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國內(nèi)外便攜式拉曼光譜儀產(chǎn)品的差異

點擊次數(shù):2750次  更新時間:2018-06-12

拉曼光譜與物質(zhì)分子的振動轉(zhuǎn)動能級有關(guān),是分子的指紋光譜,廣泛應(yīng)用于各種領(lǐng)域。大型拉曼光譜儀體積大、價格昂貴,僅適用于高校實驗室及相關(guān)科研院所。21世紀(jì)以來,由于現(xiàn)場檢測的需要,便攜式拉曼光譜儀發(fā)展迅速。

 

國內(nèi)外的拉曼光譜儀有哪些區(qū)別呢?本文將從構(gòu)造方面比較國內(nèi)外便攜式拉曼光譜儀產(chǎn)品的差異。

  激光器方面

  激光器是拉曼光譜儀的核心部件之一,便攜式拉曼光譜儀需滿足體積小、能量高、線寬小且輸出穩(wěn)定。國內(nèi)外拉曼大部分選用的激光器在體積和能量方面基本一致,主要在線寬和輸出穩(wěn)定方面存在差異。

  激光的線寬,波長穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性會直接影響光譜儀的分辨率,在這方面美國B&WTek的激光器“CleanLaze”具有較好的優(yōu)勢。CleanLaze®穩(wěn)頻技術(shù)(US 7245369B2, 77560200,77560201)主要通過體布拉格光柵(VBG)來對激光輸出進行穩(wěn)頻和約束,使得多模激光器的線寬可以優(yōu)于0.1nm,同時確保長時間的波長漂移穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性。例如在功率穩(wěn)定性方面,必達(dá)泰克CleanLaze技術(shù)的785nm激光器,其穩(wěn)定性可以做到在四周的連續(xù)出射時,激光器功率的穩(wěn)定性(以SDTEV計算)約0.28%,在目前這一穩(wěn)定性指標(biāo)要優(yōu)于國內(nèi)同類設(shè)備的水平。

  對于進口的便攜拉曼系統(tǒng)來說,得益于高可靠性和穩(wěn)定性激光器,拉曼系統(tǒng)的壽命得以大幅度提升,其激光器的壽命基本不再是整機壽命的一個瓶頸,使其作為一個*可靠使用的工具成為可能,目前國內(nèi)廈門大學(xué)大型拉曼有較深的研究,聯(lián)合福建*及廈門市普識納米科技有限公司起草的福建省地方標(biāo)準(zhǔn)《便攜式拉曼光譜快速檢測儀》對激光器的評價作為一個重點。

  光譜儀方面

  微型光譜儀是便攜拉曼的“心臟”,光譜儀的性能直接影響拉曼的光譜分辨率,靈敏度和光譜檢測范圍。目前國內(nèi)拉曼采用的光譜儀相較進口產(chǎn)品存在較大差距。例如,國內(nèi)拉曼的分辨率一般在10cm-1左右,而國外拉曼的分辨率一般在5cm-1左右,其中美國B&WTek多種型號的光譜儀能達(dá)到3.5cm-1(ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法測量)。另外,國外光譜儀在CCD封裝,噪聲控制等方面表現(xiàn)更佳。目前,在便攜拉曼系統(tǒng)上,做到-20℃以下制冷的量產(chǎn)產(chǎn)品大部分都還是進口設(shè)備,例如EnWave,B&WTek,OceanOptics等,因為成本原因國產(chǎn)目前有制冷較少,僅有譜識科儀、奧普天成等采納。

  另外,在光譜檢測器的光路上,國內(nèi)廠商主要還是采用交叉式CT(Crossed Czerny-Turner )光路。這種光路制造成本,器件等都較為便宜,但是存在相差較大,空間分辨率低等缺點。廈門大學(xué)、譜識科儀、BWTEK、賽默飛在這方面做了一些光路上的改進工作,通過近軸透射光路,保證了在很寬的光譜范圍內(nèi),各波長下都有較高的光譜分辨率。

  在CCD致冷技術(shù)和對弱拉曼信號的探測上,由于國內(nèi)的技術(shù)起步較晚,CCD的致冷技術(shù)與國外還存在著差異,在拉曼的性能上主要體現(xiàn)為信噪比的差異,通俗的說,同等條件下致冷較好的光譜儀的拉曼譜圖的“毛刺”較少。另外,CCD質(zhì)量的好壞還會體現(xiàn)在光電轉(zhuǎn)換效率的不同,高質(zhì)量的光電轉(zhuǎn)換效率高,對弱拉曼信號的采集占據(jù)優(yōu)勢。

  系統(tǒng)集成方面

  單一部件的好壞不能*決定拉曼整機性能,系統(tǒng)的集成方面也發(fā)揮著重要作用,國產(chǎn)拉曼由于起步晚,研發(fā)主要集中在科研機構(gòu)及高校,在系統(tǒng)的集成方面可能會存在差距,主要體現(xiàn)為,國產(chǎn)拉曼與進口拉曼采用相似的配置,可能得到的拉曼的綜合性能差距明顯,這需要*的經(jīng)驗摸索和積累。

  表面增強方面

  表面增強拉曼光譜技術(shù)將目標(biāo)分析物質(zhì)吸附在采用銀、銅或金等材料制成的表面增強拉曼活性平面上,激發(fā)特定波長的光源引起表面吸收譜帶或表面基質(zhì)共振,使目標(biāo)分析物質(zhì)在作用區(qū)域內(nèi)的拉曼光譜信號增強 104 ~ 106 倍。作為檢測分析物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)信息的直接手段,通過選擇特征指紋譜圖,該技術(shù)可有效降低檢測誤報率。表面增強拉曼光譜儀可在水或空氣中正常工作,傳感器可持續(xù)承受寬溫度范圍的背景。而且表面增強拉曼光譜技術(shù)不需要樣品預(yù)處理,通過譜庫檢索可在 30 秒內(nèi)快速響應(yīng)。

  在此技術(shù)領(lǐng)域中,國內(nèi)的做的相對比國外很多,目前大部分國外廠家在表面增強使用都是采用國內(nèi)廈大校辦企業(yè)廈門市普識納米科技有限公司的技術(shù),該公司是廈門大學(xué)田中群院士牽頭組織實施的國家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項—“等離激元增強拉曼光譜儀器研發(fā)與應(yīng)用”產(chǎn)業(yè)單位。

  價格方面

  目前,市面上的國產(chǎn)拉曼明顯比進口拉曼便宜很多,*也在逐步擴大。

  小結(jié)

  國產(chǎn)拉曼相對于進口拉曼的差距主要體現(xiàn)在光譜分辨率、靈敏度、信噪比、*穩(wěn)定性上,對于部分簡單應(yīng)用是足夠的,但對于要求更高的應(yīng)用,比如復(fù)雜體系中目標(biāo)物的檢測存在巨大挑戰(zhàn)。

  國產(chǎn)拉曼已實現(xiàn)從無到有的過程,下面的階段就是在性能上達(dá)到世界水平。由福建*、廈門大學(xué)、廈門市普識納米科技有限公司起草地方標(biāo)準(zhǔn)《便攜式拉曼光譜快速檢測儀》和《拉曼光譜儀》國家標(biāo)準(zhǔn),將于2018年完成編訂,該標(biāo)準(zhǔn)編訂的完成將為拉曼光譜儀的生產(chǎn)、使用和檢驗提供技術(shù)依據(jù),推動拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展,也規(guī)范拉曼市場應(yīng)用,也為國產(chǎn)拉曼起到規(guī)范進步的指導(dǎo)。

 

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