从台式到紧凑型拉曼:缩小性能差距

在过去的 10 年中,拉曼光谱已经自成一格,凭借紧凑的现场便携式分析系统从实验室跃升至工业和现场。然而,与许多技术一样,与传统的台式拉曼系统相比,尺寸减小经常导致性能妥协。

这限制了紧凑型的应用 拉曼光谱 可以应用,和/或可达到的检测限。然而,仍然有可能扩大紧凑型拉曼的范围以缩小这种差距,并通过精心设计的产品设计来优化尺寸、灵敏度和波长,从而实现新的应用。

为拉曼设计一个与台式系统性能接近匹配的紧凑型现场便携式拉曼系统需要注意三个重要参数,这些参数可为研究人员和原始设备制造商提供显着优势:

  1. 灵敏度 – 使用改进的光学设计在同样紧凑的占地面积内产生更多的吞吐量,而不会显着增加成本
  2. 小型化 – 坚固、精密的机械设计,最大限度地减少占地面积,同时提供出色的热稳定性和单元间重现性
  3. 波长 – 优化分析波长以获得每个样品的最大 SNR

本文检查了相关的设计选项以优化每个选项,并考虑它们如何通过提供紧凑型光谱仪以及其他可用产品的传统性能的阶跃变化来突破应用拉曼光谱的界限。

灵敏度——Wasatch 的优势

灵敏度非常重要,因为它对于目前正在突破的一些最有趣的商业拉曼应用至关重要,包括高通量检测、通过包装分析、痕量级检测和标记。

市场上已有 20 年历史的传统紧凑型交叉车尔尼-特纳 (CCT) 光纤光谱仪可以服务于许多常规识别任务,但仍然无法与台式光谱系统相匹配 1-2 个数量级。这是由于此特定光学布局中的某些限制,因此需要改进光学设计以在相同的紧凑占地面积内提供显着更高的吞吐量。

早期的微型、紧凑型光谱仪是为“足够好”的光谱学而设计的。在被认为是最紧凑的配置中使用成本最低的组件,目的是获得具有适合常规吸收或反射光谱的分辨率和灵敏度的单次光谱。

选择它们的数值孔径以匹配可用的最常见的多模光纤 - 0.22 NA - 因此使用 f/4 光学设计。使用反射光学器件的 f/4 交叉 Czerny-Turner (CCT) 光学布局保持最小尺寸,但成本很高:不对称设计的影响导致检测器上的弯曲图像平面,使得越来越难以减轻光学像差,以及随温度而恶化的峰对称性。

虽然有多种应用非常适合这种设计,但它必须在对应用便携式拉曼光谱最关键的两个关键性能参数——灵敏度和热稳定性方面做出更大努力。

Wasatch Photonics 的紧凑型光谱仪专为拉曼设计,采用独特的方法 - 通过在透射而不是反射中工作,光学像差可以限制在衍射极限以下,减少系统中的杂散光并实现持续良好的聚焦探测器图像平面以获得更多信号。

使用拉曼光谱识别来源和酒精含量

指某东西的用途 VPH透射光栅 除了更平滑的变化响应曲线和很少的散射外,与 CCT 光谱仪中使用的反射光栅相比,它的效率额外提高了 20-40%。通过将收集角增加到 42°(f/1.3 与 CCT 光谱仪的典型 f/4 或 0.36 NA),可以进一步放大灵敏度增益。

综合起来,这些因素导致设计的信号多出 10 倍以上。如下所述,这种光学设计的改进在相对性能方面转化为多种材料优势。

更高的灵敏度

使用 WP 830 透射式 f/1.3 光谱仪设计,使用 830 nm 激发测量环己烷在相同测量时间内产生的信号比传统 f/4 反射式 CCT 光谱仪多 10 倍,从而可以轻松观察和量化小峰。这在捕捉短暂现象或检测微弱信号时非常完美。具有更高的灵敏度,可以使用较低水平的激光功率,从而显着减少辐射暴露。在现场识别潜在爆炸性未知物时,这可以防止损坏易碎样品并降低相关风险。

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更短的集成时间

传统的 f/4 反射 CCT 光谱仪需要 10 秒才能使用具有可量化峰的 1064 nm 激发扫描椰子油。 WP 1064 透射式 f/1.3 光谱仪在短短 2 秒内获得了等量的信号,并且噪声明显减少,在 1220-1240 cm 处实现了峰结构-1 轻松解决。实际上,在此扫描速率下,可以利用平均来最大化 SNR。快速测量是过程和工业中高通量扫描的最佳选择,也有助于在 2D 映射期间的等效时间内获得更高的空间分辨率图像。

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检测下限

虽然希望获得更高的灵敏度,但最终是信噪比 (SNR) 控制了可监测的分析物的最低浓度 - 检测限 (LOD)。在 830 nm 激发下对异丙醇进行测试期间,WP 830 透射式 f/1.3 光谱仪的 LOD 超过传统 f/4 反射式 CCT 光谱仪 20 倍以上。这允许对溶液中或表面上的分析物进行痕量检测;可以轻松地对新现象或复杂混合物进行分析。较低的 LOD 还有助于更灵敏地检测标签剂和较低的标签浓度。

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样品偶联的影响

在从样品中收集最大量的光时,使用与光谱仪输入孔径配对的采样附件和光纤至关重要。使用孔径匹配 用于拉曼的 WP 探针 使用 f/1.3 光谱仪时,使用 0.36 NA 路由光纤产生的信号比典型的 0.22 NA 拉曼探头多 3 倍。

使用集成激光系统可将信号提高约 80%,因为它消除了传输损耗和光纤耦合。为拉曼选择集成激光系统以获得最佳信号和最小占地面积,

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小型化——减小尺寸,而不是性能

光谱系统的尺寸越小,它可以去的地方就越多。模块化系统是展示新概念和开发算法和光谱库进行分析的最佳选择,但在工业应用方面,它们很少能应对挑战。在修改用于便携式或 OEM 应用的模块化组件时,尽量减少组件数量是有利的。

可以移除光纤以支持自由空间耦合以增加耐用性和信号,有源组件被替换以支持更坚固 OEM型号,甚至光具座也可能会发生变化。然后面临的挑战是使用新组件实现相同的性能。

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在 Wasatch Photonics,标准光谱仪系列围绕一个紧凑、坚固的 OEM 光学平台构建,从而能够以更小的占地面积、任何体积提供相同的性能。下面的示例演示了如何将带有激光模块(蓝色)和探头(黑色)的 WP 785 拉曼光谱仪(红色)集成到一个 拉曼系统 (中心),并进一步缩小尺寸以生产带有机载激光器、滤光片和聚焦光学器件的集成 OEM 模块。始终使用相同的核心光具座。

这种产品设计方法的优势在于,可以使用模块化组件进行概念验证测试和初步研究,以保持系统尽可能灵活和可重新配置,并确信热稳定性、灵敏度和单元等重要因素核心光谱仪设计中已经解决了单位差异,并将在整个集成过程中保持一致。

标准产品与 OEM 模块性能

鉴于核心光具座在产品开发的每个阶段(集成、模块化和 OEM 模块)都保持不变,性能也是如此。这可以通过使用 WP 785-A-L 拉曼系统(785 nm 集成激光器)在 50 ms 积分时间对环己烷进行的 785 nm 拉曼测量与等效的 OEM 模块进行比较来观察。请注意,除了光谱仪灵敏度保持一致外,两种型号的仪器响应功能也是如此。

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热稳定性的重要性

热稳定性在拉曼光谱中至关重要,因为它决定了补偿或重新校准频率的必要条件。它还影响光谱重现性,这是在广泛的操作条件下进行高精度库匹配的关键。

为了验证 Wasatch Photonics f/1.3 拉曼光谱仪设计的热性能,监测了在整个温度循环过程中使用 WP 785 环境(非冷却)拉曼光谱仪拍摄的 Xe 发射光谱,得出的结论是在 0-40°C 范围内热位移 <2 个像素.同样,类似地配置 f/4 CCT 光谱仪会导致在相同温度范围内产生更大的 ~5 像素偏移。

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单位间重现性

对于 OEM 仪器制造商而言,光谱仪性能的一个真正重要的方面是重现性。单元之间的峰形一致性对于构建拉曼谱库至关重要。与 f/4 反射式 CCT 光谱仪设计相比,透射式 f/1.3 光谱仪设计和 VPH 光栅本质上具有更小的仪器响应函数差异。这使 Wasatch Photonics 能够为 OEM 提供灵敏度匹配,作为其内部质量控制的一部分。本文中显示的单位在整个光谱中的强度匹配 <10% - 在每个波长上。

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波长——扩展选择,扩展科学

首先,对光谱仪设计的灵敏度和体积可生产性建立信心是紧随其后的关键因素是选择正确的工作波长。在 拉曼光谱,激发波长影响信号水平和背景荧光。

较短的波长提供更多的信号,而较长的波长或近紫外激发导致有机和生物样品的背景荧光降低。成本效益也成为一个重要因素,许多 OEM 选择 830 nm 激发而不是 1064 nm,因为硅探测器光谱仪与具有 InGaAs 阵列和 TEC 冷却的光谱仪的相对成本。激发源也可能是一个因素,包括相对成本和尺寸,以及可用性和寿命(特别是对于蓝色或紫外激光器)。

使用拉曼光谱识别来源和酒精含量

通过提供 6 种拉曼标准波长——405、532、633、785、830 和 1064 nm——以及为 OEM 进一步定制波长的选项,Wasatch Photonics 为客户提供了灵活设计的工具,以生产最佳系统以满足您特定样品或应用的需求。

对于需要不同波长或带宽的客户,作为体积相位全息 (VPH) 光栅的制造商,Wasatch Photonics 具有独特的定位。无论选择何种激发波长,该公司都可以设计和提供完全针对 OEM 应用进行调整的定制光栅。

Wasatch Photonics 花时间更好地了解每个应用的需求,使用我们的多项专利和专有光栅技术在带宽和色散需求与效率之间取得平衡。光谱光栅提高了效率并具有超低散射,从而优化了 SNR。

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结论

Wasatch Photonics 的紧凑型透射 f/1.3 光谱仪设计提供比传统反射式 f/4 交叉 Czerny-Turner 光谱仪高一个数量级的灵敏度和更低的检测限。透射式 f/1.3 光谱仪设计可轻松从模块化转变为尺寸更小的占地面积,而不会损失性能,因为它专为研究和 OEM 使用而设计。

此外,它提供了热稳定性和单位间重现性,这对于用于拉曼光谱分析的最先进的识别和量化方法至关重要。如果您想超越拉曼的正常界限,这绝对是一个理想的起点。

此信息来源于、审查和改编自 Wasatch Photonics, Inc. 提供的材料。

有关此来源的更多信息,请访问 Wasatch Photonics, Inc.

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    Wasatch Photonics, Inc.. (2021, October 07). 从台式到紧凑型拉曼:缩小性能差距. AZoOptics. Retrieved on October 21, 2021 from //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1856.

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    Wasatch Photonics, Inc.。“从台式到紧凑型拉曼:缩小性能差距”。 偶氮光学. 21 October 2021. .

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    Wasatch Photonics, Inc.。“从台式到紧凑型拉曼:缩小性能差距”。 AZoOptics. //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1856. (accessed October 21, 2021).

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    Wasatch Photonics, Inc.。2021 年。 从台式到紧凑型拉曼:缩小性能差距. AZoOptics, viewed 21 October 2021, //www.selec-iat.com/Article.aspx?ArticleID=1856.

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