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“点”到“面”的突破,简智掌握新一代拉曼光谱核心技术

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简智

航天级产品供应商

拉曼光谱技术变革推动者

拉曼快检领军企业

国家标准起草单位

摘要

拉曼光谱一直使用“点测量”的方式,简智仪器利用自身元器件级设计研发能力,率先推出“面测量”方式的便携式拉曼光谱产品,在不降低拉曼信号强度的情况下,实现厘米级检测范围。在检测区域内,激光能量均匀分布,不仅轻松实现非均匀混合物的准确检测,还彻底杜绝引燃引爆危险品、或灼烧损坏样品的风险

“点”到“面”的突破,将大幅扩大拉曼光谱技术的应用范围,助力拉曼技术更好的在应用实践中推广。拉曼光谱进入“面检测”新时代。

简智仪器即将推出全球首款搭载MOEMS阵列光斑检测技术的手持式拉曼光谱仪。


【新一代小型拉曼必配技术】

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近年来,拉曼光谱快检技术在食品安全、生物医药、分子结构研究、化工过程、生物化学、考古及文物鉴定、公安与法学样品分析、反恐技术等各行各业得到广泛应用,被称为“分子指纹”的拉曼光谱技术因其无损、便捷、速度快、稳定性高的优良特性,在光学快检领域受到大力推崇。

但是实际使用过拉曼光谱检测方法的都知道,由于采用聚焦测量的方式,在对有些目标物检测时,必须很小心。由物像共轭关系可以知道,只有在光谱仪接收狭缝的像点发出的所有光信号才能被光谱仪所接收。因此当激发激光的聚焦点正好处于这个位置的时候,拉曼信号才有最高的收集效率。为了获得更高的分辨力,色散光谱仪的狭缝,通常只有几十个微米,所以在进行拉曼检测的时候我们需要对激光进行聚焦。对于一些应用这是非常方便的,比如需要对天然宝石中的胞体进行研究。但在很多时候,高聚焦也带来了其它的问题。

比如深色物质,由于深色物质会吸收大部分激光功率,因此容易引起样品的灼烧。在测量文物字画时有损害样品的可能,而测量黑火药、烟火药等炸药时,如下图

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  此外,由拉曼的聚焦特性,因此实际上只能进行“点测量”,对于一些非均匀样品的分析,高聚焦很可能导致对检测谱图代表性的质疑。如果被测物为非均匀混合物,很可能测量的那个点上,并没有目标物。比如测一个注胶的翡翠手镯,但测量点上没有胶,可能就会被误认为A货翡翠。测量多组分混合的固体毒品时,可能测量点上只有食用辅材而不包含毒品。

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针对这种情况,出现了针对性技术




  首先是ORS移动光斑技术,这种技术通过降低单个位置激光照射时间来避免引燃物体。但由于微机械传动结构很难保证光斑运动轨迹在某个平面范围上均匀分布,因此实际效果只是光斑在某个小范围内呈线性“抖动”,并且由于单点功率密度并没有下降,因此很多情况下仍旧会灼烧甚至引爆物品,而且对设备光机结构要求非常高,导致可靠性下降。

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第二种是TRS投射技术


  该技术对样品要求很高,需要是薄片状样品,而且受数值孔径的限制,这种方式的光学效率不高,测量范围更小。

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第三种是采用非聚焦方式的“大光斑”技术


由于不在物镜聚焦点上测量,使得照射光斑扩大,但由于违背了前面所说的聚焦测量的原则,因此导致收光效率大幅损失,即使在周围加上反射腔做弥补,也至少损失一个数量级以上的光学效率。

并且,以上三种技术都只能将光斑范围扩大到毫米级,在实际应用中仍然太小了。而且后两种技术还会大幅的损失光学收集效率,导致信号恶化,无法有效分辨样品。

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  那么,如何才能获得一个较大面积的拉曼特征并且实现激光功率的均匀分布,而又不以牺牲光学效率为代价呢?复眼昆虫眼部分解成无数的复眼,每个小的眼睛均可独立成像,通过复眼结构昆虫获得了更高的视野和反应速度。从昆虫的复眼,我们获得了很好的启示。通过对复眼的仿生,科学家发明了“蝇眼相机”,具有160度的视野,能够同时聚焦物体的不同深度。

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  如果像复眼一样,有无数个小透镜同时对激发光聚焦,我们就可以在透镜的焦平面将激发光平均分配为很多份。每个小的透镜都是一套独立的光学系统,光谱仪狭缝和样品激发位置构成物象共轭关系。由于小透镜位置不同,我们可以把检测点覆盖在一个很宽的范围同时检测,解决了拉曼检测实际上只能进行“点测量”的问题。

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这就是

这就是简智仪器通过研究率先推出的MOEMS 阵列光斑检测技术,不止解决了拉曼光谱高聚焦容易引起样品的灼烧的问题,同时实现了拉曼检测技术从“点测量”到“面测量”的突破。简智仪器依托自身元器件级的研发设计能力,突破重重设计和工艺难点,将传统拉曼中使用的单一透镜,优化为阵列微透镜,然后再做对应的光路系统的优化,研发出来的复眼仿生的MOEMS拉曼探头,实现将检测范围扩大为厘米量级而光点能量降低1-2个数量级,并且在检测范围内,均匀分布上百个聚焦光斑点;并且每个光斑点,保持了高数值孔径,在不显著降低接收效率的前提下,又均匀地分摊了激光照射功率,可以对样品进行大面积检测。


特别是在测量危险样品时,由于单点功率低于5mw,因此,绝对安全彻底杜绝拉曼光谱灼烧损坏样品,或者引燃引爆危险品的可能性!并且在均匀分摊激光功率的同时,保持超高拉曼接受效率,不会因为测量深色物体而导致信号恶化无法正确分辨。

MOEMS 阵列光斑检测技术可以解决目前对于毒品等混合样品在拉曼检测中出现的代表性问题,避免了对高吸收率物质(如黑火药、ABS材料等)进行拉曼光谱检测时出现的烧蚀损毁现象,解决了易燃目标目前无法用拉曼技术直接检测的问题,同时创新性地实现了低能量密度下的大面积拉曼检测,是对传统拉曼检测技术的革新性变化。简智仪器有信心,MOEMS将成为下一代便携式拉曼光谱的常态性必配技术。绝对安全的保证,将大幅扩大拉曼光谱技术的适用范围。

简智仪器在现场快检技术发展高峰论坛暨2019简智新品发布会上发布该项新科技,为拉曼快检底层技术革新拉开了序幕。2019年简智仪器即将推出的Easy-Raman EV系列新款手持式拉曼光谱产品也将搭载MOEMS阵列光斑检测技术,敬请期待。


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