簡(jiǎn)智差分技術(shù)詳解

      作為在激光快檢領(lǐng)域具有成熟的技術(shù)基礎，尤其在拉曼技術(shù)方面已擁有十余年的研發(fā)經(jīng)驗的國內一流光學(xué)快檢儀器制造商，南京簡(jiǎn)智儀器設備有限公司近日發(fā)布了便攜式差分拉曼光譜儀SERDS Portable-BASE。

差分拉曼光譜技術(shù)背景介紹

      近年來(lái)，拉曼光譜技術(shù)在食品安全、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、反恐技術(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，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。最后，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)一系列優(yōu)質(zhì)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。

 

簡(jiǎn)智儀器研發(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

◆精確分時(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

 

      簡(jiǎn)智開(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，還創(chuàng )新型的采用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。

 

 

 

在經(jīng)過(guò)多年的不斷迭代研發(fā)后，簡(jiǎn)智開(kāi)發(fā)團隊設計并推出便攜式差分拉曼產(chǎn)品——SERDS Portable

 

SERDS Portable優(yōu)勢

◆可直接測量高熒光物質(zhì)

◆抗干擾、抗噪聲，大幅提高系統整體的檢測靈敏度和信噪比

◆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

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

◆在保證對拉曼峰測量準確性的前提下，可大幅降低光源功率

◆消除探測器壞點(diǎn)，提高整機可靠性和光譜容錯糾錯能力

 

SERDS Portable-性能參數

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

◆光譜范圍：180-2800cm-1

◆差分譜對齊算法：簡(jiǎn)智DA-AUTO算法，實(shí)現微小波長(cháng)差下光譜的能量對齊

◆解調算法：簡(jiǎn)智BPD-Smart算法，通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行去噪，曲線(xiàn)矯正和反卷積迭代的差分光譜解調算法

◆矯正算法：針對設備臺間差，自動(dòng)代入光源波長(cháng)差，多次迭代實(shí)現差分譜標準化。

SERDS SOURCE 可調諧拉曼激光器

在推出SERDS Portable的同時(shí)，簡(jiǎn)智儀器還利用其在激光光源領(lǐng)域的深厚研究基礎，推出了SERDS SOURCE可調諧拉曼激光器。

 

SERDS SOURCE可以在2nm的可調諧范圍內實(shí)現穩定波長(cháng)輸出。基于簡(jiǎn)智儀器多年激光器自主研發(fā)設計經(jīng)驗，SERDS SOURCE具有體積小，波長(cháng)精度高，穩定性好，溫控精度高，功率穩定度高和可靠性高的特點(diǎn)。

 

 應用實(shí)例

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

通過(guò)差分拉曼光譜技術(shù)，可以在檢測中排除因為環(huán)境或物質(zhì)熒光引起的干擾峰 

 

  

 

 

◆使用低功率直接測量深色ABS塑料，避免樣品燒毀

從低信噪比的微弱信號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(chǎng)家少之又少，而很多高校、科研院所的科研成果并未轉化為實(shí)際應用。未來(lái)，拉曼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展還得依靠科研機構和企業(yè)提供源源不斷的創(chuàng )新。拉曼光譜技術(shù)作為一種現代的無(wú)損智能檢測技術(shù)，方興未艾，前途無(wú)限。在這種發(fā)展形勢下，拉曼光譜分析檢測的應用會(huì )不斷更新，提出新的應用要求和對新穎光譜分析方法、光譜儀器的開(kāi)發(fā)要求。

 

此次發(fā)布便攜式差分拉曼光譜儀SERDS Portable，作為國內的光學(xué)技術(shù)研發(fā)企業(yè)——簡(jiǎn)智儀器將會(huì )繼續跟進(jìn)市場(chǎng)前沿需求，拓展市場(chǎng)應用，對高端核心技術(shù)不斷精進(jìn)、持續投入研發(fā)，引領(lǐng)技術(shù)革新，讓拉曼光譜技術(shù)應用在國內市場(chǎng)乃至國際市場(chǎng)大放異彩。