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“麻雀虽小,五脏俱全”——美科学家为便携式光谱仪集成更丰富应用

发布:HPLSElaser    |    2018-01-29 23:37    阅读:1389
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光谱分析技术的发展一度漫长而曲折,因为光谱分析的处理过程通常十分复杂,但是随着研究的不断深入,该技术正越来越方便非专业人员使用,同时也为更多的工业和消费应用打开了大门。

如今,从保障食品安全和提高生产效率到环境测试和医疗诊断,光谱分析已经成为许多行业不可或缺的工具。由于光谱仪器的小型化和先进的技术进步,光谱分析被越来越多地用于解决现代世界的多种需求。同时,由于人们越来越重视产品质量,以及保护环境和应对全球恐怖主义威胁的需要,越来越多的物质分析需求为光谱学打开了更新更广阔的市场。


科学家们正在使用便携式光谱仪研究一种生活在太平洋南部海域中的,能够识别并产生紫外信号的海鸟。光谱技术帮助研究人员客观评估海鸟的皮肤和羽毛的颜色。图中科学家在福克兰群岛中的一个小岛上使用的光谱仪是AvaSpec-2048型便携式光谱仪,配有笔记本电脑、12V电池、光源和可供连接的反射探头。图片来源:Avantes BV。

如今,光谱仪还被用来检测机场内的瓶装液体和简易爆炸装置,以及分析药物片剂和胶囊的组成成分。同时,还用于检测儿童玩具中含有的邻苯二甲酸酯——这是一种使塑料更易弯曲或更难破碎的化学物质,也是因光谱技术而受益的新兴应用。


刚收获的葡萄果实中含有的成分是决定未来葡萄酒质量的主要因素。科学家们选取了葡萄成分中的几种因素供研究参考,包括人们所熟知的成熟度指标:可溶性糖含量和酸度,以及酚类化合物花青素和多酚。Avantes公司开发了便携式VIS/NIR光学测量系统,能够用于快速、无损地检测葡萄品质。图片来源:Avantes BV。

这种不断增长的市场趋势已经反映在了Research and Markets公司在2017年1月发布的《全球分子光谱市场:到2024年的趋势和预测》报告中,该报告预测到2024年,全球分子光谱分析市场份额将达到67亿美元,从2017年开始到2024年,其复合年增长率为5%。

可调谐红外光谱仪

从第一台傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪被发明近50年来,可调谐红外量子级联激光器(QCL)的出现,在众多待开发领域引起了不小的波澜。随着量子级联激光器的不断进步,光谱技术厂商开始使用价格相对昂贵的新型可调谐激光光源进行红外光谱分析。


安捷伦航空航天分析仪是一款手持便携式中红外傅立叶变换光谱仪(FTIR),专门为航空航天材料,包括复合材料、聚合物、涂层和金属表面进行高质量的无损分析。只要光谱仪器组件经过了精确的校准和验证,即可用于分析最先进的复合材料飞机上的热损伤。图片来源:美国安捷伦科技公司。

安捷伦科技公司生命科学和应用市场部门分子光谱总经理Andrew Hind表示:“红外光谱学界一直关注量子级联激光器技术的发展。企业和资本进入这个市场的障碍主要是量子级联激光器的频率范围,或者说是‘可调谐性’和成本之间的平衡。然而,最近的研究进展已经使量子级联激光器技术进入了红外光谱学领域。”

如今,这种新型仪器已经出现在了市场中。它具有良好的信噪比、相当宽的光谱范围和越来越简单的样品接口。这种仪器能够轻松达到分光光谱所需的光谱分辨率,但是仍然不能完全取代傅立叶变换光谱仪。

这是因为量子级联激光器无法覆盖从2.5到25µm的全部波长范围。目前一般的傅立叶变换光谱仪需要花费大约15000美元,但是企业用户也需要花费差不多相同的成本在基于量子级联激光器的系统上。尽管量子级联激光器在未来10年中不会完全取代傅立叶变换光谱仪,但是对于那些对功率需求很高的应用,量子级联激光器的优点还是显而易见的。

例如,马萨诸塞州伯灵顿的RedShift BioAnalytics公司已经开发了一种基于量子级联激光器的蛋白质二级结构分析系统,使用微流体技术保证了样品和参考缓冲液间的准实时对照,该技术在生物制剂方面具有潜在的应用。伊利诺伊大学Rohit Bhargava等人已经广泛研究了光谱组织病理学和所需的各种仪器。

Bhargava及其同事将快速可调谐的量子级联激光器与装有冷焦平面阵列(FPA)检测器的高性能显微镜相结合。他们将多个量子级联激光器单元复用在一起,使其能够提供指纹区域的光谱覆盖范围,该团队进而声称其光谱和空间保真度至少与最佳的傅立叶变换光谱成像系统一样优秀。

虽然最初的市场开发是十分有限的,位于圣迭戈的Daylight Solution公司目前提供了一种商用量子级联激光器显微镜。与此同时,安捷伦公司也开发了一种以量子级联激光器为基础的原型系统,但是使用了与之不同的方法。

Crocombe光谱咨询公司首席咨询师Richard Crocombe表示:“专注于开发量子级联激光器的公司将在其成本、有限的光谱范围、高亮度和可聚焦性方面发挥优势。在量子级联激光器的发展中,需要特别关注其噪声特性,如果噪声成比例地增加,那么收集再多的信号也无济于事。”

在另一种红外研究方法中,太赫兹光谱已经开始显示出巨大的发展前景。根据MilliporeSigma公司痕量有机分析和传感部门的全球产品经理Daniel Weibel的说法,由于太赫兹光谱拥有卓越的性能,红外太赫兹光谱有可能成为一种颠覆性技术。

这种非电离辐射能够揭示其他波长的光线根本无法观察到的细节。许多常见的材料和活体组织在太赫兹频率下都是半透明的,并且能够显示出可用于材料分析和鉴定的特征指纹。Weibel表示:“太赫兹光谱的应用范围非常广泛,从制药行业的配方分析到安全应用中用于检测隐藏物体,以及检测太阳能电池板的缺陷以及检查非侵入性检测人体内高度敏感的癌变组织。”

拉曼光谱技术繁荣发展

如今的拉曼技术正处在蓬勃发展的上升期,特别是在航空航天测绘和成像领域,其激光波长意味着空间分辨率比传统的红外光谱更好。最近在空间偏置拉曼光谱(SORS)和透射拉曼光谱(TRS)方面的技术突破使其在制药、测量和安全领域中也有了用武之地。


空间偏置拉曼光谱(SORS)能够检测许多毫米尺度的材料,诸如穿过纸张、玻璃、塑料、织物和皮肤等障碍物进行准确的化学分析。该方法不需要事先知道容器或表面的材料,也不需要直接的物理接触。这使其成为隔离有害物质进行识别的理想工具。图片来源:美国安捷伦科技公司。

2017年7月,安捷伦公司收购了总部位于英国的Cobalt Light Systems公司,并获得了该公司的空间偏置拉曼光谱技术,Crocombe预测该技术将成为制药应用中的主流技术。除了在药品质量控制方面能够进行原料识别之外,空间偏置拉曼光谱技术还对那些从事有害物质、爆炸物处理、执法以及在安全检查点对爆炸物进行筛查的人员有所帮助。

目前,没有通用的液体炸药检测方法,机场瓶装液体的筛选问题日益突出。目前,Cobalt公司和Smiths Detection公司生产的基于拉曼光谱技术的安检系统已经部署在机场,但是在这种新型应用中,X射线成像的最新进展是否能够最终取代拉曼光谱技术仍有待观察。虽然传统的拉曼方法依赖从后向散射收集数据,这限制了对片剂和胶囊等样品的分析,而透射拉曼光谱技术则能够通过粉末或固体样品(≥10mm)进行无损测量。用户在无需制备样品的前提下就能够获取代表整个样品的数据,而不仅仅是样品表面的数据。


透射拉曼光谱(TRS)能够通过粉末或固体样品进行非破坏性测量,适用于制药业、检测和安全市场。图片来源:安捷伦科技公司。

因此,透射拉曼光谱非常适合对药物片剂和胶囊的分析,特别是对最终剂型和混合物的快速定量分析。透射拉曼光谱对颗粒大小、样品压实程度和水分含量的变化也不敏感,并且在制药和研发领域已经被越来越多的大型制药公司所采用。

自动化和智能化

自动化和智能化程度越来越高的应用软件,极大地扩展了工厂的生产能力,并减少了对高技能操作人员的依赖。其结果是,光谱技术将被更多地部署在各行业的常规下游应用中,自动操作流水线将逐渐成为生产的常态。

Crocombe表示:“仪器开发人员已经在仪器设计方面储备了高度专业的知识,还建立了专门的库和算法,为操作人员提供了可靠的和可操作的信息。如今,分析人员将通过红色或绿色的屏幕对样品进行研究,而不是像曾经那样观察光谱或色谱图,这使得复杂的分析过程看起来更加简单。”

以光学薄膜制造和计量领域为例,自动化对从研发到质量控制的整条价值链,都产生了重大影响。曾经是一项费时费力的涉及多角度测量的任务如今已经能够以自动和无人看管的方式运行,而且无需移动样本。

Hind表示:“目前,自动化技术已经有将复杂测量体系从研发实验室向生产线转移的趋势,多种产业对这些更加自动化的工作流程解决方案的需求也在日益增加。”


现代食品生产也越来越多地依靠光谱科学,用于监测作物健康和提高产量。图片来源:Avantes BV。

光谱仪器制造商也提供对这些仪器的“集群化管理”,正如Crocombe所指出的那样,在制药等受到高度管制的行业尤其有用。“这确保了公司能够准确控制他们的生产人员正在使用的硬件、软件、库和算法。”

虽然大多数人很高兴看到生产力的显著提高,而且成品的质量和可靠性也有所提升,但这可能并不像看起来那么简单。一些专家预计该趋势中的致命弱点之一,将是被广泛依赖的通常用光谱学知识编写的软件。

TeakOrigin公司是一家致力于使用光谱学技术生产高附加值食品的创业公司,其首席科学家Eise Miseo表示:“软件与编程人员的技术理解一样好。我与那些想把仪器噪声解释为实际信号的软件开发者进行了一些对话,然后从噪声中预测参数,但是显然这是行不通的。”

众包数据难题

另一个可能引起担忧的趋势是在整个行业中都采用了新的通信协议作为标准。以太网、无线网和USB 3.0将仪器部署在了新的通信环境中,而不受连接到附近主机的限制。所有这一切技术都有利于访问云数据,并为远程实时地进行频谱数据处理创造了巨大机会。一些创业公司正在依靠他们的客户来为光谱库收集众包数据,但是这一做法也带来了一定的问题。

Miseo表示:“众包数据包含了样本真实性的所有问题:数据是如何收集的、数据是否以有代表性的方式收集、元数据是否正确等等。所有这些问题都将影响复杂软件的工作能力。”

今天,光谱测量越来越多地被非专业人士使用。以往只有在实验室中才有可能实现现场部署的光谱测量现在已经被越来越广泛的使用,这也导致了市场模式的巨大转变。现在人们能够使用手持设备方便地对制药、食品和化学工业的产品生产现场进行快速检测。

Crocombe表示:“进行实地检查具有巨大的价值,不仅能够提高工厂的生产力,而且还可以提高安全性,并最终彻底改变公司或集团的业务方式。这一巨大的市场转变源于仪器小型化的整体趋势,无论是样品量的减少还是小型仪器的发展。新颖的仪器设计和新型探测器的使用使得外型小巧的设备仍具有强大的功能。”

MilliporeSigma公司全球创新经理Kurt Vorburger表示:“在过去的几年中,光谱仪硬件的尺寸显著降低,这一点非常值得关注。例如,中红外光谱仪的尺寸现在与一张纸的大小相当甚至更小。”

手持式傅立叶变换光谱仪

手持式傅立叶变换光谱仪正迅速成为无损检测底漆、油漆和复合材料的首选工具。与此同时,在许多其他领域的应用,如艺术保护、矿物和土壤识别以及对儿童玩具中的邻苯二甲酸盐的检测也越来越普遍。


手持式傅立叶变换光谱仪能够提供轻便、简单的无损检测方法,可直接对岩石和矿物进行鉴定,并可评估土壤成分。图片来源:安捷伦科技公司。

荷兰光谱技术公司Avantes BV创始人兼主管Benno Oderkerk表示:“这些体积较小的光谱仪对原始设备制造商来说是一个福音,并有可能促使利用光谱技术开发商业产品。目前,拉曼和激光诱导击穿光谱(LIBS)测量技术已经在工业乃至消费者应用中被更广泛地采用。”

目前,手持式激光诱导击穿光谱设备正被用于废物回收和采矿,甚至在某些情况下能够替代X射线荧光。拉曼光谱正在推进过程控制和假冒伪劣产品检测等新领域。Vorburger表示:“与其他元素分析技术相比,激光诱导击穿光谱提供了令人信服的优势,其测量时间极快、元素覆盖范围广,并且不需要样品制备。”然而,产品小型化的持续趋势也带来了挑战,必须注意的是光谱性能必须“符合标准”。

安捷伦科技公司的Hind表示:“相对于设备的体积而言,如果设备性能出现折扣,将无法被市场所接受。同样,虽然我们看到光谱工具的可用性正在持续改善,但市场仍然需要更现代化和更直观的用户体验。”

光谱应用的未来

光谱学的发展已经走过了很长的一段路,那些在光谱研究中不断钻研探索的研究者们都见证了光谱应用的巨大变化。

Miseo表示:“当年我在一个10英尺长的三重单色仪系统中进行研究生课程时,我绝对不会想到今天会使用手提包大小的拉曼光谱设备。我们曾经使用的每一种设备组件中都发生了革命性的变化:激光器、光栅、探测器、电子元件、加工方法和软件。”

尽管有了技术上的突破,但是能够继续发展的地方还有更多。拉曼光谱受到荧光的困扰,而且目前没有任何新型电光材料能够克服这一问题。虽然紫外拉曼光谱可能是一种可行的解决方案,但是该研究目前仍局限于实验室。

Oderkerk表示:“为了克服检测器和光栅响应的低效率问题,发展可调谐紫外和广谱光源的新型光源技术,对于满足这个行业的需求来说是必须的。”对于光谱学和光子学的未来,Avantes仍然非常乐观。

这种乐观情绪弥漫在整个行业之中,随着体积更小、更智能化的光谱仪与云数据和物联网相结合,我们很快就将见证传感器网络和分布式实时检测新时代的到来。根据Hind的说法,“这将彻底颠覆我们目前所知的工业生产”。

来源:https://www.photonics.com/Article.aspx?AID=62762&PID=5&VID=149&IID=985

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