簡智儀器率先發(fā)布國內(nèi)首款便攜式差分拉曼光譜儀引領(lǐng)拉曼技術(shù)變革

　　

　　差分拉曼光譜技術(shù)背景介紹

　　

　　近年來，拉曼光譜技術(shù)在食品安全、生物醫(yī)藥、分子結(jié)構(gòu)研究、化工過程、生物化學(xué)、考古及文物鑒定、公安與法學(xué)樣品分析、反恐技術(shù)等各行各業(yè)得到廣泛應(yīng)用，被稱為“分子指紋”的拉曼光譜技術(shù)因其無損、便捷、速度快、穩(wěn)定性高的優(yōu)良特性，在光學(xué)快檢領(lǐng)域受到大力推崇。

　　

　　但是，在拉曼光譜檢測(cè)技術(shù)擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，其缺陷也暴露出來，信號(hào)弱和易受干擾可以說是目前限制拉曼技術(shù)應(yīng)用的最大瓶頸。特別是在拉曼光譜應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展的現(xiàn)在，越來越多的物質(zhì)或是因?yàn)闂l件限制無法獲取高信噪比的拉曼光譜，或是因?yàn)樽陨韽?qiáng)熒光掩蓋了原本就很弱的拉曼信號(hào)，導(dǎo)致應(yīng)用受限。

　　

　　位移差分拉曼光譜（SEDRS），這種技術(shù)基于在兩個(gè)有輕微偏移的激發(fā)波長中收集兩張不同的光譜，由于分子所發(fā)射的光（熒光或磷光）只能從某一多重態(tài)中的最低態(tài)激發(fā)，因此對(duì)于激發(fā)光的微小偏移并不影響背景（樣品受激發(fā)射光譜），同時(shí)，噪聲與環(huán)境干擾光也同樣與光源入射波長無關(guān)。而拉曼光譜作為散射光譜特征峰出現(xiàn)的位置與激發(fā)光源頻譜位置有固定關(guān)系，當(dāng)激發(fā)光頻率移動(dòng)時(shí)拉曼特征峰會(huì)跟著移動(dòng)。根據(jù)這一原理，使用兩種波長光源對(duì)樣品照射時(shí)，獲取的兩張光譜中，受激發(fā)射光譜和噪聲背景分量是一致的，而拉曼光譜部分則會(huì)存在與光源波長差對(duì)應(yīng)的平移。理想情況下對(duì)兩張譜圖進(jìn)行差分處理，所獲得的差分譜中，受激發(fā)射譜和噪聲背景會(huì)完全抵消，剩下的是拉曼光譜與自身平移光譜的差分圖像。再通過去噪解卷積算法將拉曼光譜還原出來。

　　

　　但實(shí)際情況中，首先兩個(gè)光源無法同時(shí)測(cè)量，因此需采用分時(shí)鍵控的方式，這會(huì)導(dǎo)致兩次獲取光譜中的噪聲背景部分必然有差異。其次，物質(zhì)的受激發(fā)射光譜與入射光源能量相關(guān)，而散射光譜能量同樣遵循瑞利定理與入射光波長的四次方成反比，這導(dǎo)致兩張?jiān)脊庾V中的受激發(fā)射譜和散射譜分量都會(huì)有差異。最后，入射光的波長差對(duì)差分還原算法至關(guān)重要，便攜式設(shè)備中如何控制光源臺(tái)間差并設(shè)計(jì)較高容錯(cuò)性的還原算法也是技術(shù)可產(chǎn)品化的關(guān)鍵。而兩種波長光源的輸出能量差，則在計(jì)算差分譜時(shí)引入了對(duì)齊誤差，也需要通過一系列優(yōu)質(zhì)算法消除。這也是為什么自上世紀(jì)90年代提出差分拉曼方法后，該技術(shù)一直無法形成成熟產(chǎn)品，特別是小型化便攜式產(chǎn)品。

　　

　　簡智儀器研發(fā)團(tuán)隊(duì)在差分拉曼光譜上有三年以上的深入研究，通過不斷的研究實(shí)驗(yàn)，我們總結(jié)出便攜式差分拉曼光譜儀的主要設(shè)計(jì)難點(diǎn)：

　　

　　◆小體積高可靠性雙頻激光器集成設(shè)計(jì)（超高溫控精度要求，超高精度功率控制，超窄線寬）

　　

　　◆高效率光路和高分辨率光譜接收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　

　　◆精確分時(shí)鍵控的脈沖式采樣方式

　　

　　◆激光光源波長臺(tái)間差矯正

　　

　　◆差分譜圖標(biāo)準(zhǔn)化算法，消除因臺(tái)間差引起的差分間距及對(duì)齊誤差

　　

　　◆光譜對(duì)齊、曲線矯正、差分解調(diào)等系列算法

　　

　　簡智開發(fā)團(tuán)隊(duì)通過多年深入研發(fā)位移差分拉曼光譜技術(shù)，取得突破性進(jìn)展，在自主研發(fā)并迭代優(yōu)化了多波長集成化激光光源、光路系統(tǒng)和高分辨率接收系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還創(chuàng)新型的采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，基于任意函數(shù)可以被一個(gè)有三層單元的網(wǎng)絡(luò)以任意精度逼近(Cybenko1988)這一原理，通過迭代最優(yōu)解的方式，同時(shí)將差分、對(duì)齊和基線矯正同時(shí)完成。實(shí)驗(yàn)經(jīng)過幾十次迭代（用時(shí)0.2s）可以準(zhǔn)確分離差分信號(hào)和基線偏差。
 

　　

　　在經(jīng)過多年的不斷迭代研發(fā)后，簡智開發(fā)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并推出國內(nèi)首款便攜式差分拉曼產(chǎn)品——SEDRS Portable-BASE
 

　　

　　SEDRS Portable-BASE優(yōu)勢(shì)

　　

　　◆可直接測(cè)量高熒光物質(zhì)

　　

　　◆抗干擾、抗噪聲，大幅提高系統(tǒng)整體的檢測(cè)靈敏度和信噪比

　　

　　◆濾除干擾峰（如環(huán)境光峰、PL峰等），只保留純凈的拉曼峰，便于理論研究

　　

　　◆整體系統(tǒng)的高靈敏度保證可以測(cè)量微弱信號(hào)物質(zhì)（如深色物體），捕捉微小信號(hào)差異

　　

　　◆在保證對(duì)拉曼峰測(cè)量準(zhǔn)確性的前提下，可大幅降低光源功率

　　

　　◆消除探測(cè)器壞點(diǎn)，提高整機(jī)可靠性和光譜容錯(cuò)糾錯(cuò)能力

　　

　　SEDRS Portable-BASE性能參數(shù)

　　

　　◆光源：雙頻輸出（Δλ≤1nm），單頻輸出功率≤450mw，線寬≤0.06nm

　　

　　◆光譜范圍：180-2800cm-1

　　

　　◆差分譜對(duì)齊算法：簡智DA-AUTO專利算法，實(shí)現(xiàn)微小波長差下光譜的能量對(duì)齊

　　

　　◆解調(diào)算法：簡智BPD-Smart專利算法，通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行去噪，曲線矯正和反卷積迭代的差分光譜解調(diào)算法

　　

　　◆矯正算法：針對(duì)設(shè)備臺(tái)間差，自動(dòng)代入光源波長差，多次迭代實(shí)現(xiàn)差分譜標(biāo)準(zhǔn)化。

　　

　　SEDRS SOURCE可調(diào)諧拉曼激光器

　　

　　在推出SEDRS Portable-BASE的同時(shí)，簡智儀器還利用其在激光光源領(lǐng)域的深厚研究基礎(chǔ)，推出了SEDRS SOURCE可調(diào)諧拉曼激光器。
 

　　

　　SEDRS SOURCE可以在2nm的可調(diào)諧范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定波長輸出?；诤喼莾x器多年激光器自主研發(fā)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，SEDRS SOURCE具有體積小，波長精度高，穩(wěn)定性好，溫控精度高，功率穩(wěn)定度高和可靠性高的特點(diǎn)。

　　

　　SEDRS SOURCE主要性能參數(shù)

　　

　　應(yīng)用實(shí)例

　　

　　◆利用差分技術(shù)在低信噪比測(cè)試環(huán)境下，還原獲得硅片純凈的拉曼峰

　　

　　通過差分拉曼光譜技術(shù)，可以在檢測(cè)中排除因?yàn)榄h(huán)境或物質(zhì)熒光引起的干擾峰
 

　　

　　◆使用低功率直接測(cè)量深色ABS塑料，避免樣品燒毀

　　

　　從低信噪比的微弱信號(hào)中還原出差分頻移分量并還原出純凈的拉曼特征譜
 

　　

　　◆利用低功率直接測(cè)量日落黃樣品
 

　　左圖為日落黃樣品在弱激發(fā)下的差分拉曼光譜復(fù)原圖　　

　　右圖紅色部分為日落黃樣品，黑色部分為在正常拉曼光源功率下被燒焦的樣品

　　

　　國產(chǎn)拉曼發(fā)展至今，真正掌握核心技術(shù)的拉曼廠家少之又少，而很多高校、科研院所的科研成果并未轉(zhuǎn)化為實(shí)際應(yīng)用。未來，拉曼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還得依靠科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)提供源源不斷的創(chuàng)新。拉曼光譜技術(shù)作為一種現(xiàn)代的無損智能檢測(cè)技術(shù)，方興未艾，前途無限。在這種發(fā)展形勢(shì)下，拉曼光譜分析檢測(cè)的應(yīng)用會(huì)不斷更新，提出新的應(yīng)用要求和對(duì)新穎光譜分析方法、光譜儀器的開發(fā)要求。

　　

　　此次發(fā)布國內(nèi)首款便攜式差分拉曼光譜儀SEDRS Portable-BASE，作為國內(nèi)領(lǐng)先的光學(xué)技術(shù)研發(fā)企業(yè)——簡智儀器將會(huì)繼續(xù)跟進(jìn)市場(chǎng)最前沿需求，拓展市場(chǎng)應(yīng)用，對(duì)高端核心技術(shù)不斷精進(jìn)、持續(xù)投入研發(fā)，引領(lǐng)技術(shù)革新，讓拉曼光譜技術(shù)應(yīng)用在國內(nèi)市場(chǎng)乃至國際市場(chǎng)大放異彩。