光谱检测的国内外现状.doc

光谱检测的国内外现状1光谱检测的应用12 国内外研究现状43 国内外优缺点分析71光谱检测的应用光谱分析是科学工作中应用最广泛的方法，被用来解决物理学、化学、生物学、地质学、地球物理学、医学和其它学科中的基础问题和应用问题。这些问题包含于各种科学领域，从而全面地保证了整个科学的进步，也保证了以利用固体物理学、量子电子学和其它学科的成就为基础的现代技术中最活跃的领域的进步。光谱检测是一种在科研和生产中广泛采用的技术。随着科研和生产技术的发展和进步，光谱检测技术正向原位和在线测量方向发展，因此对光谱检测仪器提出了微型化的要求。光谱检测应用在在很多科研领域中，并起着重要的作用：一、光谱检测在工业中的应用重工业是先行工业，它包括采矿、冶金、石油、机器制造等。光谱检测在这些工业中作为定性和定量分析，具有不可替代的作用。在地质采矿中，由于有色金属和稀土元素的发展，地质采矿业逐渐需要具有较宽光谱敢为的光谱检测工具进行轻便的摄谱。在冶金工业中，光谱检测仪器应用更加广泛。而且规格品种多，数量也大。氧气炼钢等先进冶金技术要求进行快速的炉前分析，这只有高度自动化的光电直读光谱仪器才能适应。随着特种钢的发展，真空光电光谱仪器便成了炉前分析C、P、S等元素必不可少的工具。在机器制造业种，光谱检测仪器室进行材料分类和分析的有力工具。现代化汽车制造厂、重型机器制造厂和机床制造厂都少不了它。光谱检测仪器在轻工业和农业中也有着广泛车应用，为了提高人民的文化生活水平，轻工业也必须发展。虽然它的范围极广，但它的原料和成品的分析与检验室少不了光谱检测的。光谱分析检测技术和光谱仪器因其特有的高灵敏度、高分辨率、高速度、无损伤、无污染、抗干扰、可遥测等优点已然成为多种理、化、生物、环境大工业生产、科技、农业、健康卫生、医疗保健等等领域最优选的信息源头科技，可以提供符合更新、更高要求的宏观或微观信息。在食品工业中，常常对食品中的金属杂质、维生素等含量通过光谱检测来进行测量。因为有些金属，例如铜、锡以及磷、硒等的含量过多会影响人体健康，甚至会发生食物中毒现象。二、光谱检测在生物学和医学中的应用微量元素在生物和人体中的作用是很大的。人体在正常或非正常情况下所发现的50多种微量元素总和也只不过占总体重的0.2%。因此，分析这种微量元素，其工具必是各种光谱检测仪器等。在生物细胞和各种维生素的分析工作中叶广泛的采用了各种光谱检测仪器。显微分光光度计在微生物和医学研究工作中起着重要的作用。可见紫外分光光度计、红外分光光度计、莱曼分光光度计常常被用在研究生物和微生物负责的大分子结构，它们对于解决生物学和医学中的一些基本问题已经起了并将继续起着重大的作用。而这些都是光谱检测技术蓬勃发展的成果。在制药工业中，各种光谱仪器也得到了广泛的应用。三、光谱检测在物理学与化学中的应用光谱检测在物理学和化学中的作用主要是研究物资的辐射、物质的结构以及光和物质的相互作用。光谱检测技术在物理学与化学（尤其是结构化学）的发展历史上曾起过决定性的作用，它对现代物质结构理论的形成做出了重大的贡献。光谱检测仪器室研究原子核分子的能级分布、精细结构和超精细结构的适用工具。原子物理学和核子物理学促使了高分辨率的光谱检测仪的发展。固体物理学的发展需要近红外光谱检测仪器的帮助。四、光谱检测在天文学和空间物理学中的应用天文学的发展有几千年的历史，光谱检测的出现给它以飞跃的发展，从而形成了近代天文学的主要学科-天体物理学。人们利用光谱检测测量星体的成分、大小、重量、运动方向和速度以及温度等。在射电天文技术诞生之前，光谱检测仪器和光学望远镜是天文研究中的最强大的武器。天文光谱仪器多数是无缝的（经典式）光谱仪器。天体物理学的发展也促进了光谱仪器的发展和改进。目前，在天文研究中应用各种强大的法布里-帕罗干涉分光计。二十世纪五十年代末，由于人造卫星的发射，开辟了大气外天文观测的途径，把可观测的波段范围扩大到了真空紫外区、x射线区、可见光区、红外区和低频区。因此，构成了真空实验室。光谱检测仪器也随着进入了这个空间实验室。在上世纪四十年代末也曾利用气球将光谱仪器载入大气高空进行过测试。随着空间技术的发展，光谱检测仪器的应用将继续扩大，同时它本身也将不断得到完善和发展。轻便的干涉调制光谱检测仪器的出现就是其中一例，这是一个方向性的发展。光谱仪器是光谱分析方法中必不可少的工具，是将复色光分离成光谱的光学仪器。它的基本功能是测定物质的光谱组成，包括谱线的波长、强度等。根据研究目的，光谱仪器的应用范围可归纳为如下几个方面：(1)研究物质的辐射；(2)研究光与物质的相互作用；(3)研究物质的结构即原子结构和其能级的分布与变化等；(4)进行物质的定性和定量的光谱分析；(5)研究遥远的星体和太阳的大小、质量、温度、运动速度和方向等。除了上面说的这么多，现在使用最多也最广泛的是近红外光谱检测：光谱检测近红外（Near Infrared简称NIR）光是波长范围介于可见光（Vis）与中红外（MIR）区之间的电磁波，波长范围为7802526nm，一般有机物在该区的近红外光谱吸收主要是含氢基团(OH,CH,SH,PH)等的倍频和合频吸收,由于几乎所有的有机物的一些主要结构和组成都可以在它们的近红外光谱中找到信号,而且谱图稳定,获取光谱容易,因此近红外光谱法(NIRS)被誉为分析的巨人。近红外光谱（Near Infrared Spectra简称NIRS）分析技术是20世纪80年代后期迅速发展起来的一项测试技术。随着近红外光谱仪硬件设备成本不断降低，进一步完善软件的数理统计方法，提高从复杂、重叠和变化的近红外光谱中提取有效信息的效率，增加光谱的信噪比，近红外光谱法的应用领域不断扩大，以其速度快、不破坏样品、操作简单、稳定性好、效率高、无污染、成本低等特点，已广泛应用于各个领域。目前，近红外光谱技术在林业水果品质检测、木材性质检测和种子质量检测等方面的应用研究已经成为了一个新的、活跃的领域。近红外光谱区是1800年Herschel发现的,近红外光谱法的应用可追溯到1939年,但由于分子在NIR谱区的倍频和合频吸收信号弱,谱带相互重叠多,信息量大,解析复杂,受当时计算分析条件的限制,实际应用非常有限。直到20世纪60年代美国Karl Norris等提出相对NIR分析技术，即物质的含量与近红外区内多个不同的波长点吸收峰呈线性关系，并利用NIR漫反射技术测定了农产品中的水分、蛋白和脂肪等。20世纪60年代后随着计算机技术的发展，近红外光谱分析技术得到迅速发展，应用领域不断扩大，特别是1990年以后，由于近红外光在光纤中良好的传输特性，在线分析成功地应用于各个领域。目前，近红外光谱技术已经在农业、林业、医药、石油化工、纺织、造纸、化妆品、烟草、酿酒和宝石鉴定等很多领域得到广泛应用，并获得了丰硕的成果。近年来国内外食品安全问题接连不断，食品安全问题已经成为当今各国政府、消费者和科技界广为关注的焦点问题之一。对发展中国家而言，食物和饮用水中的有害物质超标是食品安全中最为普遍的问题之一，也是引起食源性疾病的重要原因。我国属于农业大国，农田面积广，种植点分散，污染严重，监控面窄，监测仪器数量少，检查程序烦琐等特点，最重要的是从食品源头进行监测，加之我国的经济基础不能和发达国家相比，缺乏廉价、快速的监测方法和仪器是目前我国监测技术和发达国家的主要差距之一。而近红外光谱分析技术能为我们实现廉价、快速、高性能价格比等特点的检测系统的研制提供技术基础和新的机遇。2 国内外研究现状2 0 世纪末已经发展和开始成熟的数字化、智能化、网络化光谱分析检测技术和光谱仪器，目前已成为光谱技术和光谱仪器持续发展的主要方向。以光学原理为基础、以精密机械为构架、以模拟电子信号处理为显示的传统“光-机-电一体化”光谱仪器已经退缩为现代光谱仪器中的二等地位组成，而数字化、智能化、网络化、等部分已成为仪器的核心组成。近期国内外新颖光谱仪器新产品层出不穷，其主要变化或进展大部分都体现在核心数字化组成方面，“光机电”基本组成没有实质性的变化。可以预计虽然“光机电”基本组成也会随着全球高科技发展而不断更新，例如2004年德国Zeiss公司推出了应用连续光源、交叉色散系统的contrAA 连续光源原子吸收分光光度计， 但数字化软硬件构成的核心组成的不断吸收最新高科技发展成果而不断更新，而且使光谱仪器发生出人意料的革命性变化，将是今后若干年光谱仪器事业持续发展的主流方向。例如，在数字化高科技基础上将光谱分析技术与光学成像技术巧妙结合、发展出光谱成像技术，将光谱技术“进化”到既能完成定性、定量分析、又可进行定位分析的新科技（所谓“化学成像”），满足新世纪提出的“看到人脑组织中化学、生化成分分布图”之类的新要求。现代科技在高集成器件技术（如芯片技术）、传感器、微型器件、硅工艺方面的成果日新月异，其功能、性能常有惊人的进展，而现代信息理论、数学处理方法、计算软件系统也在不断发展，这些成果都会很快被吸收入新颖光谱仪器事业的持续发展进程中。例如，传统的一维信息获取、处理思维正在被多维信息获取和处理思维所取代，这必然将目前一台仪器只能针对一个检测目标获取单一分析检测信息的光谱仪器“进化”到借助复合多维、多功能传感器和多维信息实时处理、运算手段、从而同时给出实时多维信息的全新面貌；也就是说，一台光谱仪器不单可以给出检测试样的光谱曲线（从而获得试样成分信息），而是可同时给出试样成分及其变化、以及诸如化学结构、物理形态、活性状态等等相关信息及其变化等等。发展多维信息化光谱仪器就可避免“瞎子摸象”式只能给出“象是弯曲的管状物”（只摸到象鼻）或“象是圆柱状的”（只摸到象腿）的单维信息造成的片面或错误理解或判断，不但可给出象的整体描述，而且可以给出例如象皮粗糙程度、象体重量、象走动速度、象体不同部位温度分布等等多维信息。新世纪科技、经济、社会、军事发展，迫切需求掌握事物的实时多维信息，用很多台只能分别给出不同单维信息的仪器去描述、记录、评判复杂、多变、多相关的科技、经济、社会和军事对象、给出一大堆互不相关、难以比对、分析的信息，确实已不能适应新发展形势的新要求。目前,已有数十个国家和地区从事这一领域的研究和开发。国外具有代表性的是：美国德州仪器公司Ronald E.Stafford等人5提出使用DMA(Digital Micromirror Array)作为光谱合成元件的成像光谱仪，降低了仪器成本，提高了检测速度；但是采用三层结构，加工工艺复杂，导致成品率低，同时受到国外专利保护及技术垄断。美国Polychromix公司，Honeywell研究实验室、桑迪亚国家实验室和麻省理工学院公司联合科研组Stephen Senturia教授等人推出了基于衍射光栅光束原理的可编程式数字变换光谱仪。可测波长范围从0.9um到2.5um，性能可靠，结构紧凑，内部没有可移动部件，消除了部件移动可能带来的误差。在近红外光谱监测技术领域是真正意义上从实验室检测仪器发展到了现场检测仪。目前已经成功应用到了乳品生产线上进行实时在线监测。但是，其使用三层结构的光栅光阀作为光通道开关，工艺要求高，国内很难加工，价格昂贵（中国市场上价格约20万30万人民币），同时受到国外专利保护及技术垄断。德国F.Zimmer等人7提出的一种基于MEMS技术的扫描光栅光谱仪，复色光入射到可旋转的光栅上，通过调制光栅，使不同波长的衍射光入射到单个InGaAs探测器。可测范围0.9um2um。但是，该光栅光谱仪中使用了微机械扫描结构，同时所使用的衍射光栅加工复杂。韩国美卡希斯有限公司研发制造的食品专用检测设备，但是价格昂贵。此外，德国Hamburg -Harburg大学、瑞士Neuchatel大学、美国斯坦福大学、芬兰学者Martti Blomberg等都进行了光谱检测仪方面研究。国内具有代表性的是：重庆大学温志渝等人开发的基于微镜的红外光谱仪器和集成微型近红外光谱仪，该微型近红外光谱仪采用MEMS扫描微镜，使用集成化技术，仪器体积大大减小，是国内科研机构最早研制出来的微型近红外光谱仪。但是由于国内工艺很难有效解决扫描镜面积（入光能量）和驱动电压这两个关键参数的匹配，目前正在进行多电极驱动扫描微镜近红外光谱仪的研究。另外温志渝等人也研制了基于线阵探测器件的微型近红外光谱仪。但是，由于使用昂贵的InGaAs探测线阵，仪器成本比较昂贵。中科院长春光机所开发出基于固定滤光片的粮食专用型NIR 分析仪。郑建荣等人研制了滤光片反射式NIR 测试装置,对流化床喷雾制粒生产过程中颗粒含水量进行了实时监测试验。谢晓明提出了一种用于中途油气层探测的基于滤光片的NIR实时测量系统。上海棱光技术有限公司研制出了光栅扫描式NIR 农产品品质分析仪。国土资源部现代地球物理开放实验室研制出了光栅扫描式便携NIR 矿物分析系统。江绍基研制了光栅扫描式光学膜厚NIR 监控仪。天津大学基于AO TF 技术开发出了NIR 乳品成分快速分析仪。毕卫红提出了一种新型的基于AOTF 的便携式NIR 光谱测量仪。中国农业大学研制出以LED 为光源的便携式NIR 整粒小麦成分测量仪和NIR 玉米品质分析仪。北京第二光学仪器厂研制出WQF -400N 型傅立叶变换型NIR 光谱仪和辛烷值测定仪。此外，浙江大学、华中农业大学、石油化工科学研究院等进行了基于光谱分析的食品安全监测研究，并取得了一定的成绩。3 国内外优缺点分析但是，以上这些光谱分析方法推广应用于广大食品源头进行食品安全监测，尚存在以下问题：（1）除了滤波片型光谱仪，均只能进行少样本定点抽查检验或者实验室使用，而且费用昂贵；而滤波片型的检测对象又过分单一，造成了我国食品安全监测力度弱的现状。（2）国外仪器价格昂贵，且技术受专利垄断，不利于普及推广应用。（3）近红外光谱的线阵探测器价格昂贵，难以削减整套监测系统的成本。（4）作为光谱分析仪器中的关键器件衍射光栅/调制器，上述光谱分析仪器用到的此类器件，采用MEMS工艺制作较复杂，质量难以保证。其中优势明显的Stephen Senturia教授等人推出的基于衍射光栅光束原理的可编程式数字变换光谱仪，虽然实现了实时在线监测，但是由于价格昂贵，售价为2030万元，几乎不可能在我国和其他欠发达国家的广大食品源头进行普及应用。纵观国内外以MEMS和光谱分析为主流技术的光谱监测系统的研究现状，尽管国内外科学工作者在近红外光谱监测系统的理论基础、样品分析等方面作了大量的探索研究工作，已取得了重要进展。但是，离真正能广泛应用于适合发展中国家的食品安全监测仪还有很大的距离。目前还主要存在系统微型化、关键器件微制造工艺、监测系统集成化、价格等诸多问题需要解决，特别是利用新原理和新方法进行系统的优化设计、避开国外专利限制、系统的探测和信息处理和加工技术基础是目前需要突破的众多需要解决的重要科学研究问题之一。