自助下单地址（拼多多砍价，ks/qq/dy赞等业务）：点我进入

光谱仪市场需求逐年增加

光谱仪是现代分析仪器的重要组成部分。 它利用光学原理，可以无损地定性和定量地分析物质的结构和成分。 如今，它已广泛应用于食品安全、环境监测、农业生产、生物医药、航空航天等诸多关系国民经济和安全的领域。 基于现代社会需要检测的项目越来越多，同时也面临着不同的检测环境，对光谱仪的需求也越来越强烈。 近年来，光谱仪市场需求逐年增加，全球光谱仪市场保持持续稳定增长。

2010年全球光谱仪市场规模为101.4亿美元，2013年增长到122.1亿美元，2014年增长到131.5亿美元，年均增长率为6.7%。 受下游市场持续推动，全球光谱仪市场消费保持稳定增长。 2014年全球光谱仪消费量达到84万台。 2014年我国光谱仪行业产能约22万台，产量约18.2万台。 2014年我国光谱仪行业消费量约17.4万台，行业销售市场规模约166.17亿元。 国际市场情况如图1所示，国内光谱仪市场情况如图2所示。

图1 全球光谱仪市场情况

图2 中国光谱仪市场情况

传统光谱仪器体积大、功耗高、成本高，不便二次开发，难以满足特殊领域环境下现场、实时、快速在线检测的应用需求。 随着科学技术的发展和各种检测环境的要求，光谱仪小型化已成为大势所趋。 微型光谱仪体积小，价格低。 生产厂家越来越多，市场需求量也越来越大。 传统的光谱仪如图 3 所示。

图 3 传统光谱仪

世界上许多国家都将微型近红外光谱仪作为重点发展的分析仪器之一。 2012年12月，我国还召开了第446届象山科学大会“我国近红外光谱分析的关键技术问题、应用与发展战略”，并将微型近红外光谱仪器和关键器件列为“重点发展项目”之一”。 .

近红外显微光谱仪（NIM）是一种利用光学原理对物质的成分和含量进行定性和定量分析的微型无损检测仪器。 它具有体积小、功耗低、成本低、可现场分析、易于二次开发等优点，已广泛应用于农业生产、食品安全、生物医药、石油化工、航天航空等众多领域国防安全。

20世纪60年代，在美国农业部的支持下，卡尔·诺里斯领导的研究小组研制出世界上第一台近红外扫描光谱仪，近红外光谱分析技术逐渐受到关注。 但传统的近红外光谱仪存在体积大、功耗高、价格高、二次开发困难等问题，极大地限制了其应用范围。

直到20世纪90年代，微光机电系统（Micro-Opto-Electro-mechanical system，简称MOEMS）技术的兴起导致小型化近红外光谱仪器逐渐出现。 与传统的大型光谱仪相比，微型近红外光谱仪不仅成本低、体积小、功耗低、便于现场在线检测，而且可以二次开发，扩大应用领域。 近年来，MOEMS技术的快速发展极大地推动了近红外光谱仪的小型化进程。 国内外研究机构提出了各种类型的微型近红外光谱仪，相当多的公司已将基于MOEMS的技术推向市场。 微型近红外光谱仪。

不管是什么类型的光谱仪，都需要将多色光色散成单色光，所以分光是光谱仪最基本的功能。 根据所采用的光谱技术不同，微型近红外光谱仪可分为阵列检测型、光栅扫描型、滤光片型、傅里叶变换（Fourier transformation，FT）和阿达玛变换（Hadamard transform，HT）。 ) 和许多其他类型。 阵列检测型、光栅扫描型和滤光片型属于经典的色散光谱仪，主要是将不同波长的光在空间或时间上分离，然后读出光谱； 而傅里叶变换型和阿达玛变换型属于调制变换型，是对不同波长的光进行波分复用。 探测器检测后，必须通过逆变换完成光谱重建，得到光谱信号。

光栅扫描微型近红外光谱仪

为了降低微型近红外光谱仪的成本，德国弗劳恩霍夫光学微系统研究所（IPMS）率先提出了一种光栅扫描微型近红外光谱仪，其集成了MOEMS扫描光栅，集光谱和扫描为一体。核心部件。 昂贵的阵列探测器被廉价的单管探测器所取代，仪器的性能不再取决于阵列探测器，而是取决于扫描光栅。 这类仪器的工作原理如图4所示。入射光经准直镜准直，在MOEMS扫描光栅上分光成光谱扫描，成像后由单管探测器通过出口狭缝依次。

图4 扫描光栅微型近红外光谱仪工作原理

近年来，弗劳恩霍夫IPMS研究所报道了一种光栅扫描微型近红外光谱仪，它只有方糖大小，可以集成到手机中。 光谱范围为950-1900 nm，分辨率为10 nm。 其核心部件是集成入射狭缝和出射狭缝的MOEMS扫描光栅芯片。 扫描光栅尺寸为3mm×3mm，由静电梳齿驱动，集成压电角度传感器闭环控制，实现高精度扫描。 但由于反射镜只有几十微米厚，在扫描过程中反射镜容易发生动态变形，影响光谱仪的信噪比。

德国HiperScan采用弗劳恩霍夫光学微系统研究所（IPMS）的核心技术，在市场上推出了相应的商用光栅扫描微型近红外光谱仪。

中国西北工业大学乔大勇团队也对光栅扫描微型近红外光谱仪进行了研究。 团队研发的MOEMS扫描光栅采用SOI制作，采用静电梳驱动，但也存在镜面动态变形的问题，且静电驱动方式需要更高的驱动电压。

重庆大学文智宇团队提出的MOEMS扫描光栅采用单晶硅片制成的大面积闪耀光栅，具有高衍射效率和分辨率，并采用较厚的光栅表面有效避免了动态变形问题，但在同时这带来了鲁棒性弱的问题。 扫描光栅采用电磁驱动和感应，便于集成，驱动电压要求低，但存在电磁干扰问题。 其研制的扫描光栅微型近红外光谱仪如图5所示。

图5 重庆大学微系统研究中心研制的扫描光栅微型近红外光谱仪

该光栅扫描微型近红外光谱仪具有成本低、光谱范围易于拓宽的优点。 但是，由于MOEMS扫描光栅的活动部分，抗震性较差。 应用前景。 研制低成本、高性能的MOEMS扫描光栅是光栅扫描仪器研制中需要突破的关键技术问题，同时需要考虑如何解决二次光谱重叠问题。拓宽光谱范围。

新技术及应用

Hamamatsu将狭缝集成在CMOS上，利用纳米压印技术制成的凹面闪耀光栅，制成指尖大小的光谱仪，结构更紧凑，集成度更高，光谱范围为340-850 nm，如图6所示。

图6 日本滨松公司研制的超小型光谱仪

德国INSION公司率先将集成光学技术应用于光谱仪，将光纤光谱仪的所有光学元件集成在一块基材上（单芯片设计），从而设计并生产出世界上最小的微型光纤光谱仪（厚度仅为9.5毫米），如图7所示。

图7 德国INSION公司研制的微型光谱仪

2015年7月2日，《自然》杂志刊登了清华大学与麻省理工学院联合开发的基于胶体量子点纳米材料及新型制造方法的微型量子点光谱仪。 这是世界上首次使用胶体量子点纳米材料制作微型光谱仪。 他们展示了一个由 195 个胶体量子点纳米材料制成的微型光谱仪和一个用于普通数码相机的成像传感器。 它的每个量子点都对特定的光谱范围敏感，可以过滤各种波长的光并检测非常小的光谱偏移微型光纤光谱仪，如图 8 所示。

图8 基于胶体量子点纳米材料的微型量子点光谱仪

2016年，德国弗劳恩霍夫研究所利用MEMS技术研发了一款微型近红外光谱仪，可以集成到手机中。 体积只有方糖大小，成本低，适合大批量生产，如图9所示。与传统的微型光谱仪相比，这种光谱仪具有更广阔的市场前景和应用前景，微型光谱仪可以集成在手机上。

图9 德国弗劳恩霍夫研究所研制的超小型近红外光谱仪

未来展望

在MOEMS技术的推动下，微型近红外光谱仪的体积和成本大大降低，可以应用于越来越多的实验室以外的领域。

不同类型的微型近红外光谱仪的优缺点决定了它们不同的应用领域。 由于近红外探测器在整个微型近红外光谱仪成本中所占比例较大，因此采用单管探测器的微型近红外光谱仪成本低，适用于对价格要求严格的应用场合限制。 采用阵列探测器的微型光谱仪虽然价格较高，但由于没有活动部件，具有良好的鲁棒性，适合在冲击大、振动强的恶劣环境中使用。 微型近红外光谱仪不仅在农业生产、食品安全、生物医药、石油化工、航空航天、国防安全等诸多领域发挥着越来越重要的作用，而且也逐渐与智能手机融入人们的日常生活，其中微型光纤光谱仪，如如SCIO、TellSpec、百度筷子搜索、普云奶粉卫士等近年出现的价廉物美的专用微型近红外光谱仪。

国内微型近红外光谱仪研究起步较晚，探测器、数字微镜阵列等重要部件仍依赖进口。 虽然有重庆大学、浙江大学、长春光学精密机械与物理研究所等多家科研机构，在国家仪器专项的支持下取得了一系列进展，但产品寥寥无几应用于市场，类型主要为阵列检测型。 目前国内相关研究主要集中在跟踪国外前沿技术，自己提出的相关结构和检测方法较少； 受检测装置等核心器件的制约，我国研制的微型近红外光谱仪在尺寸、性能参数（如分辨率）等方面与国外相比仍有一定差距。

国内生产和销售微型近红外光谱仪的企业少，规模小。 与国外成熟的生产和销售体系相比，我国在这方面还有很大差距。 因此，国产微型近红外光谱仪产品的市场份额还很小。 近年来，国家对近红外分析仪器越来越重视，未来市场上将出现更多型号的高性能微型近红外光谱仪。 此外，专用分析仪也是微型近红外光谱仪商品化的重要方向。

微型近红外光谱仪一直朝着宽光谱范围、高分辨率、高信噪比、高集成度、小体积、低成本、快速检测等方向发展。 在材料等方面都在不懈的探索和努力。 例如，清华大学鲍杰等人提出的量子点微光谱仪。 已在可见光波段完成原理验证，有望扩展至近红外波段。

未来，各种微纳技术的发展必将为微型近红外光谱仪的发展提供强有力的技术支撑，而随着微型近红外光谱仪的二次开发和应用领域的拓宽，与微型近红外光谱仪之间的联系光谱学与人类生产生活的关系将不断发展。 会更近。

关于作者

于凡，文全，雷洪杰，黄良坤，温志宇微系统研究中心，重庆大学光电工程学院新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室