光谱分析技术国内外研究现状.doc

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1、光谱分析技术国内外研究现状1光谱分析技术简介12国内外研究现状12.1国外研究现状12.2国内研究现状23数字变换方法在光谱分析中的应用21光谱分析技术简介光谱是反映辐射强度或其他与之相关性质随波长（波数）变化的谱图。目前，它是一种被广泛应用于研究表征物质的化学组成，在分子层次上的结构及分子间相互作用的有力手段。光谱又分为红外光谱（红外光谱分为近、中、远红外光谱）、可见光光谱、紫外光谱。先目前以红外光谱分析技术应用较多红外光谱的形式虽然多种多样，从本质上可分为发射光谱和吸收光谱两大类。物体的红外发射光谱是指样品在通过受激或自发辐射的条件下，所发射的红外光的强度随波长(波数)变化的光谱图，红外发

2、射光谱主要决定于物体的温度和化学组成。吸收光谱是指样品对红外辐射的吸收能力随波长(波数)变化的光谱图，在实验上，使红外光与样品发生相互作用，测定红外光与物质相互作用前后光强的变化与波长(波数)之间的关系, 称红外吸收光谱。2国内外研究现状2.1国外研究现状目前,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：（1）美国德州仪器公司的Ronald E.Stafford等人9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。

3、（2）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的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。（3）德国

4、的F.Zimmer等人提出的一种基于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。（4）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。2.2国内研究现状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

5、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

6、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

7、数字变换方法在光谱分析中的应用针对以上国内外现状分析，结合课题组多年来在光谱技术和基于MEMS光调制器技术方面的研究成果，根据“国家国家自然科学基金2009年度课题申请指南（信息学部）”，密切跟踪目前国内外在近红外光谱研究领域的趋势和进展，特别是结合我国国情和我们微系统研究中心的前期探索研究成果和经验，旨在研究基于MEMS光栅光调制器的近红外光谱监测仪，以商用光盘为色散元件，以基于MEMS的光栅光调制器线阵为扫描器件，利用数字变换方法和单个近红外探测器实现全光谱的探测。该方法构成一种面向食品安全监测的新型光谱监测仪器，能够覆盖可见与近红外光谱范围。本思想和方法，以及研究的光栅光调制器不同于目前国内外报道的原理，而是吸取他们的某些先进思想，结合我们多年来在光调制器方面的研究成果，是在前期探索研究工作基础上的继续。具体内容包括：仪器系统总体结构设计建模与仿真；商用光盘色散和分辨本领；光栅光调制器线阵及其数字变换原理；信号处理等关键技术；构建实验系统等。而数字变换方法则是把探测器得到的强度谱图通过Hadamard变换转换成I-的关系图以此来和没加入样品池的I-关系图作比较近直接得出样品池的成分。