜儀測定了硫酸羥氯喹顆粒的水分含量，準確度和重復性均符合要求，為微型近紅外光譜儀應用于藥物的在線干燥提供了實驗基礎。

4.2 新材料微型近紅外光譜儀

除了以上幾種常見的微型近紅外光譜儀，還有一些使用新材料研制的微型光譜儀。

2013年Kurt M.Bryan 等人[44]制作了光子晶體微型光譜儀，有效地減小了光譜儀的尺寸并降低了成本。該光譜儀由一個波導板和一層光子晶體陣列組成，光子晶體陣列通過光刻或刻印在波導表面。光子晶體陣列根據晶體周期與波長匹配，進而從波導中提取不同波長的光，并將光譜呈現(xiàn)出來，并由CCD 或CMOS 傳感器收集?？赏ㄟ^增加光子晶體光譜儀的光通道提高光譜分辨率和光譜質量。光子晶體微型光譜儀工作原理圖如圖6 所示。

圖6 光子晶體微型光譜儀工作原理Fig.6 Working principle diagram of photonic crystal miniature Spectrometer

2015年Bao Jie 及其團隊[45]首次制作了微型量子點光譜儀，通過在膠體量子點（Colloidal Quantum Dot，CQD）生長期間取樣，獲得了大約24 種CdS和CdSe 量子點，195 種不同的CQD 材料。將這195種CQD 材料濃縮并與聚乙烯醇縮丁醛（Polyvinyl butyral，PVB）氯仿溶液混合后通過自動移液器將小滴CQD/PVB 溶液緊密印刷在玻璃蓋玻片上，制成195個有著不同光譜特性的濾光片。將CQD/PVB 溶液印刷成尺寸與CCD 的尺寸相耦合的陣列，其中每個CQD 濾波器覆蓋多個CCD 像素，進而制備出微型量子點光譜儀。這種微型光譜儀的光譜測量基于波分復用原理，通過測量每個給定的CQD 濾波器的總透射強度，計算重構原始（入射）光譜。量子點濾波器陣列相比較現(xiàn)有的基于光柵以及其他色散型分光器件的光譜儀來說更易做到結構簡單緊湊、光通量大、抗震性能好，基于波長復用原理的光譜重建方法可有效降低光譜儀制作成本、提高信噪比等。該光譜儀已完成可見光波段的檢測，并有望推廣至近紅外波段[46]。微型量子點光譜儀原理圖如圖7 所示。

圖7 微型量子點光譜儀工作原理Fig.7 Working principle diagram of quantum dot spectrometer

2019年Zongyin Yang等人[47]使用納米線作為光譜儀中的分光器件，研制出了微米級的微型光譜儀，通過電子探測光電流，并對一系列的點和線的響應函數(shù)進行預校準，就可以計算重建入射光信號。該光譜儀的光電探測單元光敏度可達1.4×104AW－1，響應速度可達1.5 ms，恢復時間可達3.5 ms，可用于疾病監(jiān)測以及食品安全檢測，并且其低成本使之有望走進大眾日常生活中。微型納米線光譜儀原理圖如圖8 所示。

圖8 微型納米線光譜儀工作原理Fig.8 Working principle diagram of miniature nanowire spectrometer

目前上市的主要微型近紅外光譜儀產品、型號及分類如表1 所示。

5 結論

通過以上分析對比與研究可知，濾光片型微型紅外光譜儀成本低，體積小，結構簡單緊湊，但其可探測范圍有限并且分辨率較低。色散型微型近紅外光譜儀中的光柵掃描型微型近紅外光譜儀有效降低了成本，分辨率高，易于維修，但抗震性、穩(wěn)健性較差。陣列檢測型微型近紅外光譜儀雖然在微型化方面具有較大優(yōu)勢，但其成本較高。調制型微型近紅外光譜儀光通量大、信噪比較高，且阿達瑪變換仍是近年來的研究熱點。雖然MOEMS、MEMS 技術大大加快了微型近紅外光譜儀的發(fā)展進程，但目前我國在微鏡加工技術方面與國外還有較大差別，陣列檢測器也主要依靠國外進口，因此我們還需在微鏡制造技術及陣列檢測器研制方面投入更多心血。

雖然微型近紅外光譜的系統(tǒng)結構組成不斷優(yōu)化、光譜調制技術不斷升級、元件制備能力不斷提升，但國內目前研制的微型近紅外光譜儀大多屬于通用性分析儀器，在某特定應用條件下的指標還不夠優(yōu)良，因此我們還需對微型近紅外光譜儀進行針對性開發(fā)。由于微型近紅外光譜儀體積小、重量輕、便攜化、檢測快速準確等優(yōu)點已成為國內外眾多科研機構的研究熱點，微型近紅外光譜儀依然會朝著高信噪比、高穩(wěn)定性、高分辨率以及新材料、新工藝方向發(fā)展，具有非常廣闊的應用范圍和發(fā)展前景。

表1 微型近紅外光譜儀主要型號及分類Table 1 Main model and classification of miniature near infrared spectrometer