小型成像光谱仪

近日，芬兰阿尔托大学（Aalto University）孙志培院士团队和上海交通大学蔡伟伟教授团队，浙江大学杨宗银教授团队，四川大学崔汉骁教授团队，以及英国剑桥大学的Tawfique Hasan教授团队等合作开发了一种基于可调范德华异质结的高性能超微型光谱仪，尺寸仅为数微米。通过学习该异质结在不同栅极电压下的光电流响应，结合先进的重构算法，研究人员在可见光和近红外波段突破性地实现了~0.36纳米的窄带光谱准确度，以及~3纳米的宽带光谱分辨率。该新型光谱仪不仅无需传统光谱仪中的光栅，光电探测器阵列等复杂器件和结构，还具有极高的准确度和分辨率。该工作不仅为高性能光谱仪的微型化提供了全新的思路，也为大规模片上光子系统集成，芯片实验室等先进技术实现了重要基础性突破。相关研究成果于近日以题为“Miniaturized spectrometers with a tunable van der Waals junction”的研究论文形式在线发表于Science期刊。计算光谱仪的性能取决于其波长依赖性光响应度的可变性。vdW结的界面带取向的电调谐（图1A）可实现可控和独特的层间传输。这种电可控的层间传输允许在宽光谱范围上具有高灵敏度和可变性的可调谐光谱响应（图1A）。作者将电可调谐的单vdW结与各种应用的计算重建算法相结合（图1B）。为了在实验上实现光谱仪概念，作者进行了以下三个步骤（图1）：（i）使用多个已知入射光谱测量门可调谐光谱响应，（ii）测量待分析的未知入射光的门可调光电流，以及（iii）根据学习和测试过程中获得的结果，使用重构算法计算未知入射光的光谱信息。图1 超小型化光谱仪概念在不同的栅极电压和入射光波长下调谐对光谱仪至关重要。作者选择MoS 2/Se 2异质结（图2A）作为例子。MoS 2/Se 2异质结被顶部和底部的六方氮化硼（h-BN）层所封装，分别用于绝缘和钝化。堆叠层下面的单层石墨烯薄膜被用作局部栅极电极，用于有效的栅极调谐。MoS 2/Se 2通道及其异质结的传输曲线是在黑暗条件下漏源电压为3V时测量的（图2B）。MoS 2/Se 2异质结的 "反双极 "行为和其他传输特性是MoS 2/Se 2异质结的典型特征，提供了明显可区分的V GS依赖性。测量的MoS 2/Se 2异质结的传输曲线表明有很强的波长依赖性（图2c）。光谱响应矩阵（图2D）从跨越可调谐的MoS 2/Se 2异质结产生的光激发电荷载流子的动力学中继承了丰富的结构，证实了在MoS 2/Se 2异质结中具有快速和稳定的光谱检测与可调谐能力。在编码这个光谱响应矩阵（图2D）后，就可以通过测量未知入射光的门控可调谐光电流，然后计算其约束最小二乘解，以使用自适应吉洪诺夫正则化方法通过最小化具有正则化因子的残余范数来重建光谱。并证明了单结光谱仪概念的可行性（图2E和F）。图2 单结光谱演示在实际应用中，波长分辨能力是衡量光谱仪的一个重要标准。为了证明此单结超微型光谱仪的高光谱分辨率能力，作者通过一个超小的学习步骤（0.1纳米）构建一个高密度的光谱响应矩阵，使用波长为675至685纳米的单色光进行学习过程（图3A）。此单结光谱仪由高密度光谱响应矩阵编码，可以高精度地分辨单色光（图3，B和C）。重建光谱和参考光谱之间的平均峰值波长差（Δλ）为∼0.36±0.06纳米，最小为∼0.04纳米（图3D）。这与0.1 nm的学习步骤相当。在给定的输入波长λ下，平均波长分辨率是∼3470（图3D）。此外，作者测量复杂的入射光谱以研究光谱分辨率。成功区分了∼679 nm处相隔∼3 nm的两个峰（图3E）。为了说明单结光谱仪的未来发展可能性，作者还证明此方法具有改进的光响应性的潜力，可实现比商用小型化光谱仪更高的分辨率（图3F）。图 3.高性能波长分辨功率和光谱分辨率此单结光谱仪可以从最近开发的大规模2D材料合成中受益，以构建用于未来光谱成像的阵列。使用此光谱仪通过空间扫描演示了由红色、蓝色和透明区域组成的彩色滤光片的概念验证光谱成像（图4A）。在每个映射位置，测得不同V GS处的光电流数据一般事务记录在空间响应数据立方体中，用于光谱重建。在不同V GS下扫描的一系列光电流映射数据被显示出来（图4B）并转换为在不同波长下重建的一系列光谱数据（图4C）。在此演示中，图像分辨率由映射步骤定义。此概念在未来的阵列设备进行大规模光谱成像方面具有巨大的潜力，可以在微米或纳米尺度的结中提供高空间分辨率。图 4. 光谱成像的概念验证演示在此光谱仪中，无需光电探测器阵列、滤光片阵列或其他笨重的色散元件即可实现高分辨率、亚纳米级精度和宽工作带宽。作者的单结光谱仪占地面积小，可提供与当前光子集成电路和CMOS兼容工艺的可扩展性和兼容性，从而直接集成到现代智能手机、芯片实验室系统以及从生物植入物到无人机和卫星等其他定制设备中。本文所报道的范德华异质结光谱仪，简化了传统光谱仪中为实现高性能所采用的复杂光电探测器阵列，滤波器阵列，以及其他复杂的分光、色散结构和元件，使光谱仪尺寸缩小到微米量级；利用异质结栅压可调光谱响应的特性及计算重构算法，实现了极高的光谱准确度和分辨率。该工作是一项重要的基础性突破，将为大规模片上光子系统集成，芯片实验室等先进技术的小型化提供高性能解决方案。

p style=" text-align: center " 便携式近红外光谱仪器应用技术交流会召开 br/ /p p 　　 strong 仪器信息网讯 /strong 2018年11月17日，“便携式近红外光谱仪器应用技术交流会”在无锡召开。该交流会由中国仪器仪表学会近红外光谱分会苏沪工作站主办、无锡迅杰光远科技有限公司承办，超100人参加了此次会议。本次交流会由近红外产品相关从业者与近红外产品用户代表共同参与，研发、生产、应用三方从各自角度“发声”，探讨便携式近红外产业创新发展之路。 br/ /p p 　　为了凝聚苏沪及周边地区从事近红外光谱技术研究与应用的力量，近红外光谱分会在2017年4月23日成立苏沪工作站。成立这一年多时间里，苏沪工作站已发起和主办了多场近红外光谱技术论坛，苏沪工作站已经成为近红外光谱分析技术在当地发展的平台，促进了近红外技术更快的发展。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/d68d9a76-4c24-4053-9e84-7aa83e7b8c23.jpg" style=" " title=" IMG_4986.jpg" / /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/1a18a9c7-98cc-426e-8ea2-36d561131cc7.jpg" style=" " title=" IMG_4988.jpg" / /p p style=" text-align: center " 交流会现场 /p p 　　上世纪70年代的一台傅里叶变换中红外光谱仪器或80年代的一台拉曼光谱仪器的体积，可能会占据半个实验室那么大。而现在的傅里叶变换中红外光谱仪、近红外光谱仪、拉曼光谱仪已经做到了可手持大小。其中，小型化的光谱将在现场检测、实时测试等领域发挥巨大作用。来自德国杜伊斯堡-埃森大学教授的H.W.Siesler介绍到，相关市场调查报告所示，小型光谱仪器的市场预期在2021年将达到3亿美元，年复合增长率为15%。这个增长将以现场检测和日常生活消费类应用为基础。 /p p 　　不久前，巴西坎皮纳斯州立大学塞里奥.帕斯奎尼教授发表了一篇关于近红外光谱研究最新进展的综述文章。该综述主要从近红外的三大支柱——基础研究、化学计量学、仪器三方面展开评述。其中，关于光谱仪的研制进展，主要集中在专用仪器、过程分析仪器、微型/手持光度计、高光谱成像与成像仪器等方面。对此，南开大学教授邵学广也曾在多个场合表示，价格更便宜、速度更快、专用、特殊功能、灵活数据传输等是小型近红外光谱的发展方向。 /p p 　　日前，巴斯夫的初创公司TrinamiX推出了一款名为Hertzstü ck的小型红外传感器，采用了PbS探测器，波长范围为1000-3000nm。Hertzstü ck可以作为传感器芯片安装在智能手机的电路板上。TrinamiX希望到2022年消费者就可以用到这款近红外光谱。 /p p 　　那么，小型近红外光谱仪到底具有哪些优点和发展机会呢?当然，它也必然存在着一定的劣势和面临的困境。光瞻智能科技的罗苏秦对此做了深入分析，他指出，小型近红外光谱仪器具有低价、灵活、稳定、集成系统容易调整、即插即用等优势 而在光谱分辨率、扫描范围、灵敏度、长期稳定性、可靠性、精确性、仪器标准化等方面还存在着很多不足。小型近红外光谱仪的发展机会主要在于现场检测、消费者相关市场、工业4.0和过程分析、简单应用、可以使用第三方软件等方面 而威胁主要来自于大品牌以及众多同类产品的竞争对手、用户对近红外的接受程度、一些失败事例会打击用户对近红外的信息。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/877ac1eb-4dec-43b1-99f0-c4367141a7e1.jpg" title=" IMG_4996.jpg" alt=" IMG_4996.jpg" / /p p style=" text-align: center " 杜伊斯堡-埃森大学H.W.Siesler分享 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/aa45e00b-ab40-4c61-a953-1efd8a06ce46.jpg" title=" IMG_5012.jpg" alt=" IMG_5012.jpg" / /p p style=" text-align: center " 南开大学邵学广分享 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/316f2a9d-c51b-4948-98ce-da1060df85cc.jpg" title=" IMG_5024.jpg" alt=" IMG_5024.jpg" / /p p style=" text-align: center " 光瞻智能科技罗苏秦 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/78f5ed78-b5e3-4f3b-9c8c-e54a49a20fb7.jpg" title=" IMG_5190.jpg" alt=" IMG_5190.jpg" / /p p style=" text-align: center " 江苏大学陈斌致辞 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/89659a80-f3e0-4980-92bf-4dc7972608e3.jpg" title=" IMG_4992.jpg" alt=" IMG_4992.jpg" / /p p style=" text-align: center " 华东理工大学杜一平致辞 /p p 　　此次技术交流会，国内外多家近红外光谱仪器厂商参与，分别介绍了其产品技术特点以及在研发、应用等方面的经验与体会。 br/ /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/144702d6-8454-415f-b29d-6088a6f3bddf.jpg" title=" IMG_5067.jpg" alt=" IMG_5067.jpg" / /p p style=" text-align: center " 无锡迅杰光远科技有限公司 兰树明 /p p 　　迅杰光远2016年在无锡成立，核心业务是小型化近红外设备开发、建模服务及应用方案开发。针对目前中国近红外光谱技术应用中存在的问题，迅杰光远提出了研制“不操心易接受，在保障性能的同时尽可能低价格”的近红外光谱仪器，同时，致力于“保证光谱仪的一致性，实现远程建模，并且，建立一支专业应用团队来帮助用户维护仪器和模型”的发展目标。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/1ef359a8-b9fb-4417-ae6d-1abc239da0db.jpg" title=" IMG_5085_meitu_2.jpg" alt=" IMG_5085_meitu_2.jpg" / /p p style=" text-align: center " 上海棱光技术有限公司 蔡贵民 /p p 　　由于近红外光谱分析技术的应用特点，使得近红外光谱仪器具有以下几个特点：更侧重光谱的信噪比，弱化光谱的分辨能力 丰富的光谱预处理算法，有效弥补仪器的一些硬件设计弱点 化学计量学与应用模型的结合，拟合能力强大，让仪器光谱更加相对化，仪器无需完成所谓的标准化光谱。蔡贵民结合上海棱光研制新款光栅扫描型近红外光谱仪的过程，介绍了一些研制体会，给大家一些解决方法以供参考。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/22fa5904-bbf8-4631-b30c-32c6877f607e.jpg" title=" IMG_5127.jpg" alt=" IMG_5127.jpg" / /p p style=" text-align: center " 上海昊量光电设备有限公司--王亮 /p p 　　上海昊量光电设备有限公司是国内知名的激光及光电设备代理商，专注于光电领域的技术服务与产品经销。日前昊量光电与德国INSION GmbH公司签订了独家代理协议。德国INSION公司的产品，将集成光学技术应用到光纤光谱仪产品上，将光纤光谱仪所有光学元器件集成在一块基底材料上(One-chip design)，从而设计生产出了微型光纤光谱仪(厚度仅为9.5mm)。INSION超紧凑型光纤光谱仪广泛用于医疗检测，食品检测，农业机械，LED分选，化工在线检测，颜色测量，生化分析等领域。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/abb1cc79-e653-4efb-b178-7b149fcbbb85.jpg" title=" IMG_5149_meitu_3.jpg" alt=" IMG_5149_meitu_3.jpg" / /p p style=" text-align: center " 济南海能仪器股份有限公司--吕江川 /p p 　　2017年，海能仪器与芬兰Spectral Engines Oy公司达成战略合作协议。Spectral Engines研发生产的基于MEMS技术的微型近红外光谱探测器NIRONE SENSOR，具有体积紧凑、完全可编程、高SNR和准确度、适合大批量生产、价格低、适合集成到在线或便携式设备等优点 结合丰富的光学附件、扩展附件等，为微型近红外光谱探测器的二次开发和研发提供了一种方便快捷的解决方案。 /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/18bd1fdd-fbb8-4a93-bdbd-a2b36d800ffc.jpg" title=" IMG_5188.jpg" alt=" IMG_5188.jpg" / /p p style=" text-align: center " 北京伟创英图科技有限公司--姚建垣 /p p 　　姚建垣在分享中，谈到了对于便携式近红外光谱分析仪产业化的几点体会：尊重市场、谨慎开发，在眼花缭乱中有所为有所不为 做好定制化细分小市场精准服务。蚂蚁啃骨头大有作为 明晰用户检测需求，引导用户正确应用便携式近红外光谱检测技术，对检测误差需求要客观分析 便携分析仪可靠性、稳定性是最关键技术指标 做好产业化技术、批量化制造工艺是关键，软件是核心 温度是近红外光谱技术应用的最大隐患，小仪器大隐患。 /p p 　　对于近红外技术市场的推广姚建垣也发出了倡议：不过度消费市场，保护近红外光谱检测技术健康发展 不搞低价竞争，匠心做好产品制造，专心做好精准服务，留有共同发展空间，精心发展近红外光谱事业 近红外光谱技术的核心是应用，人的因素是最重要的，绝大多数的失败案例在于人的因素，加强应用培育、培训、指导、咨询工作极为重要 近红外光谱市场巨大，领域、行业应用众多，企业个体无法完全应付，应发展第三方服务业务，专业做好应用支持 近红外光谱技术解决了大量快检应用的痛点问题，得到了广泛的应用，同时，解决近红外光谱技术本身痛点问题也应受到关注，例如：模型应用难度、低含量检测预处理技术、批量制作工艺技术、仪器标准化技术等。 /p p 　　关于此次便携式近红外光谱仪器应用技术交流会，中国林业科学研究院杨忠研究员同时进行了手机网络直播，点击观看的人数已超过13000人次。 /p p 　　 a href=" http://m.zm518.cn/zhangmen/livenumber/share/entry/?sharerId=c548e416719741f89-3938& circleId=71025016342a14ee5-7a91& liveId=2042667× tamp=1542607429583& from=groupmessage& isappinstalled=0" target=" _blank" strong 直播回放||便携式近红外光谱仪器应用技术交流会 /strong /a /p p style=" text-align: center" img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201811/uepic/3fae5447-4f00-42a2-800e-4e4a2e01ee52.jpg" title=" 微信图片_20181119154947_meitu_4.jpg" alt=" 微信图片_20181119154947_meitu_4.jpg" / /p p style=" text-align: center " 用户与厂商交流现场 /p

作为最早问世的仪器分析技术之一，光谱分析技术走过了百年历史，已经逐步发展为一种特征明显、应用广泛的仪器分析方法。百余年来，光谱技术发展的一个显著特点就是持续不断地追求分析性能的提升，导致光谱仪器越来越复杂和精密。所以大型光谱仪通常都是通用型的，一台仪器可以做种类不同的样品，不同样品的分析方法也可能有所不同，因此对仪器使用的环境要求和人员要求都比较高，仪器的价格也较高。近一二十年来，光谱仪器领域出现了一个可喜的发展趋势，各式各样的小型光谱仪器不断涌现。与大型光谱仪比较，这类仪器的体积显著减小，价格急剧下降，仪器的工作方式，如分光方式、光电转换模式都发生了根本性的变化，有些甚至颠覆了传统光谱仪器的理念。我国对光谱仪器的开发工作起步较晚，基础薄弱，尤其在核心部件的研发方面，比如光栅、检测器、干涉仪等，至今也没有推出自主品牌的质高价廉的产品，目前依然依赖进口。开展高性能光谱仪器的开发，包括开发光谱仪器的核心部件当然非常重要，是国家战略，是避免被卡脖子的必要措施。但开发和应用小型光谱仪器也应该作为我国光谱技术发展的一个方向，甚至我觉得应该更受重视。我国国民经济各个领域对光谱仪器的需求巨大，但这种需求是应用层面的，应用驱动的光谱分析技术更受欢迎。科研创新的力量是应用，光谱仪器发展和创新的力量也是应用。在应用层面小型光谱仪器具有得天独厚的优势。小型光谱仪器，或称为光纤光谱仪，小巧、价廉、使用方便，可自由搭配，当然性能一般不及大型光谱仪器，所以作为通用型仪器，小型光谱仪使用的优势不明显。但作为专用的分析仪器，如果能与应用完美结合，充分发挥其独特的优势，能起到大型仪器不易做到的作用。鉴于小型光谱仪使用灵活，其理想的用处就是与应用相结合，发展特定检测对象专用的仪器设备，或某行业/领域专用的仪器设备，前景美好。这类仪器容易做到：多种功能一体化，操作一键化，分析流程傻瓜式，发展潜力巨大。完整的分析检测过程包括样品前处理，分析仪器测量，以及数据处理等几个步骤。如果在硬件和软件上能设计实现这三个功能一体化的检测系统，就解决了用户在应用层面的所有关注的问题，也能改变传统仪器分析方法对仪器、样品处理和操作人员的严格要求，减小了人力、物力、财力成本，甚至可以实现一键化或傻瓜式的仪器操作。我们课题组采用小型光谱仪设计了一套多功能光谱检测设备（如图1所示）。用医用注射器吸取被测样品溶液以及衍生化试剂，在注射器内对被测组分进行衍生化以增强荧光信号强度；在注射器头位置接一个放置尼龙膜的小型膜固相萃取器件，通过推注射器活塞杆将样品衍生化产物富集到尼龙膜上；取出尼龙膜放在专门设计的荧光光谱测量装置上，荧光激发光源采用LED灯，用小型光谱仪测量荧光光谱。整个装置体积小，价格低廉，可以实现物质的高灵敏检测。该设备已经用在伏马毒素和磺胺类药物的检测中。图1 膜富集多功能荧光光谱检测设备我们还针对中药提取的监测问题发展了一套过程的光谱监测系统。从提取罐上连接一个管路，通过可以正反两个方向转动的动力泵把提取液吸入管路，为了防止提取罐中的残渣进入管路发生堵塞现象，以及对光谱测量的影响，在管路适当位置安装过滤装置；吸入管路的溶液可流入流通池进行光谱采集；采用小型光谱仪在流通池位置测量光谱，甚至可以采用多种光谱仪采集不同种类的光谱信号；光谱测量结束后动力泵反转将提取液反向推动流回提取罐，这时流动的提取液可以清洗流通池、管路和过滤装置，达到自清洁的作用。这套系统实现了在线过程监测中采样、过滤、光谱采集、清洗等多个功能。一个周期可在1分钟内完成，大大提高了在线过程光谱监测的速度，而且可以实现整个过程的自动化。（作者：杜一平 华东理工大学化学与分子工程学院）《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》把创新放在了具体任务的第一位，全文160余次提到了“创新”关键词。2022年第十三届全国人民代表大会第五次会议上，国务院总理李克强所作的政府工作报告中，亦明确指出要坚持创新驱动发展。对科学仪器产业而言，“创新”更是至关重要。近年来，我国对科学仪器的创新和研发高度重视，先后设立了“科学仪器基础研究专项”、“国家重大科研仪器设备研制专项”和“国家重大科学仪器设备开发专项”等科研计划等。2021年11月，北京“十四五”规划也指出要支持开展关键仪器设备研发，支持挖掘一批服务于重大科技基础设施的定制化科学仪器和设备，重点突破研发新一代光谱等关键技术。不断高攀的前沿研究是创新，差异化的产品发展也是创新。为了展现光谱仪器的创新成果，分享光谱仪器研发和应用中的创新思维，共同促进光谱仪器产业化的创新发展，仪器信息网特别策划《寻找光谱仪器创新的力量》活动，邀请从事光谱仪器及应用开发的专家学者一起分享创新成果，并探讨创新的方法和思维。更多详情请点击》》》