王宿慧，張 旭，張根偉，郭騰霄，丁學(xué)全

（國民核生化災(zāi)害防護(hù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xué)原理對(duì)物質(zhì)的組成、含量進(jìn)行定性、定量分析的一種光學(xué)儀器。在絕對(duì)零度以上，自然界的一切物體對(duì)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(cè)物的紅外吸收光譜來實(shí)現(xiàn)定性、定量檢測(cè)。用于物質(zhì)檢測(cè)的紅外光譜技術(shù)主要包括近紅外和中紅外兩個(gè)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(jié)構(gòu)中某些化學(xué)鍵能級(jí)躍遷的倍頻、合頻與差頻在短波長(zhǎng)區(qū)域的體現(xiàn)，中紅外光譜則主要是基頻在相對(duì)長(zhǎng)波區(qū)域的體現(xiàn)，因此二者存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。中紅外光譜因譜峰窄、吸收強(qiáng)、特征性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)較早被應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)解析，近紅外光譜則因譜峰重疊而解析困難，曾經(jīng)長(zhǎng)期處于被遺忘狀態(tài)。隨著探測(cè)器、信號(hào)放大器等器件和光譜解析算法的不斷進(jìn)步，近紅外光譜技術(shù)取得了突破性發(fā)展，在化學(xué)氣體檢測(cè)、農(nóng)產(chǎn)品成分檢測(cè)等分子結(jié)構(gòu)解析相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用近紅外檢測(cè)相比中紅外檢測(cè)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在表面污染物檢測(cè)、生物組織檢測(cè)、爆炸物探測(cè)等領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景[1-4]。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，近年來，對(duì)近紅外光譜儀小型化、便攜化、低成本以及快速、實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確檢測(cè)的要求更加迫切，因此對(duì)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(jī)電加工技術(shù)的發(fā)展，極大推動(dòng)了微型近紅外光譜儀的發(fā)展進(jìn)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(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)快速檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，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(diào)制型微型近紅外光譜儀[5]，及基于微光機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Opto-Electro-mechanical system，MOEMS）、微機(jī)電系統(tǒng)（Micro-Electro-mechanical system，MEMS）技術(shù)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(jié)構(gòu)、國內(nèi)研究現(xiàn)狀及其優(yōu)缺點(diǎn)，介紹了光子晶體微型光譜儀及量子點(diǎn)微型光譜儀等新型光譜儀，最后總結(jié)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(shì)。

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(diào)諧濾光片型光譜儀和基于線性濾光片型光譜儀?？烧{(diào)諧濾光片型微型近紅外光譜儀本質(zhì)是法布里-珀羅干涉儀：由上下鏡和一個(gè)介質(zhì)層（諧振腔）構(gòu)成，通過對(duì)上下鏡施加靜電驅(qū)動(dòng)電壓來調(diào)節(jié)諧振腔厚度，實(shí)現(xiàn)連續(xù)可調(diào)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(jìn)行快速分光。其基本元件分別為可調(diào)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(diào)諧濾光片型微型近紅外光譜儀通常使用靜電驅(qū)動(dòng)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(zhǎng)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(shù)難點(diǎn)。

2006年Steven Fawcett 等人[6]使用基于超發(fā)光二極管、微電機(jī)械系統(tǒng)法布里-珀羅調(diào)諧濾波器和一個(gè)InGaAs 檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)了對(duì)不同生物體腹部組織的測(cè)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(zhǔn)確的光譜數(shù)據(jù)，并且使用USB 進(jìn)行PC 通信，其無線連接范圍可達(dá)200 ft。

2010年Wolffenbuttel團(tuán)隊(duì)[7]成功將線性漸變法布里-珀羅腔集成在陣列探測(cè)器上，開發(fā)的近紅外微型光譜儀的工作波段可達(dá)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(jié)合最小二乘法的數(shù)據(jù)分析方法，開發(fā)了制藥原料光譜庫，實(shí)現(xiàn)了對(duì)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(píng)估的濃度水平可達(dá)14%～26%，預(yù)測(cè)的平均誤差可達(dá)0.8%。

2014年Nada A.O'Brien 等人[9]使用線性濾光片薄膜與檢測(cè)器陣列耦合開發(fā)的微型近紅外光譜儀分辨率達(dá)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(jī)來驅(qū)動(dòng)。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(yīng)用軟件，該光譜儀采用線性濾光片和二極管陣列檢測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化，檢測(cè)波長(zhǎng)范圍為950 nm～1650 nm，分辨率達(dá)12.5 nm，實(shí)現(xiàn)了對(duì)水果品質(zhì)的無損檢測(cè)。

2015年陳斌團(tuán)隊(duì)[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(jī)定量分析模型并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終提高了預(yù)測(cè)油菜籽含油率模型的精度和穩(wěn)定性。

2016年王穎等人[12]設(shè)計(jì)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(gòu)獲得目標(biāo)的準(zhǔn)單色圖像以及反射光譜，實(shí)驗(yàn)結(jié)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(dá)9 nm。同年陳斌等人[13]基于Android 平臺(tái)開發(fā)了一款可以對(duì)MicroNIR-1700近紅外光譜儀進(jìn)行遠(yuǎn)程控制、光譜采集、數(shù)據(jù)上傳、模型下載等功能的App，實(shí)現(xiàn)了近紅外光譜儀的網(wǎng)絡(luò)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(jī)電系統(tǒng)開發(fā)了一款通過控制微機(jī)電法珀腔兩層反射薄膜的電壓實(shí)現(xiàn)時(shí)間順序的干涉濾波，并對(duì)聚苯乙烯薄膜進(jìn)行測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：微機(jī)電系統(tǒng)可調(diào)法-珀腔微型光譜儀重復(fù)性指標(biāo)良好，滿足實(shí)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(jī)質(zhì)含量的快速檢測(cè)方法，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，使用一階求導(dǎo)、標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)變量變換和均值中心化3 種預(yù)處理組合方式效果最好，用偏最小二乘法建立預(yù)測(cè)模型并用隨機(jī)蛙跳法優(yōu)選波長(zhǎng)、優(yōu)化模型，提高預(yù)測(cè)精度最為有效，促進(jìn)了對(duì)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但其可探測(cè)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(jìn)行色散，并通過單元探測(cè)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(cè)器直接獲取光柵不同波段光譜信息的陣列檢測(cè)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(jīng)光纖進(jìn)入、準(zhǔn)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(cè)器收集。圖2 為色散型微型近紅外光譜儀原理結(jié)構(gòu)圖。

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

2009年重慶大學(xué)溫志渝等人[16]基于折疊交叉的C-T 結(jié)構(gòu)開發(fā)了微型近紅外光譜儀，其折疊結(jié)構(gòu)增加了系統(tǒng)的可變參量，實(shí)現(xiàn)了對(duì)系統(tǒng)彗差的有效改善，提高了成像質(zhì)量、光強(qiáng)，減小了微結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)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(tuán)隊(duì)[18]又開發(fā)了由電磁驅(qū)動(dòng)線圈驅(qū)動(dòng)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(dòng)態(tài)衍射效率在54%以上，且最大值可達(dá)90%。同年Hakki Refai 等人[19]基于數(shù)字光投影的方法進(jìn)行光譜測(cè)量，該光譜儀減少了傳輸測(cè)量所需能量，且具有非常高的光通量，高效利用光源。該設(shè)計(jì)將光信號(hào)高度高效耦合到光譜儀中，數(shù)字光處理控制器板驅(qū)動(dòng)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(hào)，相比于傳統(tǒng)光譜成像，其具有分析靈活的突出優(yōu)點(diǎn)，并且不會(huì)因?yàn)樘岣叻直媛识档托旁氡取?/p>

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(dòng)態(tài)變形等缺點(diǎn)限制了此類儀器的應(yīng)用，主要用于對(duì)成本要求嚴(yán)格，環(huán)境相對(duì)穩(wěn)定的檢測(cè)場(chǎng)景。

陣列檢測(cè)型微型光譜儀的核心元件是陣列探測(cè)器（Charge Couple Device，CCD）。入射光經(jīng)光纖進(jìn)入，準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后由光柵分光色散，光譜成像后經(jīng)陣列探測(cè)器收集。

2010年陳萬英等人[20]通過在準(zhǔn)直物鏡前放置平面反射鏡代替雜散光遮擋裝置，通過調(diào)節(jié)平面鏡角度使得入射光線全部被探測(cè)器接收而不產(chǎn)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(cè)器，實(shí)現(xiàn)了儀器的微型化。

2018年武漢大學(xué)沈斌等人[21]結(jié)合可編程門列控制芯片搭建了一個(gè)CCD 驅(qū)動(dòng)與信號(hào)采集系統(tǒng)，并結(jié)合Verilog HDL 語言設(shè)計(jì)了CCD 工作模式、積分時(shí)間及工作頻率可調(diào)的CCD 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，借助于現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列并行時(shí)序控制的優(yōu)勢(shì)有效調(diào)控整個(gè)CCD 驅(qū)動(dòng)、A/D 配置工作模式、采樣、數(shù)據(jù)傳輸?shù)认到y(tǒng)運(yùn)作，使CCD 輸出信號(hào)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(xué)徐丹陽團(tuán)隊(duì)[22]采用EPM7064 芯片控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)的輸出，并使用AD9826芯片采集和讀取分離CCD 輸出的視頻信號(hào)，其開發(fā)的微型近紅外光譜儀的靈敏度達(dá)到基于線陣CCD 微型光譜儀的11 倍左右，動(dòng)態(tài)范圍2000:1，信噪比達(dá)到了500:1，大幅地提高了微型光譜儀性能。

CCD 作為光電轉(zhuǎn)換傳感器，具有靈敏度高、分辨率高、光譜響應(yīng)寬、功耗低、體積小等特點(diǎn)，陣列檢測(cè)型微型近紅外光譜儀具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗震性能好、讀取速度快等優(yōu)點(diǎn)，在大氣監(jiān)測(cè)、航空航天等領(lǐng)域具有較大優(yōu)勢(shì)，同時(shí)其動(dòng)態(tài)范圍大、檢測(cè)速度快、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)使其在DNA 測(cè)量、熒光測(cè)序、低光度檢測(cè)等信號(hào)微弱的測(cè)量場(chǎng)景中同樣有著優(yōu)異表現(xiàn)。但陣列檢測(cè)器的非均勻性影響信噪比，且造價(jià)昂貴，成本較高。

3 調(diào)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(diào)制變換型光譜儀，又細(xì)分為：空間調(diào)制傅里葉變換微型近紅外光譜儀和時(shí)間調(diào)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(jìn)而實(shí)現(xiàn)干涉信號(hào)空間調(diào)制。后者的核心元件為邁克爾遜干涉儀，由驅(qū)動(dòng)器控制反射鏡的空間運(yùn)動(dòng)，以獲得不同時(shí)間上的干涉調(diào)制圖，再利用單管探測(cè)器對(duì)干涉光進(jìn)行探測(cè)后再經(jīng)傅里葉變換得到光譜信號(hào)[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(jí)微反射鏡為核心的空間調(diào)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(jí)微反射鏡的方法，進(jìn)行了紅外準(zhǔn)直與縮束系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)，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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該光譜儀在微型化與輕量化的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定性與可靠性，并通過實(shí)時(shí)采樣增加了系統(tǒng)的快速性與有效性，使用的多機(jī)位反射鏡陣列增加了系統(tǒng)采樣精度，具有廣闊的應(yīng)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(tái)式傅里葉變換近紅外光譜儀的性能，實(shí)驗(yàn)選取了變溫近紅外測(cè)量聚酰胺Ⅱ，利用二維相關(guān)光譜和微擾相關(guān)移動(dòng)窗二維評(píng)價(jià)技術(shù)，進(jìn)一步提高了測(cè)量數(shù)據(jù)的信息量，結(jié)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(cè)出聚合物結(jié)構(gòu)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(cè)重點(diǎn)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(zhì)集成空心波導(dǎo)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(dǎo)可以根據(jù)不同氣體傳感場(chǎng)景進(jìn)行定制和調(diào)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(jí)聯(lián)和帶間級(jí)聯(lián)激光器在內(nèi)的窄帶光源，從而進(jìn)一步提高工業(yè)、環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用場(chǎng)景中的靈敏度。

2018年中國科學(xué)院王洪亮等人[27]采用單片折衍混合透鏡及微透鏡陣列實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)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(jí)微反射鏡的衍射效應(yīng)對(duì)光譜復(fù)原的影響，最終通過建模仿真得到了與理想光譜曲線復(fù)原誤差為2.89%的復(fù)原光譜。同年Takashi 等人[28]將氣體電池連接到內(nèi)胚層中空光纖，并耦合到傅里葉變換紅外光譜儀上，構(gòu)成了一個(gè)量子級(jí)聯(lián)激光器（Quantum Cascade Laser，QCL）光源的小型探測(cè)系統(tǒng)，光纖探頭可插入普通支氣管鏡工作通道實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)人體氣道局部CO2濃度的原位測(cè)量。

傅里葉變換型光譜儀結(jié)構(gòu)緊湊、光通量大、波長(zhǎng)精度高[29]、具有高分辨率的同時(shí)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(dòng)鏡的活塞位移且儀器成本較高等問題僅僅局限于實(shí)驗(yàn)室中的使用[30]。

3.2 阿達(dá)瑪變換型微型近紅外光譜儀

阿達(dá)瑪變換型微型近紅外光譜儀是在色散光譜儀中引入阿達(dá)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(jīng)分光成像，通過對(duì)色散后的光譜進(jìn)行阿達(dá)瑪變換，經(jīng)探測(cè)器探測(cè)后，再進(jìn)行阿達(dá)瑪逆變換，從而解調(diào)出光譜信號(hào)?？臻g調(diào)制型阿達(dá)瑪光譜儀原理結(jié)構(gòu)圖如圖4 所示。

圖4 空間調(diào)制型阿達(dá)瑪光譜儀原理結(jié)構(gòu)圖Fig.4 Principle and structure of spatial modulation adamant spectrometer

2011年張智海等人[31]提出運(yùn)用MOEMS 閃耀光柵，動(dòng)態(tài)產(chǎn)生阿達(dá)瑪變換模板的微型近紅外光譜儀。將數(shù)字微鏡芯片轉(zhuǎn)換成阿達(dá)瑪模板后，信噪比提高到原來的4 倍，單次掃描時(shí)間為2.4 s。

2012年Dong Xiang 等人[32]基于固體DMD 和阿達(dá)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(xué)成分，其中固體DMD 使得光譜分辨率大大提高，配合阿達(dá)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(duì)阿達(dá)瑪變換光譜儀的光譜異常進(jìn)行校正，確定了光源噪聲與光譜相應(yīng)噪聲對(duì)阿達(dá)瑪變換編碼矩陣方程的影響，推導(dǎo)了解碼矩陣方程，并使用插入測(cè)試掩膜的方法校正光強(qiáng)噪聲。

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

阿達(dá)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(jià)比高、性能穩(wěn)定，目前對(duì)阿達(dá)瑪變換微型光譜儀的研究仍是近年來的熱點(diǎn)。

4 其他微型近紅外光譜儀

4.1 基于MOEMS 與MEMS 技術(shù)的微型近紅外光譜儀

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

圖5 基于MOEMS、MEMS 技術(shù)的微型近紅外光譜儀原理結(jié)構(gòu)圖Fig.5 Principle and structure of miniature near infrared spectrometer based on MOEMS, MEMS technology

2012 胡方強(qiáng)等人[35]開發(fā)了由基于MEMS 技術(shù)的電磁驅(qū)動(dòng)式掃描反射微鏡、AT91SAM7S64 處理器芯片構(gòu)成的便攜式近紅外光譜儀，輕便靈活、性價(jià)比高，具有巨大市場(chǎng)空間和前景。 2015年梁靜秋等人[36]使用3 個(gè)微透鏡陣列組成的復(fù)眼縮束系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單孔徑透鏡組結(jié)構(gòu)，并使用設(shè)計(jì)軟件優(yōu)化其初始結(jié)構(gòu)，借助光學(xué)分析軟件，進(jìn)行了干涉圖及光譜復(fù)原，對(duì)現(xiàn)有的以多級(jí)為反射鏡為核心的靜態(tài)傅里葉變換紅外光譜儀進(jìn)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(chǎn)的C11708MA 微型光譜儀結(jié)合偏最小二乘法和最小二乘支持向量機(jī)建立了水果可溶性固體模型，證明了其在水果檢測(cè)方面應(yīng)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(xué)表面和良好槽型的閃耀光柵，其在1392 nm 入射波長(zhǎng)下的衍射效率可達(dá)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(diǎn)探測(cè)器極大降低了成本，將光源單獨(dú)設(shè)計(jì)成獨(dú)立控制的電路，避免因光譜儀發(fā)熱而導(dǎo)致光源不穩(wěn)定，并且可根據(jù)樣品調(diào)節(jié)廣元強(qiáng)度，采用ATxmegal 128A3U 芯片作為光譜數(shù)據(jù)微處理器，簡(jiǎn)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(jī)進(jìn)行光譜采集控制。該團(tuán)隊(duì)[40]又將江蘇大學(xué)食品與生物工程學(xué)院與濟(jì)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(cè)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(cè)結(jié)果相比較，結(jié)果證明二者模型相差不大，甚至N100 樣機(jī)效果更優(yōu)，完全滿足日常生活中農(nóng)產(chǎn)品的檢測(cè)要求。

2018年孔孟晉等人[41]使用STM32F407 主控芯片設(shè)計(jì)了具有休眠模式、停止模式和待機(jī)模式的近紅外光譜儀低功耗系統(tǒng)，比未采取低功耗設(shè)計(jì)的系統(tǒng)工作時(shí)間長(zhǎng)3～4 h。同年王杰等人[42]對(duì)MEMS 微鏡驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行了解耦網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，改進(jìn)了比例積分微分（Proportion a Integral Differential，PID）控制器，構(gòu)成PID 解耦控制系統(tǒng)，將MEMS 微鏡在運(yùn)動(dòng)過程中因振動(dòng)等外界影響而導(dǎo)致的角度偏轉(zhuǎn)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(yùn)用偏最小二乘回歸微型近紅外光譜儀測(cè)定了硫酸羥氯喹顆粒的水分含量，準(zhǔn)確度和重復(fù)性均符合要求，為微型近紅外光譜儀應(yīng)用于藥物的在線干燥提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

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(gè)波導(dǎo)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(dǎo)表面。光子晶體陣列根據(jù)晶體周期與波長(zhǎng)匹配，進(jìn)而從波導(dǎo)中提取不同波長(zhǎng)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(zhì)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(tuán)隊(duì)[45]首次制作了微型量子點(diǎn)光譜儀，通過在膠體量子點(diǎn)（Colloidal Quantum Dot，CQD）生長(zhǎng)期間取樣，獲得了大約24 種CdS和CdSe 量子點(diǎn)，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(dòng)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(gè)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(gè)CQD 濾波器覆蓋多個(gè)CCD 像素，進(jìn)而制備出微型量子點(diǎn)光譜儀。這種微型光譜儀的光譜測(cè)量基于波分復(fù)用原理，通過測(cè)量每個(gè)給定的CQD 濾波器的總透射強(qiáng)度，計(jì)算重構(gòu)原始（入射）光譜。量子點(diǎn)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、光通量大、抗震性能好，基于波長(zhǎng)復(fù)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(cè)，并有望推廣至近紅外波段[46]。微型量子點(diǎn)光譜儀原理圖如圖7 所示。

圖7 微型量子點(diǎn)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(jí)的微型光譜儀，通過電子探測(cè)光電流，并對(duì)一系列的點(diǎn)和線的響應(yīng)函數(shù)進(jìn)行預(yù)校準(zhǔn)，就可以計(jì)算重建入射光信號(hào)。該光譜儀的光電探測(cè)單元光敏度可達(dá)1.4×104AW－1，響應(yīng)速度可達(dá)1.5 ms，恢復(fù)時(shí)間可達(dá)3.5 ms，可用于疾病監(jiān)測(cè)以及食品安全檢測(cè)，并且其低成本使之有望走進(jìn)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(chǎn)品、型號(hào)及分類如表1 所示。

5 結(jié)論

通過以上分析對(duì)比與研究可知，濾光片型微型紅外光譜儀成本低，體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，但其可探測(cè)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(cè)型微型近紅外光譜儀雖然在微型化方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但其成本較高。調(diào)制型微型近紅外光譜儀光通量大、信噪比較高，且阿達(dá)瑪變換仍是近年來的研究熱點(diǎn)。雖然MOEMS、MEMS 技術(shù)大大加快了微型近紅外光譜儀的發(fā)展進(jìn)程，但目前我國在微鏡加工技術(shù)方面與國外還有較大差別，陣列檢測(cè)器也主要依靠國外進(jìn)口，因此我們還需在微鏡制造技術(shù)及陣列檢測(cè)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(jié)構(gòu)組成不斷優(yōu)化、光譜調(diào)制技術(shù)不斷升級(jí)、元件制備能力不斷提升，但國內(nèi)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(yīng)用條件下的指標(biāo)還不夠優(yōu)良，因此我們還需對(duì)微型近紅外光譜儀進(jìn)行針對(duì)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(cè)快速準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)已成為國內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)，微型近紅外光譜儀依然會(huì)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(yīng)用范圍和發(fā)展前景。

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