什么是便攜式差分拉曼光譜儀？

差分拉曼光譜技術(shù)背景介紹

近年來(lái)，拉曼光譜技術(shù)在食品檢測、生物醫藥、分子結構研究、化工過(guò)程、生物化學(xué)、考古及文物鑒定、公安與法學(xué)樣品分析、**技術(shù)等各行各業(yè)得到廣泛應用，被稱(chēng)為“分子指紋”的拉曼光譜技術(shù)因其無(wú)損、便捷、速度快、穩定性高的優(yōu)良特性，在光學(xué)快檢領(lǐng)域受到大力推崇。

但是，在拉曼光譜檢測技術(shù)擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，其缺陷也暴露出來(lái)，信號弱和易受干擾可以說(shuō)是目前限制拉曼技術(shù)應用的瓶頸。特別是在拉曼光譜應用領(lǐng)域不斷擴展的現在，越來(lái)越多的物質(zhì)或是因為條件限制無(wú)法獲取高信噪比的拉曼光譜，或是因為自身強熒光掩蓋了原本就很弱的拉曼信號，導致應用受限。

位移差分拉曼光譜（SERDS），這種技術(shù)基于在兩個(gè)有輕微偏移的激發(fā)波長(cháng)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)中的低態(tài)激發(fā)，因此對于激發(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(cháng)無(wú)關(guān)。而拉曼光譜作為散射光譜特征峰出現的位置與激發(fā)光源頻譜位置有固定關(guān)系，當激發(fā)光頻率移動(dòng)時(shí)拉曼特征峰會(huì )跟著(zhù)移動(dòng)。根據這一原理，使用兩種波長(cháng)光源對樣品照射時(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(cháng)差對應的平移。理想情況下對兩張譜圖進(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(guò)去噪解卷積算法將拉曼光譜還原出來(lái)。

但實(shí)際情況中，首先兩個(gè)光源無(wú)法同時(shí)測量，因此需采用分時(shí)鍵控的方式，這會(huì )導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(cháng)的四次方成反比，這導致兩張原始光譜中的受激發(fā)射譜和散射譜分量都會(huì )有差異。入射光的波長(cháng)差對差分還原算法至關(guān)重要，便攜式設備中如何控制光源臺間差并設計較高容錯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(cháng)光源的輸出能量差，則在計算差分譜時(shí)引入了對齊誤差，也需要通過(guò)一系列算法消除。這也是為什么自上世紀90年代提出差分拉曼方法后，該技術(shù)一直無(wú)法形成成熟產(chǎn)品，特別是小型化便攜式產(chǎn)品。

申貝儀器研發(fā)團隊在差分拉曼光譜上有三年以上的深入研究，通過(guò)不斷的研究實(shí)驗，我們總結出便攜式差分拉曼光譜儀的主要設計難點(diǎn)：

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

◆高效率光路和高分辨率光譜接收系統設計

◆準確分時(shí)鍵控的脈沖式采樣方式

◆激光光源波長(cháng)臺間差矯正

◆差分譜圖標準化算法，消除因臺間差引起的差分間距及對齊誤差

◆光譜對齊、曲線(xiàn)矯正、差分解調等系列算法

申貝儀器開(kāi)發(fā)團隊通過(guò)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(cháng)集成化激光光源、光路系統和高分辨率接收系統的基礎上，還采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，基于任意函數可以被一個(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(guò)迭代優(yōu)解的方式，同時(shí)將差分、對齊和基線(xiàn)矯正同時(shí)完成。實(shí)驗經(jīng)過(guò)幾十次迭代（用時(shí)0.2s）可以準確分離差分信號和基線(xiàn)偏差。