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近红外光谱仪的微型化

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2024/06/24

近红外光谱（NIR）

近红外光谱仪器在小型化和微型化的道路上从未止步，从实验室台式(Benchtop)、车载便携式(Portable)、手持式(Hand-held)，发展到袖珍式(Pocket-sized)和微型(Miniature)，用了不到十年的时间。尤其是集成了机、电、光、磁、化学和传感等多种机械、微电子与信息技术的微光学电子机械系统，促进了近红外光谱分析仪的微型化。微型近红外光谱仪具有重量轻、体积小、检测速度快、使用方便、可集成化、可批量制造以及成本低廉等优点，可以应用在实验室化学分析、工业监测、航空航天遥感和临床医学检验等领域。

美国BRIMROSE公司与JETPROPULSION实验室联合设计和制造的一种新型声光可调滤光器近红外(AOTF-NIR)光谱仪，就是采用微型窄带滤光片技术，通过改善施加在特殊晶体上的波长覆盖范围来调节波长分辨率和通光波长的反射型近红外微型光谱仪，其制造结构简单、性能良好、成本低廉。该微型光谱仪使用发光二极管阵列作为光源，光纤作为光波传输介质，重量小(<250克)，外观尺寸小(约为9.2cm×5.4cm×3.2cm)，扫描速度快(可达4000波长每秒)。它的分辨率高(达到0.0125nm)，波长调节速度快，灵活性高，可靠性好，将光谱分析从实验室搬入日常生活。

我国是农业大国，具有悠久的农业生产历史，而且传统的农业领域一向是劳动密集型行业。生产技术的不断进步与农具的革新推动了农业领域的发展，如粮食种植产业呈现出规模化、集约化、专业化、机械化的趋势，并从中解放出大量的农业劳动力。但是，像在云南、贵州、四川等西南山区的柑橘、刺梨、枇杷等果品种植行业，仍然依赖人工作业，效率低，成本高。传统的植保作业方式消耗高水量、高肥量和高剂量(施用农药及各种生长剂等)，同时造成高污染，这也成为行业的痛点。精细农业、数字农业、智慧农业的迅猛发展，使得集约化、精准化、数据化和智能化的农业新模式渐行渐近、触手可及，为植保行业的绿色发展带来了前所未有的机遇。近红外光谱技术与无人机、机器人的结合将扮演越来越重要的角色。传统果园为防治果树的病虫害，几乎每个月都需要施撒农药两次以上。若以人工作业为主，弥漫的药雾对人体伤害较大。而且由于人工喷药的雾化程度不高，会造成大量的农药浪费，甚至土壤污染。无人机携带光谱仪，可先对果树的病虫害进行评估，然后根据虫病的危害程度，通过无人机或地面机器人实施特定条件下的药剂与药量喷洒。植保无人机进行覆盖树冠部分的精准农药喷洒，精度可以达到厘米级，极大地节省用药量以及人力。此外，植保机器人还可帮助完成果树的修剪和授粉等任务；在果实管理方面，果实采摘机器人上的近红外光谱分析仪可实时判断果实的成熟度，适时采摘，有效提高水果质量。采摘后的水果通过智能分拣系统，实现果品的大小和品质自动分选，整个分拣过程包括上料、卸料、分选、装箱、包装、码垛等。施肥机器人上的近红外光谱仪对果园土壤的水分和肥力进行实时测定，根据其水分及各种元素组成等结果适量、变量施肥施水。通过分析土壤水分、果树的长势以及近期的气象预报等大数据，制订出短期的灌溉计划，并利用现代化的装置便能实现精准灌溉和科学施肥，从而节省大量的水资源，有效地减少了施肥量，降低农业成本的同时保护环境。近红外光谱仪能与无人机、机器人、自动驾驶、人工智能、物联网、区块链、大数据等技术融合，形成感知、互联、分析、自学习、预测、决策、控制的全生态链智慧农业。果农无论在何方，都可以用智能端，多角度调转，对每块田甚至每棵树的长势进行云端管理，争取让每颗果树达到理想生长曲线，真正实现智慧果园的“标准化种植”和“无人值守”。采用复合光纤传感阵列设计的微型近红外光谱仪，可以通过波长、相位、衰减分布、偏振和强度调制、时间分辨、收集瞬时信息等真正实现多通道光谱分析，同时检测、鉴定和量化复杂待测物成分。目前市场上SI-WARE公司的NeoSpectra系列光谱仪，外观精巧、成本低、光谱覆盖范围广、能耗低，能够提供透反射、吸光度、颜色、激光多种连续测量。

食品是人们最基本的生活需求，其营养与安全不仅直接关系人类的健康生存，还关系到国计民生、建设和谐社会的大事，甚至还严重影响着经济与社会的发展。随着生活水平的不断提高，人们愈发注重身体健康，对食物的追求已经不只局限于简单的吃饱、吃好，对食品的营养安全提出了更高的要求。如果要真正做到精准营养、健康饮食，那么搞清楚食物中的营养成分是必不可少的环节。掌控食品营养成分的质和量，不但可以指导人们合理控制营养膳食，也可对食品的生产、加工、运输、贮藏等过程进行合理控制，为及时了解食品品质的变化、保障个人饮食健康，提供了可靠、科学的依据。

传统食物分析仪器往往是放置在实验室里的昂贵设备，例如凯氏定氮仪、气相色谱仪、液相色谱仪等。而市场上的食物种类繁多，质量检测人员以及消费者往往需要耗费大量的时间和精力才能搞清楚每样食物中的成分和营养。那么能否发展和应用移动式、便携式、嵌入式和可穿戴式近红外光谱仪来解决这一常规分析问题呢？日本科学家发明了世界首台卡路里测量仪Calory Answer，采用近红外光谱原理，可以在不接触、不破坏食物的条件下，全自动直接测量单一食品材料和混合类食物的指标，分析时间为6min。测量指标包括热量、蛋白质、脂肪、碳水化合物、水分、酒精等。其简单快捷的特性可充分体现在餐饮服务业的日常检测中，诸如菜肴、盒饭等复杂混合食物是无法用传统方法快速准确得到其卡路里值的。该仪器被普遍应用在日本各大超市、食品加工厂和营养机构等场所，国内很多健身机构、营养配餐机构也配备了这样的设备。

加拿大科学家发明的一款只有钥匙链大小的“Tellspec”手持式食物热量扫描仪，需与智能手机应用程序配合使用。这个扫描仪装有一个分光计，用户只需扫一扫便可获知食物的热量，可以帮助用户了解食物内的过敏源、化学物质、营养物质、热量和配料，甚至能够穿透塑料扫描食物，让购物者在超市选购食品时先扫描，再决定是否购买。扫描食物后，扫描仪将获取的数据上传到网络服务器。随后，经过特定的算法创建一份报告，并传输给智能手机应用程序，显示食物的成分，从而帮助消费者选择食物。以色列科学家发明的一种拇指大小的近红外线光谱扫描仪SCiO，可用于探测食物、药品和其他物品中的化学成分。只要拿着扫描仪对准目标物品按下按键，使用者就可以获取其内部成分含量。比如查看一块奶酪含有多少卡路里，或确定一只挂在枝头的西红柿何时能熟透。未来，该产品将具备识别食物生熟、变质的功能，通过建立强大的后台数据库，甚至可以识别出含不良添加剂的牛奶。随着越来越强大的电子消费产品及相关技术的迅速发展和移动营养与健康技术的突破，可将光谱设备嵌入到智能手表、洗衣机、烤箱和真空吸尘器中。可以假设此类嵌入式设备的制造商对产品的稳定性、特定温度和湿度范围内的适用性，以及校准承担全部责任，能为整个产品提供自动决策。最新一代的光谱仪，包括基于光子或等离子体设备的光谱仪，有望实现极端小型化和极低的成本，可以集成到普通大众的智能手机中，供消费者在线识别和检测生鲜新鲜度、食物营养价值、环境过敏原、皮肤状态等，实现长期的跟踪指导、营养自助评价、饮食结构调整，实施精准营养、健康服务。未来可能会出现“胶囊化”甚至“微尘化”的微型光谱仪，只有一粒种子大小，可以感知、储存和传输数据，进入人体的消化系统，甚至血液系统中，实时监测人体的健康状况。在临床医学上，与智能手术机器人结合，可高精度判别和切除病灶组织，实现真正意义上的精准医疗。

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