除了生孩子，啥都能干的光谱仪
- 2022年09月21日 09:16:50来源：爱蛙科技点击：6286
摘要：一文盘点光谱仪的巧思妙用。
微型光谱仪可以上天入海，可以用于热门的半导体制造、拉曼医疗、环保等等领域，这些都是特别引人注目的所在。然而除此之外，它还有包罗万象的应用场景，一文总结小型光谱仪/紧凑型光谱仪的巧思妙用。
想起朋友圈调侃Python时说，除了不能生孩子，啥都能干，吼吼~~光谱仪面对纷繁复杂的物质世界又何尝不是，它啥都能干~~
切入正题。30年来，海洋光学/Ocean Insight在全球上百万客户的使用中，开发的应用成千盈百。一起来看看微型光谱仪都能干些啥吧。
一、 基础物理测量
•激光检测
微型光谱仪被广泛用于激光谱线测量，同时还有丰富的光纤和附件用于激光样品处理过程的效果分析。客户使用PC2000光谱仪和光纤，可用于在线测量CO2激光在焊接金属时产生的羽流，以及研究不同材料的焊接过程。通过分析激光焊接羽流中的元素浓度和羽流的温度数据，可以确定焊接的效果。测定元素种类在控制不同合金的焊接时非常有用，羽流温度可以通过调整激光强度和焊接速度来校正。
•上升流和下降流辐射测量
在太平洋上一座名叫新喀里多尼亚的小岛, 一支多国科学考察队采用光谱仪测量露天采矿对海岸侵蚀、海草生长及珊瑚礁健康状况的影响程度。这些科学家主要研究水面反射率和紊流分布之间的关系, 后者与含有金属及污染物的水流有关, 因此也跟海草生长和珊瑚礁的健康状况相关。
二、 生物化学测量
• 吸光度
溶液的吸收率与浓度的直接关系被称为比尔-兰伯特法则(Beer-Lambert Law)，简称为比尔法则。使用光谱仪可以通过测试几组已知摩尔浓度的溶液样品，计算出溶液吸收率与浓度关系的匹配曲线，从而测量未知浓度的溶液样品。
• 透光率/反射率
反射率测量可用于测定样品的化学成分，也可以根据反射光谱换算为色度值，表征样品的颜色信息。
• 荧光
荧光测量需要有一个灵敏的探测器和一个高效率的滤光片，将样本发出的微弱信号光和高强度的激发光区别出来。
• 拉曼
在很多应用领域，拉曼光谱学正迅速成为最受欢迎的化学鉴定技术。
拉曼技术的优势在于：
♦ 非侵入性：可以透过玻璃或者塑料采样；
♦ 非破坏性：样品可以重复使用；
♦ 测量迅速：典型的测量时间5-30秒。
它提供快速可靠的非破坏性的化学品分析，包括水溶液，粉末，药片，凝胶和各种表面。基本配置包括一个单色光源，通常是激光器，用来激发样品，再由光谱仪收集散射光。
三、 环保应用
• 大气监测
监测大气和污染源排放的手段有很多，利用UV-DOAS来检测大气和烟气的分光技术由于高灵敏度、多组分等优点，得到迅速的发展。差分吸收光谱技术(DOAS)基本原理就是利用空气中的气体分子的窄带吸收特性来鉴别气体成分，并根据窄带吸收强度来推演出微量气体的浓度。
• 土壤重金属
土壤重金属污染是指由于人类活动，土壤中的微量有害元素在土壤中的含量超过背景值，过量沉积而引起的含量过高，统称为土壤重金属污染。污染土壤的重金属主要包括汞(Hg)、镉(Cd)、铅(Pb)、铬(Cr)和类金属砷(As)等生物毒性显著的元素。重金属污染物在土壤中移动性很小，不易随水淋滤，不为微生物降解，通过食物链进入人体后，潜在危害极大。
目前，已有多种方法应用于土壤重金属污染监测研究，如传统化学手段和荧光光谱法等，化学方法有较高的准确度和灵敏度，但需要预制样品等前期处理；荧光光谱法易受基质有机成分等影响。传统检测方法受限于自然界中土壤样品严格的采集、储存、运输及测定要求，而激光诱导击穿光谱法作为一种非接触式光学原位检测手段，能够实现多相态多组分、实时在线探测金属微量元素，具备作为土壤重金属污染监控技术的潜力。
• 水质分析
长期以来，利用化学试剂与流动注射法来对水质进行分析已经成为水质检测的常规方法，在大部分领域进行应用。但这种方法本身存在化学试剂二次污染、维护成本高、维护周期短、占地面积大等缺点，因此在一些水质分析领域，尤其是在地表水与饮用水源地的连续检测方面存在很大的问题。而近几年来，利用单纯的光谱分析法来对水质进行分析已经得到越来越广泛的应用。该方法与传统的试剂法相比，具有无污染、维护成本低、维护周期短等优点，将慢慢成为新一代的水质检测的标准方法。
• 烟气(汞)监测
汞是一种能在大气环境中稳定存在的生物累积物，在大气中的平均停留时间长达半年至2年，是影响人类健康的剧毒物质。目前燃煤火电厂、化工厂等固定污染源汞的排放控制越来越受关注，而对烟气中的汞实现精确的在线连续测量是脱汞控制的一个重要前提。而发展一套性能稳定，测量精准的汞连续排放监测系统的首要工作就是研发出一套可靠的标定系统。目前国内外主要用汞标准气瓶和汞源发生器配标气法来标定汞在线监测系统，但气瓶法价格昂贵，且标准气体积有限，而渗透源配气法也存在渗透源部件昂贵，流量难以精确控制等诸多问题。
上海理工大学颗粒与两相流测量研究所针对目前汞气标定系统存在的不足，提出一种新的汞气标定方法，并自主研发一套汞气标定系统，该系统与传统方法相比，有结构简单，便于现场应用，操作方便，对环境无污染等优点。实验装置主要由汞灯、密闭汞发生器、光谱仪(HR4000)及其它辅助件构成。
四、 药物研究
• 溶出度
指药物从片剂、胶囊剂等固体剂型中在规定介质中(模拟人体肠胃环境的溶液)的溶出速度和程度，是考察制剂内在质量指标之一。药物在体内吸收速度常常由溶解的快慢而决定，药物的溶出速度和在人体内吸收的速度很大程度上决定着药效。因此在制剂中药物的溶出速率应予以控制。在药物生产检验、临床疗效考察及药品稳定性检验、新药研制、处方筛选、工艺改进等多个环节都需要考察这一指标。
目前，在检验药品溶出度的测量方法上有紫外分光光度法、HPLC、荧光分光光度法、原子吸收分光光度法和极谱法等。已经商品化的溶出度仪普遍采用的检测方法是用扫描式紫外可见分光光度法，这种方法手动操作较多，费时费力，且不能同时测定多组分药物的溶出度。国内一些高校，研究所和企业将微型光纤光谱仪应用到这一领域，实现了快速，并行对多组分药物的溶出度检测设备的研制。
• 快检
随着2011年《药品生产质量管理规范(2010年修订)》的执行，药厂原辅料的检验正逐渐从原来的抽查向全面检查过渡，每一包装内的原辅料均要求正确无误。一直以来，被称为“分子的指纹”拉曼光谱技术因其能够提供快速、简单、可重复、且更重要的是无损伤的定性定量分析，被广泛应用于各种化学物质的检验，如司法鉴定、安全检查、珠宝鉴定、晶体研究以及药品鉴定。与红外光谱技术互相补充。
• 药物标记检测
量子点是一种由II-Ⅵ族或III-V族元素组成的纳米颗粒，尺寸小于或者接近激子波尔半径(一般直径不超过10nm)，具有明显的量子效应。利用量子点极强的荧光特性长期实时监测和跟踪生物分子间相互作用。不同颜色量子点同时观测活细胞中或其表面的多个靶分子的优点，通过检测药物作用前后的各量子点的荧光。 快速、高效、高灵敏度地寻找到药物作用的真正靶点，加快药物研发和论证。采用QE65Pro光谱仪搭配合适的激发光源，可以准确、快速的测量量子点的荧光光谱。
不同大小的CdSe量子点暴露在紫外光下会发出不同颜色的荧光
五、 光源检测
作为一种环保、可靠、健康的节能照明方式，LED被称为第四代照明光源或新一代绿色光源，具有高节能、利环保、寿命长、体积小、多变换等特点。海洋光学着力于为城市的未来提供更加创新和高效的道路照明解决方案，针对于中国道路照明的现状和国家对户外作业照明的规定，选取专门针对户外光源检测的JAZ-ULM-200光谱仪，除了能检测传统的光谱曲线、功率、色温、色坐标等相关参数，最大的优势在于自带OLED显示屏和微处理器，拥有电池模块和以太网借口，可脱离PC独立工作并用于现场测量。
六、 宝玉石鉴定
• 橙黄色蓝宝石的鉴别
橙色或黄色蓝宝石极为罕见，不法分子通过对刚玉进行铍散射(Be-diffusion)处理，可制成高仿真度的橙黄蓝宝石，以前常用LA-ICP-MS(激光消融感应等离子体质谱分析法)或SIMS(次级粒子质谱法)方法来鉴别蓝宝石真伪，但是这种鉴别实验只能在很少有的专业宝石鉴定实验室进行，且对样品具有一定破坏性，既耗时又昂贵。瑞士宝石协会第一个使用海洋光学为其特制的SSEFGemLIBSTM系统,分别对天然的与经过铍散射处理的蓝宝石进行测试，实现了光谱仪在覆盖200-980nm的波长范围内分辨率达到0.1nm的光谱测量。
• 塔希提黑珍珠的鉴别
人工染色的黑珍珠与塔希提黑珍珠的外观相似，使用USB2000+光谱仪测定样品的可见吸收光谱与相对激光拉曼光谱，能快速、简便地鉴定黑珍珠的真伪。天然塔希提珍珠无论色相如何，都具有三条位置固定的特征吸收谱带(a带407-412nm，b带495-498nm，c带702nm)，每个特征吸收谱带的宽度决定于珍珠的色相与伴色；而人工染色的黑珍珠由于其原材料不同，因此其可见吸收光谱特征无规律可循。
七、 农业应用
• 土壤肥力监测
土壤是农作物的重要生长环境，土壤养分是指土壤提供给作物生长的必须营养元素，包括氮(N)，磷(P)，钾(K)等13种元素。土壤养分含量的多少，可通过土壤测试仪，土壤养分测试仪等测土仪器来测量。然后对照土壤养分丰缺指标，就可判断这块土地的养分含量多寡，从而更好地利用土壤自身含有的养分，及时补充含量不足的元素。现在市场上能够测试、测定、分析土壤养分的测土仪器如土壤养分测试仪、土壤养分速测仪，都是传统方法检测，需要时间长，检测需要添加化学试剂，不仅污染环境，还需要很高的成本，导致样本数量有限，代表性差。
LIBS(激光诱导击穿光谱)利用聚焦的强脉冲激光瞬时气化样品，产生高温等离子体，通过原子特征发射光谱的测量获得元素的含量。 最早美国的拉斯阿莫斯实验室最早将LIBS技术应用于农业土壤成分检测。
• 植物叶片测量
光合作用是植物、藻类和某些细菌，在可见光的照射下，经过光反应和碳反应，利用光合色素，将二氧化碳(或硫化氢)和水转化为有机物，并释放出氧气(或氢气)的生化过程。光合作用是一系列复杂的代谢反应的总和，是生物界赖以生存的基础，也是地球碳氧循环的重要媒介。绿叶植物的叶片在不同的光照强度和不同波长的光照射下，光合作用效率会发生很大的变化。
植物叶片对不同波长的光的吸收率是不相同的，相比来说更不容易吸收绿色的光(1%)。海洋光学的spectroclip光谱仪带有专业的叶片夹，可以实时检测叶片的透反射率。JAZULM-200光谱仪可以实时监控野外的PAR值变化，这些都是针对育种和光合的研究人员所必须的参数。
• 农作物质量控制与分析
随着社会进步和人民生活水平的提高，现代农业对精细化管理的要求也越来越高。育种中的优良粮种的筛选、收割后的农作物质量控制与分析等方面都对检测技术提出了快速准确检测的要求。而近红外光谱检测技术自上世纪60年代首次应用于农业以来，在农业领域已经得到了非常广泛的应用。与传统的检测方法相比，近红外光谱检测技术具有分析速度快、样品准备简单、不消耗样品、没有化学污染等特点，并且可直接从样品光谱中直接获得其中蛋白质、脂肪、淀粉及氨基酸等组分的信息，因此近红外技术非常适合于农作物质量控制与分析的需求，并在农业领域得到了广泛的认可与应用。
• 远程监测农作物光合作用
光合有效辐射吸收系数( The fraction of abs or bed photo synthetically active radiation, fAPAR)是一个反映地球表面生物层与大气层进行气体交换程度的重要参数，同样也是分析农作物产量的重要指标。
内布拉斯加州大学(University of Nebraska)连续多年从事农作物光合作用监测的研究工作，希望能寻找一种更精确测量fAPAR的方法。他们使用USB2000光谱仪，配以LS-1卤钨灯光源与反射探头，对玉米与大豆叶子表面进行反射测量，从而分析其叶绿素含量。同时，农业专家们还将一套双通道USB2000光谱仪固定于观测平台上，将一个通道的光纤垂直向上放置而将另一通道垂直对准地面，用于测量整个试验田的农作物上冠400-900nm波长范围的反射率。
八、 LED行业
• 外延片检测
LED做为新一代节能环保光源，由于其特点及优势，使得其在照明行业被普遍看好，尤其是大功率LED的照明前景更是值得期待。而LED的生产制造中，其外延芯片工艺及质量的好坏，直接关系到LED产品的质量。而LED外延芯片的发光特性更是许多客户包括照明企业普遍关注的重要参考，不仅要专门的实验室抽检，更可能要在产线上实时监测。高效、快捷的建立测试及品控平台，是芯片制造商比较迫切的需求及研发重点。
不少来自韩国、台湾等一部分芯片检测企业OEM客户，利用USB2000+光纤光谱仪、配合显微光谱采集系统，为芯片制造商提供专业的芯片检测解决方案，比如外延芯片的光度、色度、光谱特性测量，在这些行业应用上取得了巨大的成功。
• 荧光粉检测
随着高功率、高稳定性LED的需求扩张，LED荧光粉的研发测试也正如火如荼，实际上荧光粉不仅可以用于LED照明，也可以用于激光投影显示。市场上不同品牌、不同品质的荧光粉鱼龙混杂，使得入厂品控及筛粉成为应用性厂家的一大难题，由于荧光粉价格不菲，一着不慎，稍有疏忽可能给会给自己造成巨大损失。应用层面上讲，LED的光学、光度、色度等参数是应用性企业首先需要量化评定的指标。
海洋光学的firefly荧光粉测量测试系统，是荧光粉全面综合评价的一套测量仪器，光谱特性、光效、量子效率、色度等参数均可快速、方便的测定，另外消耗样品量极少约0.3g,可以为客户节约大量测试样品。
• LED分选
随着LED照明应用的越来越热，LED的分选及品控也成为此行业应用的重要一节。比如在做LED显示屏的时候，尽量选择发光特性 (如冷暖特性、色度特性等)比较一致的LED作为发光管，以减少人眼的视觉色彩、明暗不适应感。在做配色性研究应用中，选择LED要考虑到LED色彩的纯度饱和度、色差等。LED分选的一大特点是高速筛选，一般每小时要分选出上万颗LED,速度的快慢直接决定生产效率，另外在高速的同时必须要要保证测量的准确性及稳定性。
在中国、韩国以及台湾地区等不少企业采用USB2000+光纤光谱仪作为核心的测量模块，配合自动化的采样系统，开发研制高速LED分选机，用于LED颜色、强度等的筛选。USB2000+光纤光谱仪最快采集速度可达1ms,采用光纤来采集光信号及传输，搭建十分方便。
• LED/LCD屏幕颜色检测
无论是LED显示屏， 还是LCD显示屏都需要对显示屏的质量进行评价及品控，而显示屏往往都是采用像元为单位的，像元大小只有几十、几百微米，而数量则几十、几百万。
现代精细评价及品控的要求，要求检测限越低越好，理想能达到像元级别。这样的要求，往往需要较高的光学测试精度及分辨率，机构复杂、成本高。 而采用光纤光谱仪加光纤加简单镜头，便可非常容易的实现上述测试要求，简单、成本也低。
资料来源海洋光学，爱蛙科技编辑整理
关于海洋光学
海洋光学(Ocean Insight)作为世界领先的光学解决方案提供商，应用于半导体、照明及显示、工业控制、环境监测、生命科学生物、医药研究、教育等领域。其产品包括光谱仪、化学传感器、计量检测设备、光纤、透镜等。作为光纤光谱仪的发明者，如今海洋光学在全球已售出超过40万套的光纤光谱仪。
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爱蛙科技(iFrog Technology)是海洋光学官方授权合作伙伴，提供光谱分析仪器销售、租赁、维护，以及解决方案定制、软件开发在内的全链条一站式精准服务。
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