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什么是光譜傳感器？

光譜傳感器是光譜分析儀的一種，通過(guò)用光照射物質(zhì)并測(cè)量光的反射、散射和吸收來(lái)獲取分子信息。

它與分光儀幾乎相同，常見的是帶有集成探測(cè)器的。光譜傳感器有多種類型，其區(qū)別在于所使用的光的波長(zhǎng)范圍和原理上的差異。通過(guò)使用分光傳感器，可以對(duì)測(cè)定對(duì)象物的顏色測(cè)定、膜厚測(cè)定、化學(xué)物質(zhì)的識(shí)別等進(jìn)行監(jiān)視。最近，已經(jīng)開發(fā)出小型高性能光譜傳感器，使得可以輕松地進(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

光譜傳感器的應(yīng)用

光譜傳感器有多種類型，應(yīng)用范圍廣泛。它用于多種領(lǐng)域，包括半導(dǎo)體等工業(yè)領(lǐng)域、制藥等醫(yī)療應(yīng)用以及食品和水質(zhì)分析。

例如，在食品工業(yè)中，使用了可以在不接觸和損壞的情況下測(cè)量食品的近紅外光譜傳感器。可以對(duì)農(nóng)產(chǎn)品進(jìn)行無(wú)損口感分析，可以實(shí)時(shí)測(cè)量西紅柿中番茄紅素含量、蔬菜中葉綠素含量、豬肉中脂肪含量等。近紅外光譜傳感器可以立即獲得測(cè)量結(jié)果，因此對(duì)于生產(chǎn)控制和質(zhì)量控制非常有效。

光譜傳感器原理

圖1 光譜傳感器結(jié)構(gòu)

光譜傳感器通過(guò)將光照射到材料上并檢測(cè)反射或透射光來(lái)測(cè)量材料吸收的光量。由于物質(zhì)吸收的光取決于其成分和結(jié)構(gòu)，因此可以使用光譜傳感器推斷物質(zhì)的成分。

光譜傳感器主要由光源、分光部分、樣品部分和探測(cè)器組成。光源產(chǎn)生的光在分光部分被調(diào)節(jié)為特定波長(zhǎng)的光并照射到樣品上。在這種情況下，當(dāng)照射光的波長(zhǎng)縮小到一個(gè)時(shí)，它被稱為單色儀，而當(dāng)使用多個(gè)波長(zhǎng)時(shí)，它被稱為多色儀。前者掃描測(cè)量波長(zhǎng)，因此測(cè)量耗時(shí)，但精度較高。后者可以在短時(shí)間內(nèi)測(cè)量，但信號(hào)強(qiáng)度較弱，精度較差。

從樣品反射或透射的光被引導(dǎo)至檢測(cè)器，在檢測(cè)器中測(cè)量其強(qiáng)度。每個(gè)測(cè)量波長(zhǎng)的檢測(cè)器都不同。CCD 探測(cè)器用于 180 nm 至 1100 nm 的 UV 至 NIR 范圍，用于 900 至 1700 nm 的 NIR 的 InGaAs 探測(cè)器，以及用于 1700 至 2500 nm 的 NIR 的擴(kuò)展 InGaAs 探測(cè)器。

光譜傳感器類型

圖 2. 光的類型

光譜傳感器通過(guò)用于測(cè)量的波長(zhǎng)來(lái)區(qū)分。各有各的特點(diǎn)，所以要根據(jù)用途來(lái)選擇。光的種類很多，使用每種光的測(cè)量裝置也有，但一般來(lái)說(shuō)，光譜傳感器使用的是紫外/可見光、近紅外光、中紅外光和遠(yuǎn)紅外光。

1. 紫外線和可見光

用紫外/可見光照射待測(cè)樣品，并測(cè)量反射光或透射光。根據(jù)目標(biāo)物體吸收紅、藍(lán)、綠三種顏色的程度的信息來(lái)確定物體的顏色。作為檢測(cè)物質(zhì)顏色的顏色傳感器，用于產(chǎn)品的顏色管理以及缺陷產(chǎn)品和雜質(zhì)的檢測(cè)。

2. 近紅外光譜

用近紅外線照射待測(cè)樣品，并測(cè)量透射或反射的近紅外線。近紅外線穿過(guò)物體時(shí)吸收很少。可以分析固體、粉末、液體等各種狀態(tài)的樣品。如上所述，除了用于無(wú)損農(nóng)產(chǎn)品和食品外，還用于測(cè)量血氧飽和度的脈搏血氧儀和紅外攝像機(jī)。

3. 中紅外光譜

用中紅外線照射待測(cè)樣品并測(cè)量反射的中紅外線。由于每個(gè)分子都有獨(dú)特的吸收模式，因此可以識(shí)別物質(zhì)。對(duì)于固體樣品，只能在照射光照射的表面附近進(jìn)行測(cè)量，因此主要用于檢測(cè)氣體和液體中的雜質(zhì)等應(yīng)用。它用于發(fā)動(dòng)機(jī)油分析和尿液分析。

4.遠(yuǎn)紅外線

測(cè)量從測(cè)量目標(biāo)發(fā)射的遠(yuǎn)紅外線。遠(yuǎn)紅外線與溫度密切相關(guān)，可以測(cè)量溫差。它用于熱成像和運(yùn)動(dòng)傳感器。

有關(guān)光譜傳感器的附加信息

光譜傳感器以外的光譜分析方法

圖 3. 主要光譜分析儀

光譜學(xué)是通過(guò)測(cè)量物質(zhì)透射或反射的光的能量并將其與入射光的能量進(jìn)行比較來(lái)對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析。以下方法是典型的光譜分析方法，所使用的波長(zhǎng)從伽馬射線到無(wú)線電波不等。

1.吸收光譜
吸收光譜是通過(guò)用光照射樣品，測(cè)量反射或透射光，并將其與入射光的能量進(jìn)行比較，從而對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的分析方法。典型的分析儀是每個(gè)波長(zhǎng)的吸收光譜儀。

2.熒光光譜（或發(fā)射光譜）
熒光光譜是用光照射樣品，測(cè)量樣品產(chǎn)生的熒光（或冷光），利用光的能量對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的分析方法。離開。典型的分析儀包括熒光磷光光譜和X射線熒光光譜(XRF)。

3. 光散射光譜法
光散射光譜法是一種用光照射樣品，測(cè)量散射光，并根據(jù)光的能量和強(qiáng)度對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的分析方法。典型的分析儀器包括拉曼光譜、動(dòng)態(tài)光散射 (DLS) 和小角度 X 射線散射 (SAXS)。

4. 磁共振光譜法
磁共振光譜法是在磁場(chǎng)中用光照射樣品，測(cè)量透射光，并根據(jù)吸收的光對(duì)物質(zhì)進(jìn)行定性和定量分析的分析方法。典型的分析儀器包括核磁共振（NMR）、電子自旋共振（ESR）和核磁共振成像（MRI）。

5.光電子能譜
光電子能譜是一種用光照射樣品并測(cè)量光電效應(yīng)發(fā)射的電子的分析方法。典型的例子有X射線光電子能譜(XPS)、紫外光電子能譜(UPS)和俄歇電子能譜(AES)。