國(guó)內(nèi)外便攜拉曼光譜儀技術(shù)對(duì)比
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(cè)范圍。目前國(guó)內(nèi)拉曼采用的光譜儀相較進(jìn)口產(chǎn)品存在較大差距。
拉曼光譜與物質(zhì)分子的振動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)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(jià)格昂貴，僅適用于高校實(shí)驗(yàn)室及相關(guān)科研院所。21世紀(jì)以來(lái)，由于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)的需要，便攜式拉曼光譜儀發(fā)展迅速。
國(guó)外，諸如B&WTek，Thermo Fisher Scientific，DeltaNu，Ocean Optics等公司已相繼推出性能良好的便攜式拉曼光譜儀，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高?？蒲?、安檢安防、食品安全、制藥鑒別等領(lǐng)域。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)拉曼光譜儀的開(kāi)發(fā)研制也得到了迅速發(fā)展，沛泓電子，普識(shí)納米，譜識(shí)科儀、斯坦道、奧普天成、南京簡(jiǎn)智，歐普?qǐng)D斯等國(guó)內(nèi)企業(yè)也推出了便攜式拉曼光譜儀，那么國(guó)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(guó)內(nèi)外便攜式拉曼光譜儀產(chǎn)品的差異。
便攜拉曼光譜儀技術(shù)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(guó)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(zhǎng)穩(wěn)定性和功率穩(wěn)定性會(huì)直接影響光譜儀的分辨率，在這方面美國(guó)B&WTek的專(zhuān)利激光器“CleanLaze”具有較好的優(yōu)勢(shì)。CleanLaze?穩(wěn)頻專(zhuān)利技術(shù)(US 7245369B2, 77560200,77560201)主要通過(guò)體布拉格光柵(VBG)來(lái)對(duì)激光輸出進(jìn)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(shí)確保長(zhǎng)時(shí)間的波長(zhǎng)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(shí)，激光器功率的穩(wěn)定性(以SDTEV計(jì)算)約0.28%，在目前這一穩(wěn)定性指標(biāo)要優(yōu)于國(guó)內(nèi)同類(lèi)設(shè)備的水平。
對(duì)于進(jìn)口的便攜拉曼系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(jī)壽命的一個(gè)瓶頸，使其作為一個(gè)長(zhǎng)期可靠使用的工具成為可能，目前國(guó)內(nèi)廈門(mén)大學(xué)大型拉曼有較深的研究，聯(lián)合福建計(jì)量院及廈門(mén)市普識(shí)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(cè)儀》對(duì)激光器的評(píng)價(jià)作為一個(gè)重點(diǎn)。
便攜拉曼光譜儀技術(shù)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(cè)范圍。目前國(guó)內(nèi)拉曼采用的光譜儀相較進(jìn)口產(chǎn)品存在較大差距。例如，國(guó)內(nèi)拉曼的分辨率一般在10cm-1左右，而國(guó)外拉曼的分辨率一般在5cm-1左右，其中美國(guó)B&WTek多種型號(hào)的光譜儀能達(dá)到3.5cm-1(ASTM標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)量)。另外，國(guó)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(jìn)口設(shè)備，例如EnWave，B&WTek，OceanOptics等，因?yàn)槌杀驹驀?guó)產(chǎn)目前有制冷較少，僅有譜識(shí)科儀、奧普天成等采納。
另外，在光譜檢測(cè)器的光路上，國(guó)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(diǎn)。廈門(mén)大學(xué)、譜識(shí)科儀、BWTEK、賽默飛在這方面做了一些光路上的改進(jìn)工作，通過(guò)近軸透射光路，保證了在很寬的光譜范圍內(nèi)，各波長(zhǎng)下都有較高的光譜分辨率。
在CCD致冷技術(shù)和對(duì)弱拉曼信號(hào)的探測(cè)上，由于國(guó)內(nèi)的技術(shù)起步較晚，CCD的致冷技術(shù)與國(guó)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(shuō)，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(huì)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(duì)弱拉曼信號(hào)的采集占據(jù)優(yōu)勢(shì)。
便攜拉曼光譜儀技術(shù)系統(tǒng)集成方面
單一部件的好壞不能完全決定拉曼整機(jī)性能，系統(tǒng)的集成方面也發(fā)揮著重要作用，國(guó)產(chǎn)拉曼由于起步晚，研發(fā)主要集中在科研機(jī)構(gòu)及高校，在系統(tǒng)的集成方面可能會(huì)存在差距，主要體現(xiàn)為，國(guó)產(chǎn)拉曼與進(jìn)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，這需要長(zhǎng)期的經(jīng)驗(yàn)摸索和積累。
便攜拉曼光譜儀技術(shù)表面增強(qiáng)方面
表面增強(qiáng)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(qiáng)拉曼活性平面上，激發(fā)特定波長(zhǎng)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(hào)增強(qiáng) 104 ～ 106 倍。作為檢測(cè)分析物質(zhì)分子結(jié)構(gòu)信息的直接手段，通過(guò)選擇特征指紋譜圖，該技術(shù)可有效降低檢測(cè)誤報(bào)率。表面增強(qiáng)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(qiáng)拉曼光譜技術(shù)不需要樣品預(yù)處理，通過(guò)譜庫(kù)檢索可在 30 秒內(nèi)快速響應(yīng)。
在此技術(shù)領(lǐng)域中，國(guó)內(nèi)的做的相對(duì)比國(guó)外領(lǐng)先很多，目前大部分國(guó)外廠家在表面增強(qiáng)使用都是采用國(guó)內(nèi)廈大校辦企業(yè)廈門(mén)市普識(shí)納米科技有限公司的技術(shù)，該公司是廈門(mén)大學(xué)田中群院士牽頭組織實(shí)施的國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專(zhuān)項(xiàng)—“等離激元增強(qiáng)拉曼光譜儀器研發(fā)與應(yīng)用”唯一產(chǎn)業(yè)單位。
便攜拉曼光譜儀技術(shù)價(jià)格方面
目前，市面上的國(guó)產(chǎn)拉曼明顯比進(jìn)口拉曼便宜很多，市場(chǎng)占有率也在逐步擴(kuò)大。
國(guó)內(nèi)外便攜拉曼光譜儀技術(shù)對(duì)比
國(guó)產(chǎn)拉曼相對(duì)于進(jìn)口拉曼的差距主要體現(xiàn)在光譜分辨率、靈敏度、信噪比、長(zhǎng)期穩(wěn)定性上，對(duì)于部分簡(jiǎn)單應(yīng)用是足夠的，但對(duì)于要求更高的應(yīng)用，比如復(fù)雜體系中目標(biāo)物的檢測(cè)存在巨大挑戰(zhàn)。
國(guó)產(chǎn)拉曼已實(shí)現(xiàn)從無(wú)到有的過(guò)程，下面的階段就是在性能上達(dá)到世界一流水平。由福建計(jì)量院、廈門(mén)大學(xué)、廈門(mén)市普識(shí)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(cè)儀》和《拉曼光譜儀》國(guó)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(yàn)提供技術(shù)依據(jù)，推動(dòng)拉曼光譜技術(shù)的發(fā)展，也規(guī)范拉曼市場(chǎng)應(yīng)用，也為國(guó)產(chǎn)拉曼起到規(guī)范進(jìn)步的指導(dǎo)。
目前拉曼光譜技術(shù)在制藥、食品檢測(cè)、珠寶鑒定、爆炸物檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用，在世界光譜市場(chǎng)領(lǐng)域占據(jù)的份額也越來(lái)越大。如今，我們看到了國(guó)產(chǎn)拉曼光譜儀同進(jìn)口拉曼光譜儀的距離在一步步拉近，相信未來(lái)國(guó)產(chǎn)光譜儀必然能夠超越進(jìn)口產(chǎn)品成為國(guó)內(nèi)外用戶的首選。