复合眼光谱仪：实现免校准转移的近红外光谱分析新方法

为解决近红外光谱(NIR)中因仪器差异导致的校准转移(CT)难题，研究人员提出了一种基于微机电系统(MEMS)传感器的复合眼光谱仪概念。通过集成16个MEMS传感器构建虚拟光谱仪，显著降低了仪器间差异，使蔗糖溶液浓度预测的绝对偏差和均方根误差优于传统光谱仪。该研究为免校准转移的光谱技术开发提供了新思路，发表于《Food Research International》。

　　

近红外光谱(NIR)技术因其快速、无损和低成本的特点，在农业、食品和医药领域广泛应用。然而，不同光谱仪之间的仪器差异导致的光谱数据变异，使得校准转移(Calibration Transfer, CT)成为制约技术推广的瓶颈。传统CT方法如偏置校正、分段直接标准化(PDS)等虽能缓解问题，但过程繁琐且耗时。更令人头疼的是，即使规格相同的仪器，由于光学元件和电子器件的微小差异，也会产生显著的测量偏差。这种"仪器指纹"效应迫使研究人员在每次更换设备时都要重新建立校准模型，极大增加了应用成本。

针对这一挑战，受昆虫复眼结构和MEMS陀螺仪阵列技术的启发，研究人员开发了一种创新的复合眼光谱仪(compound-eye spectrometer)。该设备通过集成16个MEMS光谱传感器，以圆形排列形成虚拟光谱仪，利用大数定律平均化单个传感器的随机变异。研究团队使用0-30 wt%的蔗糖溶液作为模型体系，对比了复合眼光谱仪与三种商用光谱仪的性能差异。结果显示，由5个MEMS传感器组成的虚拟光谱仪在跨仪器预测时表现出更小的绝对偏差和均方根误差，证实了该设计在降低仪器差异方面的有效性。

关键技术包括：(1)定制化复合眼光谱仪开发，整合16个MEMS传感器；(2)建立蔗糖溶液的偏最小二乘(PLS)校准模型；(3)通过信号平均创建虚拟光谱仪；(4)使用Brix相关波长评估仪器差异。样本为实验室配制的蔗糖溶液，测量采用漫反射模式。

Development of the compound-eye spectrometer
研究团队克服了传统光谱仪体积大、成本高的限制，选用MEMS传感器实现小型化集成。传感器圆形排列确保光路与传统光谱仪相当，每个传感器独立工作但共享相同的光学接口。这种设计既保留了单个传感器的灵活性，又通过几何排列保证了测量一致性。

Comparison of the reference spectra
与FOSS FT-NIR和Fruit Selector光谱仪相比，MEMS传感器在600-800 nm出现信号饱和，但在800 nm以上表现出良好的灵敏度。关键发现是复合眼光谱仪在Brix特征波长(如960 nm)的吸光度变异系数显著低于单个传感器，证实了信号平均的有效性。

Conclusion
复合眼光谱仪通过多传感器信号融合，将蔗糖浓度预测的绝对偏差从传统仪器的1.5-2.0 wt%降至0.5 wt%以下。这种设计不仅提高了测量精度，更重要的是实现了"一次校准，多机通用"的目标，为NIR技术的标准化铺平了道路。

讨论部分指出，虽然当前系统存在噪声和性能波动等限制，但复眼式设计理念为CT-free光谱技术提供了全新范式。未来研究将聚焦于水果蔬菜等复杂样品的实际应用验证。该工作由JSPS KAKENHI(22K05918)资助，Mizuki Tsuta博士为唯一作者，仪器开发得到日本产业技术综合研究所的支持。论文的创新性在于从硬件层面而非算法层面解决仪器差异问题，这种"以量取胜"的策略在光谱领域尚属首次系统验证。