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拉曼光譜系統(tǒng)的分類及優(yōu)缺點

        拉曼系統(tǒng)根據(jù)探測方式,靈敏度,體積,成本等大體可以分為四個類型:共焦拉曼顯微系統(tǒng),基于科研級光譜儀的拉曼系統(tǒng),基于迷你光譜儀的拉曼系統(tǒng),手持型光譜儀。它們各自有自己的優(yōu)缺點。


一,共焦拉曼顯微系統(tǒng)

        共焦系統(tǒng)首先是由Marvin Minsky于1955年發(fā)明的。在共焦拉曼系統(tǒng)中,激發(fā)光是通過顯微鏡的物鏡聚焦照射到樣本之上,然后拉曼信號由同一個物鏡進行收集并使用二向色鏡與激發(fā)光分離。

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共焦拉曼系統(tǒng)的實驗裝置

        在探測器前會有一個小孔,小孔與樣本中激光的焦點共軛,這樣只有焦點位置產生的拉曼信號才能通過小孔被探測器探測,而焦點以外的拉曼散射光則被擋住。因而共焦拉曼顯微系統(tǒng)具有很高的空間分辨率,同時由于小孔的存在,具備了3D成像的能力。


        因為小孔的存在,拉曼信號也會相對比較薄弱,因而共焦拉曼系統(tǒng)的相機通常會采用一些靈敏度高的,噪聲低的比較高端的相機,比如可以降溫到-70度的深度耗盡型背照式CCD。最近為了提高顯微拉曼的掃描速度,emccd成為了新的流行的共焦拉曼系統(tǒng)的探測器,通過使用EMCCD,可以在每像素曝光時間1ms的情況下就獲得信噪比可以接受的拉曼信號。


        共焦拉曼系統(tǒng)較為復雜,體積也比較龐大,因此共焦拉曼系統(tǒng)更多的是局限在實驗室中的使用,此外由于好的顯微鏡,物鏡,高端的CCD的使用,共焦拉曼顯微系統(tǒng)的成本也相對較高。


二,基于科研級光譜儀的拉曼系統(tǒng)

        科研級光譜儀由于可以使用較大的光柵,較長的透鏡,因而具有分辨率高,光收集效率高,穩(wěn)定性好等優(yōu)點。此外科研級光譜儀一般也是與降溫到-70℃的深度耗盡背照式CCD,液態(tài)氮冷卻的CCD或者EMCCD搭配,因而基于科研級光譜儀的拉曼系統(tǒng)具有光譜分辨率高,靈敏度高,噪聲低,動態(tài)范圍大等優(yōu)點,非常適合探測極其微弱的拉曼信號,或者是對探測速度有一定要求的場合。

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基于科研級光譜儀的拉曼系統(tǒng)

        比如使用拉曼探針通過胃窺鏡探測胃中對異常組織進行癌變篩查,這種情況要求每個點的光譜探測時間應該小于0.5秒,同時因為生物組織的熒光較強,要求探測器有很好的動態(tài)范圍,從而能從很強的熒光中處理得到微弱的拉曼信號。


        但是科研級光譜儀的拉曼系統(tǒng)成本較高,便攜性較低,因此也主要局限在大型實驗室,科研院所中使用。


三,基于迷你光譜儀的拉曼光譜系統(tǒng)

        對于拉曼信號不是十分微弱,或者對分辨率要求不是很高的場合,科研級的光譜儀可以使用普通的迷你光譜儀進行替代。

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基于迷你光譜儀的拉曼系統(tǒng)

        迷你光譜儀具有體積小(20*10*5cm3),重量輕(~1.5kg),易便攜,成本低的優(yōu)點,適合于普通實驗室或者對便攜性有一定需求的場合。上圖是基于迷你光譜儀的拉曼系統(tǒng)的配置。迷你光譜儀一般使用背照式CCD與電子降溫到-10度來提高靈敏度與降低暗噪聲。

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        濱松也生產了專門適用于拉曼光譜系統(tǒng)的迷你光譜儀,包括C11713CA/C11714CB,兩個迷你光譜儀分別適用于532nm激發(fā)與785nm激發(fā),光譜分辨率可以達到0.3nm。還有更為小型的C13504MA,大小比蘋果4手機還要小一些。


四,手持型拉曼光譜儀

        有些廠商會把光源,光柵,探測器等集成到一個盒子里,從而使手持型拉曼設備成為了可能。如下圖可以看到是Thermo Fishser出產的手持型光譜儀。

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Thermofisher手持型拉曼系統(tǒng)用于化學檢測

        而由于SERS技術的發(fā)展,拉曼系統(tǒng)對于探測器的噪聲水平,光源功率等要求降低,使的拉曼系統(tǒng)體積與重量進一步減小成為了可能。濱松公司生產的C13560基于SERS的拉曼光譜儀是世界上目前最小的手持型光譜儀,重量僅為86g,體積比蘋果4手機還小,可以使用手機控制數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)分析。非常適合食品安全,毒品檢查等便攜性需求較高的應用場景。

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濱松的基于SERS的超輕便手持型迷你光譜儀C13560