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拉曼光谱系统的分类及优缺点

        拉曼系统根据探测方式,灵敏度,体积,成本等大体可以分为四个类型:共焦拉曼显微系统,基于科研级光谱仪的拉曼系统,基于迷你光谱仪的拉曼系统,手持型光谱仪。它们各自有自己的优缺点。


一,共焦拉曼显微系统

        共焦系统首先是由Marvin Minsky于1955年发明的。在共焦拉曼系统中,激发光是通过显微镜的物镜聚焦照射到样本之上,然后拉曼信号由同一个物镜进行收集并使用二向色镜与激发光分离。

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共焦拉曼系统的实验装置

        在探测器前会有一个小孔,小孔与样本中激光的焦点共轭,这样只有焦点位置产生的拉曼信号才能通过小孔被探测器探测,而焦点以外的拉曼散射光则被挡住。因而共焦拉曼显微系统具有很高的空间分辨率,同时由于小孔的存在,具备了3D成像的能力。


        因为小孔的存在,拉曼信号也会相对比较薄弱,因而共焦拉曼系统的相机通常会采用一些灵敏度高的,噪声低的比较高端的相机,比如可以降温到-70度的深度耗尽型背照式CCD。最近为了提高显微拉曼的扫描速度,emccd成为了新的流行的共焦拉曼系统的探测器,通过使用EMCCD,可以在每像素曝光时间1ms的情况下就获得信噪比可以接受的拉曼信号。


        共焦拉曼系统较为复杂,体积也比较庞大,因此共焦拉曼系统更多的是局限在实验室中的使用,此外由于好的显微镜,物镜,高端的CCD的使用,共焦拉曼显微系统的成本也相对较高。


二,基于科研级光谱仪的拉曼系统

        科研级光谱仪由于可以使用较大的光栅,较长的透镜,因而具有分辨率高,光收集效率高,稳定性好等优点。此外科研级光谱仪一般也是与降温到-70℃的深度耗尽背照式CCD,液态氮冷却的CCD或者EMCCD搭配,因而基于科研级光谱仪的拉曼系统具有光谱分辨率高,灵敏度高,噪声低,动态范围大等优点,非常适合探测极其微弱的拉曼信号,或者是对探测速度有一定要求的场合。

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基于科研级光谱仪的拉曼系统

        比如使用拉曼探针通过胃窥镜探测胃中对异常组织进行癌变筛查,这种情况要求每个点的光谱探测时间应该小于0.5秒,同时因为生物组织的荧光较强,要求探测器有很好的动态范围,从而能从很强的荧光中处理得到微弱的拉曼信号。


        但是科研级光谱仪的拉曼系统成本较高,便携性较低,因此也主要局限在大型实验室,科研院所中使用。


三,基于迷你光谱仪的拉曼光谱系统

        对于拉曼信号不是十分微弱,或者对分辨率要求不是很高的场合,科研级的光谱仪可以使用普通的迷你光谱仪进行替代。

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基于迷你光谱仪的拉曼系统

        迷你光谱仪具有体积小(20*10*5cm3),重量轻(~1.5kg),易便携,成本低的优点,适合于普通实验室或者对便携性有一定需求的场合。上图是基于迷你光谱仪的拉曼系统的配置。迷你光谱仪一般使用背照式CCD与电子降温到-10度来提高灵敏度与降低暗噪声。

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        滨松也生产了专门适用于拉曼光谱系统的迷你光谱仪,包括C11713CA/C11714CB,两个迷你光谱仪分别适用于532nm激发与785nm激发,光谱分辨率可以达到0.3nm。还有更为小型的C13504MA,大小比苹果4手机还要小一些。


四,手持型拉曼光谱仪

        有些厂商会把光源,光栅,探测器等集成到一个盒子里,从而使手持型拉曼设备成为了可能。如下图可以看到是Thermo Fishser出产的手持型光谱仪。

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Thermofisher手持型拉曼系统用于化学检测

        而由于SERS技术的发展,拉曼系统对于探测器的噪声水平,光源功率等要求降低,使的拉曼系统体积与重量进一步减小成为了可能。滨松公司生产的C13560基于SERS的拉曼光谱仪是世界上目前最小的手持型光谱仪,重量仅为86g,体积比苹果4手机还小,可以使用手机控制数据采集与数据分析。非常适合食品安全,毒品检查等便携性需求较高的应用场景。

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滨松的基于SERS的超轻便手持型迷你光谱仪C13560