3. 微小型光纖光譜儀在過程監(jiān)測中的應(yīng)用

　　隨微小型光纖光譜儀的出現(xiàn)，光譜技術(shù)也經(jīng)歷著一場從實(shí)驗(yàn)室走向生產(chǎn)現(xiàn)場的革命，已轉(zhuǎn)化為一種完全以被測樣品為中心而設(shè)計(jì)現(xiàn)場儀器的實(shí)用技術(shù)。在實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用中，出現(xiàn)了紫外、可見光、近紅外、拉曼散射和熒光分析等多個(gè)平臺(tái)的在線測量系統(tǒng)。

　　3.1 紫外-可見光測量的在線應(yīng)用

　　可用于傳導(dǎo)紫外光的高質(zhì)量光纖，陣列型檢測器和化學(xué)計(jì)量學(xué)算法的引入，使經(jīng)典的紫外-可見光分析技術(shù)跨過了在線測量的門檻，在工業(yè)在線監(jiān)測中有著廣泛的應(yīng)用。

　　3.1.1 紫外-可見吸收光譜的測量

　　基于比爾-瑯勃定律，溶液或氣體中的化學(xué)成分對光的定量吸收，結(jié)合化學(xué)計(jì)量學(xué)算法對紫外光譜法數(shù)據(jù)信息的挖掘，可對多組分混合物實(shí)現(xiàn)“數(shù)學(xué)分離”測定。如：Valerie Feigenbrugel等人［11］利用基于CCD陣列探測器紫外光譜技術(shù)，建立檢測丙酮、甲氨基酚、二嗪農(nóng)和敵敵畏等多種殺蟲劑的摩爾吸收系數(shù)的實(shí)驗(yàn)方法。Remo Bucci等人［12］將紫外-可見光譜分析用于變性酒精的檢測，非常適合于工業(yè)生產(chǎn)中大量樣品的檢測。這些方法代替了傳統(tǒng)化學(xué)分離測定的繁瑣過程，作為在線測量系統(tǒng)的“軟件”部分，適應(yīng)于在線快速檢測的要求。

　　3.1.2 薄膜厚度的測量

　　應(yīng)用光的干涉測量原理，微小型光纖光譜儀可測的薄膜厚度達(dá)到25 µm，分辨率（FWHM）為1.5nm。將光纖光譜儀與光纖探頭在生產(chǎn)線上構(gòu)建實(shí)時(shí)測量系統(tǒng)，可為高精度工件加工的線上質(zhì)量監(jiān)測和工業(yè)鍍膜過程提供了一種靈活方便的測量手段。

　　3.1.3 顏色測量

　　顏色測量是基于物質(zhì)生色基團(tuán)在可見光范圍內(nèi)（380-780nm）的基頻吸收原理，將測量光譜轉(zhuǎn)化為CIE規(guī)定的顏色空間L*， a* 和b*值表示。結(jié)合光纖光譜儀測量系統(tǒng)的浸入式透射探頭、反射式探頭或積分球采樣附件，可方便完成對溶液、酒類產(chǎn)品、紡織品和紙張等系列產(chǎn)品。生產(chǎn)過程的顏色質(zhì)量控制。

　　3.1.4 LED的分析測量

　　結(jié)合積分球的使用，光纖光譜儀可方便快捷地測量出LED的絕對輻射量和顏色等參數(shù)，在LED生產(chǎn)的質(zhì)量控制中有重要的應(yīng)用。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　此外，由可見光譜衍生出的應(yīng)用也越來越多，程志海等人［13］利用CCD光纖光譜儀和K原子特征譜線的相對強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了對煤粉火焰溫度的在線測量，該方法具有簡單，可靠等優(yōu)點(diǎn)。

　　3.2 近紅外光譜分析的在線應(yīng)用

　　近紅外光譜法是20世紀(jì)90年代以來發(fā)展最快，最引人注目的光譜分析技術(shù)。因其儀器簡單，分析速度快，非破壞性和樣品制備量小，不需對樣品預(yù)處理，可直接進(jìn)行測定，幾乎適合各類樣品（液體、涂層、粉末或固體），在在線分析儀器中表現(xiàn)突出。并且近紅外光在光纖中幾乎無損傳輸，結(jié)合光纖技術(shù)容易實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離多點(diǎn)同時(shí)測量，適合構(gòu)建遠(yuǎn)離現(xiàn)場的在線監(jiān)測系統(tǒng)，是其它方法難以比擬的。

　　隨新型近紅外光纖光譜儀的出現(xiàn)和軟件的升級(jí)，近紅外光譜的應(yīng)用和研究出現(xiàn)了新局面，近紅外光譜在線測量分析技術(shù)在煙草［14］，制藥［15-17］，石化［18］，造紙［19］和食品輕工［20］等領(lǐng)域的應(yīng)用最為活躍。

　　3.3 拉曼散射光譜的在線應(yīng)用

　　拉曼光譜分析技術(shù)以檢測速度快，并能實(shí)時(shí)獲取詳細(xì)的化學(xué)信息等特點(diǎn)，越來越多地被用于連續(xù)或間歇反應(yīng)過程控制。光纖技術(shù)的引入，使測試人員遠(yuǎn)離危險(xiǎn)工作現(xiàn)場，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離取樣分析。

　　Dao等的實(shí)驗(yàn)室展示了拉曼光纖探針方法用于遠(yuǎn)程、在位多成分檢測多可能性［21］。Lee等人利用拉曼光譜儀在生化反應(yīng)器中同時(shí)測定了葡萄糖、醋酸纖維素、甲酸鹽和苯基丙氨酸等多組分濃度［22］。Bauer等人運(yùn)用FT-Raman光譜和非接觸式光纖探針結(jié)合的測量系統(tǒng)，測定了苯乙烯單體在乳液聚合反應(yīng)中的濃度變化情況［23］。Wenz研究了用拉曼光譜分析技術(shù)監(jiān)測ABS生產(chǎn)的接枝共聚過程，確定了恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)終點(diǎn)［24］。McCaffery討論了低分辨率拉曼光譜儀直接在小批量生產(chǎn)的間歇乳液聚合反應(yīng)監(jiān)測中的應(yīng)用［25］。食品行業(yè)中，拉曼光譜在糖類、蛋白質(zhì)、脂肪、維生素和色素等生產(chǎn)的在線快速檢測和質(zhì)量控制方面發(fā)揮著重要的作用［26］。

　　另外，表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）效應(yīng)極大推動(dòng)了拉曼光譜技術(shù)在眾多領(lǐng)域的應(yīng)用。隨激光技術(shù)的發(fā)展和檢測裝置的改進(jìn)，用于在線監(jiān)測的拉曼光譜分析技術(shù)將在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

3.4 激光測量

　　3.4.1 激光波長測量

　　隨激光在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，激光器的波長測量也正成為迫切需求。采用微小型光纖光譜儀對其可進(jìn)行精確，快速的實(shí)時(shí)監(jiān)測，直接獲取的數(shù)據(jù)信息比通常使用的波長計(jì)和掃描F-P腔的方法完整，即同時(shí)得出激光的絕對波長和激光光譜的形狀，而且儀器體積小巧，可方便地集成到系統(tǒng)中操作。#p#分頁標(biāo)題#e#

　　3.4.1 激光誘導(dǎo)擊穿光譜（LIBS）

　　LIBS技術(shù)是用高能量激光光源，在分析樣品表面形成高強(qiáng)度激光光斑（等離子體），使樣品激發(fā)發(fā)光，光隨后通過光纖引入光譜儀的檢測系統(tǒng)進(jìn)行分析。這種技術(shù)對材料中的絕大部分無機(jī)元素非常靈敏，測量精度達(dá)ppm級(jí)的含量，而且樣品可以是固態(tài)，液態(tài)或氣態(tài)。

　　3.5 熒光分析

　　熒光測量要求靈敏度較高的檢測器和有效的濾光器，能區(qū)分開激發(fā)光源的光合樣品發(fā)出的相對微弱的熒光。光纖光譜儀可在360-1000nm范圍內(nèi)檢測溶液和粉末的表面熒光，應(yīng)用熒光分析技術(shù)還可測量樣品中氧的絕對含量，可將LED激發(fā)光源和帶有光纖熒光探頭的微小型光譜儀組成氧濃度傳感器的測量系統(tǒng)，根據(jù)熒光的淬滅程度與氧濃度相關(guān)的原理進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。

4.展望

　　光纖光譜儀以系統(tǒng)模塊化和靈活性，儀器結(jié)構(gòu)緊湊，小巧，內(nèi)部無可移動(dòng)部件，波長覆蓋范圍廣（190-2500nm），測量速度快（小于0.1秒）等優(yōu)點(diǎn)，適合于工業(yè)在線監(jiān)測，而且光譜儀選用低成本的通用探測器，大幅降低使用的價(jià)格門檻。近幾年，化學(xué)計(jì)量學(xué)、光纖和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，為以光纖光譜儀為核心的在線監(jiān)測系統(tǒng)提供了一個(gè)十分廣闊的應(yīng)用空間。