用于中遠紅外分子指紋區(qū)的微型高光譜成像儀

什么是指紋區(qū)域

目前可用的電磁源、光譜色散器件和探測器使在電磁波譜可見到近紅外部分的低成本便攜式光譜儀設(shè)備的開發(fā)成為可能。盡管已經(jīng)報道了一些應用，但在電磁波譜區(qū)域內(nèi)的有機成分識別是非常具有挑戰(zhàn)性的，因為它對應于分子伸縮振動能級的泛音帶。因此，該地區(qū)有機化合物的光譜特征往往不清楚，很難準確區(qū)分復雜混合物的各個成分。準確識別樣品成分的理想方法是通過光譜中所謂的“指紋”區(qū)域的光譜，即基本分子能量帶所在的區(qū)域。

指紋區(qū)域位于大約7μm 和20μm（500cm -1 至1450cm -1）之間，稱為中遠紅外（MIR），可用于區(qū)別不同化合物結(jié)構(gòu)上的微小差異。猶如人的指紋，故稱為指紋區(qū)。指紋區(qū)的紅外吸收光譜很復雜，能反映分子結(jié)構(gòu)的細微變化。這個區(qū)域的振動類型復雜而且重疊，特征性差，但對分子結(jié)構(gòu)的變化高度敏感，只要分子結(jié)構(gòu)上有微小的變化，都會引起這部分光譜的明顯改變。

圖通過顯示在指紋區(qū)域典型有機化合物的吸收特征，而圖中左側(cè)所示的近紅外諧波區(qū)域則沒有這種特征。

紅外光譜指紋區(qū)的特點： 

多峰性

峰特征性

峰移動性

精細性

紅外指紋成像光譜儀

INO 在MEMS 開發(fā)方面的背景使其在開發(fā)在紅外指紋光譜區(qū)域的微型成像光譜儀器方面處于優(yōu)勢地位。這主要歸功于INO 作為微測輻射熱計傳感器發(fā)展的者的地位。與傅里葉變換紅外光譜儀（FTIR）中使用的制冷紅外成像陣列相比，微測輻射熱計傳感器非制冷，體積小， 價格便宜，是小型化，低成本紅外光譜成像系統(tǒng)的理想選擇。此外，INO 開發(fā)了一種在微測輻射熱計陣列像素上沉積金黑寬帶吸收體的工藝。

與標準測輻射熱計吸光度相比，金黑吸收器將測輻射熱計的吸光度提高了兩倍，因此靈敏度提高了2 倍。金 - 黑吸收體還允許的大波長吸收范圍：從電磁波譜的可見光到太赫茲區(qū)域。

由于幾種微機電“MEMS”技術(shù)的融合，光譜學世界正在經(jīng)歷革命。 MEMS 微測輻射熱計陣列與MEMS 掃描法布里 - 珀涉儀和小型化成像透鏡的集成使得能夠創(chuàng)建小型，低成本的高光譜成像儀器，可以在電磁頻譜的紅外“指紋”區(qū)域工作。到目前為止，這主要是大型，昂貴的基于傅立葉變換干涉儀（FTIR）的儀器領(lǐng)域。這些儀器通常于實驗室環(huán)境，由經(jīng)過培訓的專家操作。小型、低成本的成像光譜儀的出現(xiàn)將*地減少這些設(shè)備進入的障礙，使得這些技術(shù)在實驗室外得到更廣泛的應用。隨后，在農(nóng)業(yè)和食品質(zhì)量，*制造業(yè)，生物醫(yī)學，國防和安全等領(lǐng)域設(shè)想開發(fā)一系列新應用。

中遠紅外相機MICROXCAM-384i-HS

INO 基于超寬波段微測輻射熱計傳感器技術(shù)的優(yōu)勢，近開發(fā)出專門為紅外指紋區(qū)域設(shè)計的小型化光譜成像相機（下圖）。該系統(tǒng)的核心是INO 的384×288 像素微測輻射熱計陣列，配備金黑吸收體，可實現(xiàn)所有紅外波長的高靈敏度成像。該傳感器插入INO MICROXCAM 攝像頭內(nèi)核。這種微測輻射熱計傳感器與MEMS 掃描法布里 - 珀涉儀（FPI）和微型成像鏡頭耦合，可在FPI 的自由光譜范圍內(nèi)進行光譜成像。 FPI + 鏡頭組件是一個模塊化系統(tǒng)，顯示為附著在金屬色MICROXCAM 攝像機內(nèi)核前部的黑色組件。 FPI + 鏡頭模塊可以輕松更換另一個具有不同F(xiàn)PI 的鏡頭模塊，在保持相機核心模塊不變下，從而允許不同的光譜范圍。

為指紋區(qū)域光譜設(shè)計的基線配置具有8 至11μm 的光譜范圍，光譜分辨率范圍為130nm（8μm） 至220nm（11μm）。在3.8-5.0μm 范圍內(nèi)的較低波長下不同F(xiàn)PI 模塊也可用。如果有特定應用，也可以在其他紅外光譜波長下制造FPIs。

MICROXCAM-384i-HS 適用于光譜應用的開發(fā)人員。它作為開發(fā)套件提供，包括驅(qū)動器電子器件和數(shù)據(jù)采集軟件。MICROXCAM-384i-HS 是一種在整個中遠紅外（MIR）光譜范圍內(nèi)操作的高光譜成像儀，也稱為分子指紋區(qū)，其中化合物可以比VIS-NIR 范圍更好地進行區(qū)分。MICROXCAM-384i-HS 由可調(diào)法布里- 珀涉儀（FPI），光學鏡頭和非制冷紅外相機組成。高光譜數(shù)據(jù)是通過獲取不同波長的空間二維圖像獲得的。FPI 是一種微電子機械系統(tǒng)，通過提供一個簡單的電壓應用程序控制波長。憑借其*的寬帶檢測器技術(shù)，MICROXCAM-384i-HS 可以在單個模塊化組件中通過更換含F(xiàn)PI 的光學模塊來選擇不同的光譜范圍。

MICROXCAM-384i-HS開發(fā)套件

INO 為MICROXCAM-384i-HS 成像光譜儀設(shè)計了一套開發(fā)工具包，以方便終用戶開發(fā)和測試紅外成像應用。除了光譜成像相機之外，開發(fā)套件還包括一個紅外光源和一個樣品架，用于允許用戶進行反射模式光譜成像測量。在所提供的開發(fā)套件配置中（下圖），熱源為樣品的1.5 英寸直徑區(qū)域提供照明。相機與樣品距離為80 mm 時，相當于一個40 像素直徑的圖像，每個像素對應一個0.9 mm 樣本的空間分辨率。因此，與當前由成像FTIR 系統(tǒng)提供的小樣本成像區(qū)域不同， 該系統(tǒng)可以測量“宏觀”尺寸的光譜圖像。這可能證明在雜質(zhì)檢測等應用中非常有用。在典型的工作條件下，該系統(tǒng)可實現(xiàn)接近1280 的信噪比。

圖為用于反射模式光譜成像測量的開發(fā)套件照相機源樣本配置

采集軟件

基于LabVIEW 的用戶友好軟件允許在選定位置可視化紅外圖像和光譜（如下圖）。光譜測量數(shù)據(jù)存儲在文本文件格式中，可以通過光譜分析軟件輕松導入。

成像的優(yōu)點

光譜測量的精度很大程度上取決于光譜儀的性能規(guī)格。通常，高信噪比和足夠的光譜分辨率及光譜范圍對于精確確定樣品的組成非常重要。但事實并非如此：通過光譜手段進行樣品化合物鑒定的限制因素往往是樣品的均一性。對于單點（即非成像）光譜儀而言，這意味著整個被采樣的區(qū)域必須由均勻的樣品組成，否則來自相鄰化合物的不同光譜會混淆所得測量結(jié)果，在樣本區(qū)域上獲取其光譜圖像是避免此問題的一種方法。

在指紋區(qū)域，大部分實驗室FTIR 儀器通常使用配有昂貴的冷卻紅外探測器陣列和成像附件。但是，除了體積龐大且價格昂貴之外，這些支持成像的FTIR 儀器只能在平方毫米數(shù)量級的小表面積上進行成像。因此能夠在更大的樣本區(qū)域成像的光譜成像儀器，即宏觀成像，可以證明是非常有吸引力的。例如，對一系列樣品進行同時檢測等，其在工業(yè)或食品質(zhì)量上的檢測應用是具有較大潛力的。

中紅外指紋區(qū)成像儀MICROXCAM-384i-HS的優(yōu)勢

體積小，小型化，便于攜帶

設(shè)備操作簡單易懂

可更換FPI的鏡頭模塊

可大區(qū)域樣品成像

測試速度快

重復性好

波長范圍長（3-11μm）

高靈敏度成像

高信噪比

多功能成熟的采集軟件，可輕松將數(shù)據(jù)導入其他光譜分析軟件

成套的開發(fā)工具包及套件（可選擇源模塊）

中紅外指紋區(qū)成像儀MICROXCAM-384i-HS-技術(shù)指標

基于LabVIEW 的用戶友好軟件允許在選定位置可視化紅外圖像和光譜（如下圖）。光譜測量數(shù)據(jù)存儲在文本文件格式中，可以通過光譜分析軟件輕松導入。

MICROXCAM-384i-HS應用領(lǐng)域

農(nóng)業(yè)

食品工業(yè)

化妝品

光譜

安全

礦物學

生物醫(yī)學

制藥

自然資源

應用案例-楓糖漿、玉米糖漿和糖蜜的檢測

上圖為楓糖漿，玉米糖漿和糖蜜在紅外光譜區(qū)域的反射光譜影像圖