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除了生孩子，啥都能干的光譜儀
2022年09月21日 09:16:50
來源：愛蛙科技 點擊量：6812
微型光譜儀可以上天入海，可以用于熱門的半導(dǎo)體制造、拉曼醫(yī)療、環(huán)保等等領(lǐng)域，這些都是特別引人注目的所在。然而除此之外，它還有包羅萬象的應(yīng)用場景。
摘要：一文盤點光譜儀的巧思妙用。
微型光譜儀可以上天入海，可以用于熱門的半導(dǎo)體制造、拉曼醫(yī)療、環(huán)保等等領(lǐng)域，這些都是特別引人注目的所在。然而除此之外，它還有包羅萬象的應(yīng)用場景，一文總結(jié)小型光譜儀/緊湊型光譜儀的巧思妙用。
想起朋友圈調(diào)侃Python時說，除了不能生孩子，啥都能干，吼吼~~光譜儀面對紛繁復(fù)雜的物質(zhì)世界又何嘗不是，它啥都能干~~
切入正題。30年來，海洋光學(xué)/Ocean Insight在全球上百萬客戶的使用中，開發(fā)的應(yīng)用成千盈百。一起來看看微型光譜儀都能干些啥吧。
一、 基礎(chǔ)物理測量
•激光檢測
微型光譜儀被廣泛用于激光譜線測量，同時還有豐富的光纖和附件用于激光樣品處理過程的效果分析?？蛻羰褂肞C2000光譜儀和光纖，可用于在線測量CO2激光在焊接金屬時產(chǎn)生的羽流，以及研究不同材料的焊接過程。通過分析激光焊接羽流中的元素濃度和羽流的溫度數(shù)據(jù)，可以確定焊接的效果。測定元素種類在控制不同合金的焊接時非常有用，羽流溫度可以通過調(diào)整激光強度和焊接速度來校正。
•上升流和下降流輻射測量
在太平洋上一座名叫新喀里多尼亞的小島, 一支多國科學(xué)考察隊采用光譜儀測量露天采礦對海岸侵蝕、海草生長及珊瑚礁健康狀況的影響程度。這些科學(xué)家主要研究水面反射率和紊流分布之間的關(guān)系, 后者與含有金屬及污染物的水流有關(guān), 因此也跟海草生長和珊瑚礁的健康狀況相關(guān)。
二、 生物化學(xué)測量
• 吸光度
溶液的吸收率與濃度的直接關(guān)系被稱為比爾-蘭伯特法則(Beer-Lambert Law)，簡稱為比爾法則。使用光譜儀可以通過測試幾組已知摩爾濃度的溶液樣品，計算出溶液吸收率與濃度關(guān)系的匹配曲線，從而測量未知濃度的溶液樣品。
• 透光率/反射率
反射率測量可用于測定樣品的化學(xué)成分，也可以根據(jù)反射光譜換算為色度值，表征樣品的顏色信息。
• 熒光
熒光測量需要有一個靈敏的探測器和一個高效率的濾光片，將樣本發(fā)出的微弱信號光和高強度的激發(fā)光區(qū)別出來。
• 拉曼
在很多應(yīng)用領(lǐng)域，拉曼光譜學(xué)正迅速成為最受歡迎的化學(xué)鑒定技術(shù)。
拉曼技術(shù)的優(yōu)勢在于：
♦ 非侵入性：可以透過玻璃或者塑料采樣；
♦ 非破壞性：樣品可以重復(fù)使用；
♦ 測量迅速：典型的測量時間5-30秒。
它提供快速可靠的非破壞性的化學(xué)品分析，包括水溶液，粉末，藥片，凝膠和各種表面。基本配置包括一個單色光源，通常是激光器，用來激發(fā)樣品，再由光譜儀收集散射光。
• 大氣監(jiān)測
監(jiān)測大氣和污染源排放的手段有很多，利用UV-DOAS來檢測大氣和煙氣的分光技術(shù)由于高靈敏度、多組分等優(yōu)點，得到迅速的發(fā)展。差分吸收光譜技術(shù)(DOAS)基本原理就是利用空氣中的氣體分子的窄帶吸收特性來鑒別氣體成分，并根據(jù)窄帶吸收強度來推演出微量氣體的濃度。
• 土壤重金屬
土壤重金屬污染是指由于人類活動，土壤中的微量有害元素在土壤中的含量超過背景值，過量沉積而引起的含量過高，統(tǒng)稱為土壤重金屬污染。污染土壤的重金屬主要包括汞(Hg)、鎘(Cd)、鉛(Pb)、鉻(Cr)和類金屬砷(As)等生物毒性顯著的元素。重金屬污染物在土壤中移動性很小，不易隨水淋濾，不為微生物降解，通過食物鏈進入人體后，潛在危害極大。
目前，已有多種方法應(yīng)用于土壤重金屬污染監(jiān)測研究，如傳統(tǒng)化學(xué)手段和熒光光譜法等，化學(xué)方法有較高的準確度和靈敏度，但需要預(yù)制樣品等前期處理；熒光光譜法易受基質(zhì)有機成分等影響。傳統(tǒng)檢測方法受限于自然界中土壤樣品嚴格的采集、儲存、運輸及測定要求，而激光誘導(dǎo)擊穿光譜法作為一種非接觸式光學(xué)原位檢測手段，能夠?qū)崿F(xiàn)多相態(tài)多組分、實時在線探測金屬微量元素，具備作為土壤重金屬污染監(jiān)控技術(shù)的潛力。
• 水質(zhì)分析
長期以來，利用化學(xué)試劑與流動注射法來對水質(zhì)進行分析已經(jīng)成為水質(zhì)檢測的常規(guī)方法，在大部分領(lǐng)域進行應(yīng)用。但這種方法本身存在化學(xué)試劑二次污染、維護成本高、維護周期短、占地面積大等缺點，因此在一些水質(zhì)分析領(lǐng)域，尤其是在地表水與飲用水源地的連續(xù)檢測方面存在很大的問題。而近幾年來，利用單純的光譜分析法來對水質(zhì)進行分析已經(jīng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。該方法與傳統(tǒng)的試劑法相比，具有無污染、維護成本低、維護周期短等優(yōu)點，將慢慢成為新一代的水質(zhì)檢測的標準方法。
• 煙氣(汞)監(jiān)測
汞是一種能在大氣環(huán)境中穩(wěn)定存在的生物累積物，在大氣中的平均停留時間長達半年至2年，是影響人類健康的劇毒物質(zhì)。目前燃煤火電廠、化工廠等固定污染源汞的排放控制越來越受關(guān)注，而對煙氣中的汞實現(xiàn)精確的在線連續(xù)測量是脫汞控制的一個重要前提。而發(fā)展一套性能穩(wěn)定，測量精準的汞連續(xù)排放監(jiān)測系統(tǒng)的首要工作就是研發(fā)出一套可靠的標定系統(tǒng)。目前國內(nèi)外主要用汞標準氣瓶和汞源發(fā)生器配標氣法來標定汞在線監(jiān)測系統(tǒng)，但氣瓶法價格昂貴，且標準氣體積有限，而滲透源配氣法也存在滲透源部件昂貴，流量難以精確控制等諸多問題。
上海理工大學(xué)顆粒與兩相流測量研究所針對目前汞氣標定系統(tǒng)存在的不足，提出一種新的汞氣標定方法，并自主研發(fā)一套汞氣標定系統(tǒng)，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)方法相比，有結(jié)構(gòu)簡單，便于現(xiàn)場應(yīng)用，操作方便，對環(huán)境無污染等優(yōu)點。實驗裝置主要由汞燈、密閉汞發(fā)生器、光譜儀(HR4000)及其它輔助件構(gòu)成。
四、 藥物研究
• 溶出度
指藥物從片劑、膠囊劑等固體劑型中在規(guī)定介質(zhì)中(模擬人體腸胃環(huán)境的溶液)的溶出速度和程度，是考察制劑內(nèi)在質(zhì)量指標之一。藥物在體內(nèi)吸收速度常常由溶解的快慢而決定，藥物的溶出速度和在人體內(nèi)吸收的速度很大程度上決定著藥效。因此在制劑中藥物的溶出速率應(yīng)予以控制。在藥物生產(chǎn)檢驗、臨床療效考察及藥品穩(wěn)定性檢驗、新藥研制、處方篩選、工藝改進等多個環(huán)節(jié)都需要考察這一指標。
目前，在檢驗藥品溶出度的測量方法上有紫外分光光度法、HPLC、熒光分光光度法、原子吸收分光光度法和極譜法等。已經(jīng)商品化的溶出度儀普遍采用的檢測方法是用掃描式紫外可見分光光度法，這種方法手動操作較多，費時費力，且不能同時測定多組分藥物的溶出度。國內(nèi)一些高校，研究所和企業(yè)將微型光纖光譜儀應(yīng)用到這一領(lǐng)域，實現(xiàn)了快速，并行對多組分藥物的溶出度檢測設(shè)備的研制。
• 快檢
隨著2011年《藥品生產(chǎn)質(zhì)量管理規(guī)范(2010年修訂)》的執(zhí)行，藥廠原輔料的檢驗正逐漸從原來的抽查向全面檢查過渡，每一包裝內(nèi)的原輔料均要求正確無誤。一直以來，被稱為“分子的指紋”拉曼光譜技術(shù)因其能夠提供快速、簡單、可重復(fù)、且更重要的是無損傷的定性定量分析，被廣泛應(yīng)用于各種化學(xué)物質(zhì)的檢驗，如司法鑒定、安全檢查、珠寶鑒定、晶體研究以及藥品鑒定。與紅外光譜技術(shù)互相補充。
• 藥物標記檢測
量子點是一種由II-Ⅵ族或III-V族元素組成的納米顆粒，尺寸小于或者接近激子波爾半徑(一般直徑不超過10nm)，具有明顯的量子效應(yīng)。利用量子點極強的熒光特性長期實時監(jiān)測和跟蹤生物分子間相互作用。不同顏色量子點同時觀測活細胞中或其表面的多個靶分子的優(yōu)點，通過檢測藥物作用前后的各量子點的熒光。 快速、高效、高靈敏度地尋找到藥物作用的真正靶點，加快藥物研發(fā)和論證。采用QE65Pro光譜儀搭配合適的激發(fā)光源，可以準確、快速的測量量子點的熒光光譜。
不同大小的CdSe量子點暴露在紫外光下會發(fā)出不同顏色的熒光
五、 光源檢測
作為一種環(huán)保、可靠、健康的節(jié)能照明方式，LED被稱為第四代照明光源或新一代綠色光源，具有高節(jié)能、利環(huán)保、壽命長、體積小、多變換等特點。海洋光學(xué)著力于為城市的未來提供更加創(chuàng)新和高效的道路照明解決方案，針對于中國道路照明的現(xiàn)狀和國家對戶外作業(yè)照明的規(guī)定，選取專門針對戶外光源檢測的JAZ-ULM-200光譜儀，除了能檢測傳統(tǒng)的光譜曲線、功率、色溫、色坐標等相關(guān)參數(shù)，最大的優(yōu)勢在于自帶OLED顯示屏和微處理器，擁有電池模塊和以太網(wǎng)借口，可脫離PC獨立工作并用于現(xiàn)場測量。
六、 寶玉石鑒定
• 橙黃色藍寶石的鑒別
橙色或黃色藍寶石極為罕見，不法分子通過對剛玉進行鈹散射(Be-diffusion)處理，可制成高仿真度的橙黃藍寶石，以前常用LA-ICP-MS(激光消融感應(yīng)等離子體質(zhì)譜分析法)或SIMS(次級粒子質(zhì)譜法)方法來鑒別藍寶石真?zhèn)?，但是這種鑒別實驗只能在很少有的專業(yè)寶石鑒定實驗室進行，且對樣品具有一定破壞性，既耗時又昂貴。瑞士寶石協(xié)會第一個使用海洋光學(xué)為其特制的SSEFGemLIBSTM系統(tǒng),分別對天然的與經(jīng)過鈹散射處理的藍寶石進行測試，實現(xiàn)了光譜儀在覆蓋200-980nm的波長范圍內(nèi)分辨率達到0.1nm的光譜測量。
• 塔希提黑珍珠的鑒別
人工染色的黑珍珠與塔希提黑珍珠的外觀相似，使用USB2000+光譜儀測定樣品的可見吸收光譜與相對激光拉曼光譜，能快速、簡便地鑒定黑珍珠的真?zhèn)?。天然塔希提珍珠無論色相如何，都具有三條位置固定的特征吸收譜帶(a帶407-412nm，b帶495-498nm，c帶702nm)，每個特征吸收譜帶的寬度決定于珍珠的色相與伴色；而人工染色的黑珍珠由于其原材料不同，因此其可見吸收光譜特征無規(guī)律可循。
七、 農(nóng)業(yè)應(yīng)用
• 土壤肥力監(jiān)測
土壤是農(nóng)作物的重要生長環(huán)境，土壤養(yǎng)分是指土壤提供給作物生長的必須營養(yǎng)元素，包括氮(N)，磷(P)，鉀(K)等13種元素。土壤養(yǎng)分含量的多少，可通過土壤測試儀，土壤養(yǎng)分測試儀等測土儀器來測量。然后對照土壤養(yǎng)分豐缺指標，就可判斷這塊土地的養(yǎng)分含量多寡，從而更好地利用土壤自身含有的養(yǎng)分，及時補充含量不足的元素?，F(xiàn)在市場上能夠測試、測定、分析土壤養(yǎng)分的測土儀器如土壤養(yǎng)分測試儀、土壤養(yǎng)分速測儀，都是傳統(tǒng)方法檢測，需要時間長，檢測需要添加化學(xué)試劑，不僅污染環(huán)境，還需要很高的成本，導(dǎo)致樣本數(shù)量有限，代表性差。
LIBS(激光誘導(dǎo)擊穿光譜)利用聚焦的強脈沖激光瞬時氣化樣品，產(chǎn)生高溫等離子體，通過原子特征發(fā)射光譜的測量獲得元素的含量。 最早美國的拉斯阿莫斯實驗室最早將LIBS技術(shù)應(yīng)用于農(nóng)業(yè)土壤成分檢測。
• 植物葉片測量
光合作用是植物、藻類和某些細菌，在可見光的照射下，經(jīng)過光反應(yīng)和碳反應(yīng)，利用光合色素，將二氧化碳(或硫化氫)和水轉(zhuǎn)化為有機物，并釋放出氧氣(或氫氣)的生化過程。光合作用是一系列復(fù)雜的代謝反應(yīng)的總和，是生物界賴以生存的基礎(chǔ)，也是地球碳氧循環(huán)的重要媒介。綠葉植物的葉片在不同的光照強度和不同波長的光照射下，光合作用效率會發(fā)生很大的變化。
植物葉片對不同波長的光的吸收率是不相同的，相比來說更不容易吸收綠色的光(1%)。海洋光學(xué)的spectroclip光譜儀帶有專業(yè)的葉片夾，可以實時檢測葉片的透反射率。JAZULM-200光譜儀可以實時監(jiān)控野外的PAR值變化，這些都是針對育種和光合的研究人員所必須的參數(shù)。
• 農(nóng)作物質(zhì)量控制與分析
隨著社會進步和人民生活水平的提高，現(xiàn)代農(nóng)業(yè)對精細化管理的要求也越來越高。育種中的優(yōu)良糧種的篩選、收割后的農(nóng)作物質(zhì)量控制與分析等方面都對檢測技術(shù)提出了快速準確檢測的要求。而近紅外光譜檢測技術(shù)自上世紀60年代首次應(yīng)用于農(nóng)業(yè)以來，在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域已經(jīng)得到了非常廣泛的應(yīng)用。與傳統(tǒng)的檢測方法相比，近紅外光譜檢測技術(shù)具有分析速度快、樣品準備簡單、不消耗樣品、沒有化學(xué)污染等特點，并且可直接從樣品光譜中直接獲得其中蛋白質(zhì)、脂肪、淀粉及氨基酸等組分的信息，因此近紅外技術(shù)非常適合于農(nóng)作物質(zhì)量控制與分析的需求，并在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的認可與應(yīng)用。
• 遠程監(jiān)測農(nóng)作物光合作用
光合有效輻射吸收系數(shù)( The fraction of abs or bed photo synthetically active radiation, fAPAR)是一個反映地球表面生物層與大氣層進行氣體交換程度的重要參數(shù)，同樣也是分析農(nóng)作物產(chǎn)量的重要指標。
內(nèi)布拉斯加州大學(xué)(University of Nebraska)連續(xù)多年從事農(nóng)作物光合作用監(jiān)測的研究工作，希望能尋找一種更精確測量fAPAR的方法。他們使用USB2000光譜儀，配以LS-1鹵鎢燈光源與反射探頭，對玉米與大豆葉子表面進行反射測量，從而分析其葉綠素含量。同時，農(nóng)業(yè)專家們還將一套雙通道USB2000光譜儀固定于觀測平臺上，將一個通道的光纖垂直向上放置而將另一通道垂直對準地面，用于測量整個試驗田的農(nóng)作物上冠400-900nm波長范圍的反射率。
八、 LED行業(yè)
• 外延片檢測
LED做為新一代節(jié)能環(huán)保光源，由于其特點及優(yōu)勢，使得其在照明行業(yè)被普遍看好，尤其是大功率LED的照明前景更是值得期待。而LED的生產(chǎn)制造中，其外延芯片工藝及質(zhì)量的好壞，直接關(guān)系到LED產(chǎn)品的質(zhì)量。而LED外延芯片的發(fā)光特性更是許多客戶包括照明企業(yè)普遍關(guān)注的重要參考，不僅要專門的實驗室抽檢，更可能要在產(chǎn)線上實時監(jiān)測。高效、快捷的建立測試及品控平臺，是芯片制造商比較迫切的需求及研發(fā)重點。
不少來自韓國、中國臺灣等一部分芯片檢測企業(yè)OEM客戶，利用USB2000+光纖光譜儀、配合顯微光譜采集系統(tǒng)，為芯片制造商提供專業(yè)的芯片檢測解決方案，比如外延芯片的光度、色度、光譜特性測量，在這些行業(yè)應(yīng)用上取得了巨大的成功。
• 熒光粉檢測
隨著高功率、高穩(wěn)定性LED的需求擴張，LED熒光粉的研發(fā)測試也正如火如荼，實際上熒光粉不僅可以用于LED照明，也可以用于激光投影顯示。市場上不同品牌、不同品質(zhì)的熒光粉魚龍混雜，使得入廠品控及篩粉成為應(yīng)用性廠家的一大難題，由于熒光粉價格不菲，一著不慎，稍有疏忽可能給會給自己造成巨大損失。應(yīng)用層面上講，LED的光學(xué)、光度、色度等參數(shù)是應(yīng)用性企業(yè)首先需要量化評定的指標。
海洋光學(xué)的firefly熒光粉測量測試系統(tǒng)，是熒光粉全面綜合評價的一套測量儀器，光譜特性、光效、量子效率、色度等參數(shù)均可快速、方便的測定，另外消耗樣品量極少約0.3g,可以為客戶節(jié)約大量測試樣品。
• LED分選
隨著LED照明應(yīng)用的越來越熱，LED的分選及品控也成為此行業(yè)應(yīng)用的重要一節(jié)。比如在做LED顯示屏的時候，盡量選擇發(fā)光特性 (如冷暖特性、色度特性等)比較一致的LED作為發(fā)光管，以減少人眼的視覺色彩、明暗不適應(yīng)感。在做配色性研究應(yīng)用中，選擇LED要考慮到LED色彩的純度飽和度、色差等。LED分選的一大特點是高速篩選，一般每小時要分選出上萬顆LED,速度的快慢直接決定生產(chǎn)效率，另外在高速的同時必須要要保證測量的準確性及穩(wěn)定性。
在中國、韓國以及中國臺灣地區(qū)等不少企業(yè)采用USB2000+光纖光譜儀作為核心的測量模塊，配合自動化的采樣系統(tǒng)，開發(fā)研制高速LED分選機，用于LED顏色、強度等的篩選。USB2000+光纖光譜儀最快采集速度可達1ms,采用光纖來采集光信號及傳輸，搭建十分方便。
• LED/LCD屏幕顏色檢測
無論是LED顯示屏， 還是LCD顯示屏都需要對顯示屏的質(zhì)量進行評價及品控，而顯示屏往往都是采用像元為單位的，像元大小只有幾十、幾百微米，而數(shù)量則幾十、幾百萬。
現(xiàn)代精細評價及品控的要求，要求檢測限越低越好，理想能達到像元級別。這樣的要求，往往需要較高的光學(xué)測試精度及分辨率，機構(gòu)復(fù)雜、成本高。 而采用光纖光譜儀加光纖加簡單鏡頭，便可非常容易的實現(xiàn)上述測試要求，簡單、成本也低。
資料來源海洋光學(xué)，愛蛙科技編輯整理
關(guān)于海洋光學(xué)
海洋光學(xué)(Ocean Insight)作為世界領(lǐng)先的光學(xué)解決方案提供商，應(yīng)用于半導(dǎo)體、照明及顯示、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測、生命科學(xué)生物、醫(yī)藥研究、教育等領(lǐng)域。其產(chǎn)品包括光譜儀、化學(xué)傳感器、計量檢測設(shè)備、光纖、透鏡等。作為光纖光譜儀的發(fā)明者，如今海洋光學(xué)在全球已售出超過40萬套的光纖光譜儀。
關(guān)于愛蛙科技
愛蛙科技(iFrog Technology)是海洋光學(xué)官方授權(quán)合作伙伴，提供光譜分析儀器銷售、租賃、維護，以及解決方案定制、軟件開發(fā)在內(nèi)的全鏈條一站式精準服務(wù)。
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