差分拉(la)曼(man)光(guang)譜技術(shu)背(bei)景介紹

近(jin)年來，拉曼(man)光(guang)譜(pu)技術(shu)在食品(pin)檢測、生物(wu)醫藥、分子結(jie)構研究、化(hua)工過程、生物化(hua)學、考古及文物鑒定、法學樣品分析等各行各業得到廣泛應(ying)用，被稱為“分子指紋”的拉曼光譜技(ji)術(shu)因其無損(sun)、便捷(jie)、速度快、穩定(ding)性高的優良(liang)特性，在光學快檢領(ling)域(yu)受(shou)到大(da)力推(tui)崇。

但是，在(zai)拉(la)(la)曼光(guang)譜檢測技術擁(yong)有眾多(duo)優點的(de)(de)(de)同時(shi)，其缺(que)陷也暴(bao)露出(chu)來(lai)，信(xin)(xin)號弱(ruo)和易受干擾可以(yi)說是目(mu)前限(xian)(xian)制拉(la)(la)曼技術應用(yong)的(de)(de)(de)瓶頸。特別是在(zai)拉(la)(la)曼光(guang)譜應用(yong)領域不斷擴展(zhan)的(de)(de)(de)現(xian)在(zai)，越來(lai)越多(duo)的(de)(de)(de)物質或(huo)是因為條(tiao)件限(xian)(xian)制無(wu)法(fa)獲取高信(xin)(xin)噪比的(de)(de)(de)拉(la)(la)曼光(guang)譜，或(huo)是因為自身強熒光(guang)掩蓋了(le)原本就很弱(ruo)的(de)(de)(de)拉(la)(la)曼信(xin)(xin)號，導致應用(yong)受限(xian)(xian)。

位移(yi)(yi)差(cha)分(fen)拉(la)(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)（SERDS），這種(zhong)(zhong)技術基于(yu)在兩個有(you)輕微(wei)偏移(yi)(yi)的(de)(de)(de)(de)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)波長(chang)中收集兩張(zhang)不同(tong)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)，由于(yu)分(fen)子(zi)所發(fa)射(she)(she)(she)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)（熒光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)或磷光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)）只能(neng)從某一(yi)多重態(tai)中的(de)(de)(de)(de)低態(tai)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)，因此對(dui)于(yu)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)微(wei)小(xiao)偏移(yi)(yi)并不影響背景(jing)（樣品受(shou)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)），同(tong)時，噪(zao)聲與(yu)環境干擾光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)也同(tong)樣與(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)入射(she)(she)(she)波長(chang)無關(guan)。而(er)拉(la)(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)作(zuo)為(wei)散射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)特征(zheng)峰出現的(de)(de)(de)(de)位置(zhi)與(yu)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)頻譜(pu)位置(zhi)有(you)固(gu)定關(guan)系，當激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)頻率(lv)移(yi)(yi)動時拉(la)(la)曼(man)特征(zheng)峰會跟著移(yi)(yi)動。根據這一(yi)原理，使用兩種(zhong)(zhong)波長(chang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)對(dui)樣品照射(she)(she)(she)時，獲取的(de)(de)(de)(de)兩張(zhang)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)中，受(shou)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)射(she)(she)(she)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)和噪(zao)聲背景(jing)分(fen)量是一(yi)致的(de)(de)(de)(de)，而(er)拉(la)(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)部分(fen)則會存在與(yu)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源(yuan)(yuan)波長(chang)差(cha)對(dui)應(ying)的(de)(de)(de)(de)平(ping)移(yi)(yi)。理想情況下對(dui)兩張(zhang)譜(pu)圖進行差(cha)分(fen)處理，所獲得的(de)(de)(de)(de)差(cha)分(fen)譜(pu)中，受(shou)激(ji)(ji)(ji)(ji)(ji)發(fa)射(she)(she)(she)譜(pu)和噪(zao)聲背景(jing)會*抵消，剩下的(de)(de)(de)(de)是拉(la)(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)與(yu)自身(shen)平(ping)移(yi)(yi)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)的(de)(de)(de)(de)差(cha)分(fen)圖像。再通(tong)過去噪(zao)解卷積算法將拉(la)(la)曼(man)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)譜(pu)還原出來(lai)。

但(dan)實際情況(kuang)中(zhong)，首先兩(liang)(liang)個光源無法同(tong)時(shi)測量(liang)，因此需(xu)采用分(fen)(fen)時(shi)鍵控的(de)(de)(de)(de)方式(shi)，這會導致兩(liang)(liang)次獲取(qu)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)噪聲背景部分(fen)(fen)必然有差(cha)異(yi)。其次，物質(zhi)的(de)(de)(de)(de)受(shou)激發射(she)(she)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)與(yu)入(ru)射(she)(she)光源能(neng)量(liang)相關(guan)(guan)(guan)，而散射(she)(she)光譜(pu)(pu)(pu)(pu)能(neng)量(liang)同(tong)樣遵循瑞利定(ding)理與(yu)入(ru)射(she)(she)光波長的(de)(de)(de)(de)四(si)次方成反(fan)比，這導致兩(liang)(liang)張(zhang)原始光譜(pu)(pu)(pu)(pu)中(zhong)的(de)(de)(de)(de)受(shou)激發射(she)(she)譜(pu)(pu)(pu)(pu)和散射(she)(she)譜(pu)(pu)(pu)(pu)分(fen)(fen)量(liang)都會有差(cha)異(yi)。入(ru)射(she)(she)光的(de)(de)(de)(de)波長差(cha)對差(cha)分(fen)(fen)還(huan)原算(suan)法至關(guan)(guan)(guan)重要，便(bian)攜式(shi)設備(bei)中(zhong)如何控制光源臺間差(cha)并設計較高容錯性的(de)(de)(de)(de)還(huan)原算(suan)法也(ye)是技術(shu)可產(chan)品化的(de)(de)(de)(de)關(guan)(guan)(guan)鍵。而兩(liang)(liang)種波長光源的(de)(de)(de)(de)輸(shu)出(chu)(chu)能(neng)量(liang)差(cha)，則在計算(suan)差(cha)分(fen)(fen)譜(pu)(pu)(pu)(pu)時(shi)引入(ru)了對齊誤差(cha)，也(ye)需(xu)要通過一系列(lie)算(suan)法消除。這也(ye)是為什么自上(shang)世紀90年代(dai)提出(chu)(chu)差(cha)分(fen)(fen)拉曼方法后，該技術(shu)一直無法形(xing)成成熟產(chan)品，特別是小型化便(bian)攜式(shi)產(chan)品。

申貝儀器研發團(tuan)隊在差分拉(la)曼(man)光譜上有三年以(yi)上的深入研究，通過不斷的研究實驗，我(wo)們(men)總(zong)結出便攜式差分拉曼光譜儀(yi)的主要(yao)設計(ji)難(nan)點：

◆小體(ti)積高可(ke)靠性(xing)雙頻激光器集成設計（超(chao)高溫控精(jing)(jing)度(du)要求(qiu)，超(chao)高精(jing)(jing)度(du)功率控制(zhi)，超(chao)窄(zhai)線寬）

◆率光路(lu)和高(gao)分辨(bian)率光譜接收(shou)系統設計

◆準確分時鍵控的(de)脈(mo)沖式采樣方式

◆激光光源波長臺間差矯正

◆差分(fen)譜圖標準化算法，消除因(yin)臺間(jian)差引(yin)起的差分(fen)間(jian)距及對齊誤差

◆光譜對(dui)齊、曲線矯正、差(cha)分解調等系列算法

申貝儀(yi)器(qi)開發(fa)團(tuan)隊(dui)通過多年(nian)深入研發(fa)位移(yi)差分(fen)(fen)(fen)拉曼光(guang)(guang)(guang)譜(pu)技(ji)術(shu)(shu)，取得突破性(xing)進展，在(zai)自主研發(fa)并迭代優化了多波長集成(cheng)化激光(guang)(guang)(guang)光(guang)(guang)(guang)源、光(guang)(guang)(guang)路(lu)系(xi)統(tong)(tong)和(he)高分(fen)(fen)(fen)辨率(lv)接收系(xi)統(tong)(tong)的基(ji)礎上，還采用BP神經(jing)網絡技(ji)術(shu)(shu)，基(ji)于任意函數可(ke)以(yi)被一個有三層單元(yuan)的網絡以(yi)任意精度逼(bi)近(Cybenko1988)這(zhe)一原理，通過迭代優解(jie)的方(fang)式，同時將差分(fen)(fen)(fen)、對齊和(he)基(ji)線(xian)矯正同時完成(cheng)。實驗經(jing)過幾(ji)十次迭代（用時0.2s）可(ke)以(yi)準確(que)分(fen)(fen)(fen)離差分(fen)(fen)(fen)信號和(he)基(ji)線(xian)偏差。

在經過多年的不斷迭代(dai)研發后，申貝(bei)開發團隊設計并推(tui)出國內便攜式差分拉(la)曼產品——SERDS Portable-BASE

SERDS Portable-BASE優勢(shi)

◆可直接測(ce)量高(gao)熒光物質

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

◆濾除干擾峰(feng)（如環境(jing)光峰(feng)、PL峰(feng)等），只保留純(chun)凈的(de)拉(la)曼(man)峰(feng)，便(bian)于理論研究

◆整(zheng)體(ti)(ti)系統的高靈敏(min)度保證可以測(ce)量微(wei)弱信號(hao)物(wu)質（如深色物(wu)體(ti)(ti)），捕捉(zhuo)微(wei)小信號(hao)差(cha)異

◆在(zai)保證(zheng)對(dui)拉曼峰測量準(zhun)確性的前提下，可大幅降低光源功率

◆消除探(tan)測器壞(huai)點，提(ti)高整機可靠性和光譜容錯(cuo)糾錯(cuo)能力

SERDS Portable-BASE性能參數(shu)

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

◆光(guang)譜范(fan)圍：180-2800cm-1

◆差(cha)(cha)分譜(pu)對齊算法(fa)：簡智DA-AUTO算法(fa)，實現微(wei)小波(bo)長差(cha)(cha)下光譜(pu)的能量(liang)對齊

◆解調算法(fa)：BPD-Smart算法(fa)，通過神(shen)經網絡進(jin)行去噪，曲線矯正和(he)反卷積迭代的(de)差分光譜(pu)解調算法(fa)

◆矯正(zheng)算法：針(zhen)對設備臺間差(cha)(cha)，自動(dong)代入光源波長差(cha)(cha)，多次迭代實(shi)現(xian)差(cha)(cha)分(fen)譜標準(zhun)化。