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FinderInsightPro系列小型激光拉曼光譜儀檢測在食品安全領域的應用
產品概述
遠程拉曼光譜技術
拉曼光譜技術是用于研究物質結構的分子光譜技術，通過散射光的頻移量來獲得分子振動、轉動情況，從而分析分子的結構、對稱性、電子環(huán)境和分子結合情況，是定量和定性分析物質結構的一種強有力的技術手段。
近年發(fā)展的遠程拉曼光譜探測技術，是根據(jù)拉曼散射效應遠距離探測物質的技術，通過技術的發(fā)展及應用的拓展，目前已在行星、礦物勘測、遠程爆炸物探測、化學物質泄漏和污染物測量等方面有很高的應用價值。國際目前常用的程拉曼探測系由以下部分組成：激發(fā)光源、光路收集模塊、分光模塊、探測模塊、數(shù)據(jù)采集與分析模塊。
在激光器的選擇上，高脈沖能量激光器是主流激光器，常見的是可見光波段的激光器， 也有少量研究者采用紅外波段和紫外波段。
目標樣品拉曼信號的收集是遠程拉曼光譜探測的關鍵技術環(huán)節(jié)，大口徑望遠鏡有助于接收較弱的遠程拉曼回波信號，戶外遠程探測時一般采用望遠系統(tǒng)收集信號。常見技術有卡塞格林望遠鏡和拉曼光纖探頭等。
在搭配探測器時，跟據(jù)激光器的選型可分為CCD 和帶有電子快門的ICCD，連續(xù)激光源搭配CCD 探測器能滿足較短距離探測需求。高脈沖能量激光器搭配ICCD 探測器，通過對門寬的設置可以較好地排除背景光和衰減時間長的熒光干擾，具有很高的應用前景。
遠程拉曼光譜技術技術優(yōu)勢：
(1) 多種收集器可選，適應30mm-1000m甚至更遠距離的探測；
(2) 連續(xù)激光器/脈沖激光器可選
(3) 多種分光光譜儀可選，光柵光譜儀可實現(xiàn)高分辨率，VPH光譜儀實現(xiàn)高通光量
(4) 多種探測器可選，背照式深耗盡型光譜CCD相機和ICCD可選
(5) 兼顧成像測試，可實現(xiàn)腔內樣品準確定位
主要參數(shù)一覽表：
激光波長 | 連續(xù)激光器：405, 514, 532, 633, 670, 671, 785, 808 nm（其他可選） 脈沖激光器：532nm，線寬< 0.005 cm-1，10Hz,290mJ |
拉曼頻移范圍 | 100-4000cm-1(不同激光可能不同) |
探測距離 | 0-30mm@顯微拉曼系統(tǒng) 30-200mm@拉曼探頭 |
光譜儀 | CT式320 mm 焦長光譜儀 透射式VPH光譜儀 |
光譜 | 科研級CCD探測器： 2000x256 像素，背照式深耗盡芯片，QE>90%，300-1100nm響應，峰值效率95%，深度制冷到-60℃ 像增強型CCD探測器：1024*1024像素，2ns門控， 280 – 810nm響應，增益大于200 |
光譜分辨率 | <1.5cm-1 @光柵光譜儀 < 5cm-1 @VPH光譜儀 |
遠程拉曼探頭
激發(fā)波長 | 405, 514, 532, 633, 670, 671, 785, 808 nm.其他可選 |
光譜范圍 | 100-4000 cm-1 ( 不同激光器范圍不同 ) |
焦距 | 20 mm to 100 mm |
樣品端光斑大小 | ~100 um @ 100 um 芯徑激發(fā)光纖 |
工作距離 | 20 ~100 mm |
數(shù)值孔徑 | 0.22 @40 mm 焦距 |
探頭尺寸 | 2.25" L x 0.96" W x 0.58" H |
探頭材質 | 超硬氧化鋁或者 316 不銹鋼 |
探頭柄尺寸 | 1.125" 直徑 x 3.8" 長度 |
探頭柄材質 | 316 不銹鋼 |
濾光片效率 | O.D >6 |
操作溫度 | 0-85 ? C |
最大操作壓力 | 15 psi |
光纖配置 | 100/100 um 標準配置，其他可選 |
接口類型 | FC 或者 SMA |
其他 | 可定制 |
遠程成像探頭
適用波長 | 405nm-785nm |
工作距離 | ~200mm |
空間分辨 | 典型值：6um |
成像相機 | 2000萬像素，焦面17.6×11.8 mm |
機械控制 | XYZ位移以及俯仰可調，適配不同腔體 |
激光器
激光器 | 脈沖激光器 | 光纖激光器 |
激發(fā)波長 | 532nm | 532nm |
脈沖能量 / 功率 | 290mJ | 100mW |
重復頻率 | 10Hz | CW |
線寬 | < 0.005 cm-1 | ＜ 0.00001nm |
光譜儀
類型 | C-T 式影像校正光譜儀 | VPH 光譜儀 |
焦距 | 320mm 焦距 | 85mm |
通光孔徑 | F/4.2 | F/1.8 |
光譜范圍 | 200-1100nm | 532-680nm |
光譜分辨率 | 優(yōu)于 2cm-1@1800 刻線光柵 | 5cm-1@1800 刻線光柵 |
探測器
類型 | ICCD | CCD |
有效像素 | 1024*1024 | 2000 x 256 |
像元尺寸 | 13um*13um | 15 x 15 µm |
有效探測面尺寸 (18mm MCP） | 13.3mm*13.3mm | |
最短光學門寬 | ＜ 2ns | 無 |
讀出噪聲 | 5 e- | 4.5 e- |
門控 | 2ns | 無 |
響應范圍 | 280 – 810nm | 200-1100nm |
典型應用
行星探測
中國科學院萬雄老師設計了一款激光誘導擊穿光譜LIBS+ 拉曼系統(tǒng)在火星模擬環(huán)境下礦物樣品的綜合檢測能力，采用卡塞格林望遠鏡結構，遠程脈沖拉曼光譜激發(fā)，成功檢測了8 種典型礦物質（孔雀石、藍銅礦、雄黃、文石、方解石、硬石膏和石膏等），實驗結果表明，該系統(tǒng)可以在火星條件下有效分析礦物種類和成分。
材料生長原位監(jiān)測
遠程拉曼光譜技術可實現(xiàn)原位監(jiān)測材料生長過程，如成分含量、結晶度、缺陷量、薄膜生長速率等參數(shù)。M. Gnyba 等人設計遠程拉曼光譜技術用于原位監(jiān)測CVD 制備金剛石膜生長過程，探測距離最高達197mm， 文中采用的工作距離為20cm。
圖 單晶金剛石拉曼光譜
圖 金剛石薄膜拉曼光譜
遠程拉曼光譜可用于材料生長過程中層數(shù)、堆疊、缺陷密度和摻雜等參數(shù)。M. N. Groot等人[4]采用顯微遠程拉曼系統(tǒng)分析液態(tài)金屬催化CVD制備大面積石墨烯材料的生長過程，實現(xiàn)了從連續(xù)多晶薄膜生長為毫米級無缺陷單晶。
圖 1370k 下405nm 激發(fā)的拉曼光譜圖
圖 冷卻至室溫后 514nm 激發(fā)下的拉曼光譜圖
實測數(shù)據(jù)
真空腔內樣品測試
GaN單晶工作距離80 mm（表觀放大倍數(shù)1:1） 積分時間：5 s
GaN/Au/Mica工作距離80 mm 積分時間：30 s
圖像分辨率測試
USAF1951分辨率板測試，左圖全圖，右圖為左圖紅圈中的放大圖像
該套光學配置的理論分辨率為0.005mm，通過THORLABS的USAF1951標準分辨率板測 試，如上圖中的右圖所示，能最小分辨的線對編號為右圖虛線框中的“6-3"，對照如下1951 USAF測試靶的表格：
其分辨率為80.6 lp/mm，對應空間分辨率為1mm/(80.6*2)=0.006mm
通過芯徑100μm的多模光纖將波長為520nm的綠色激光引入該套光學系統(tǒng)中，聚焦于PCB電路板，效果如下面兩張圖所示。其中圖3中的綠色激光光點聚焦到了PCB版的標尺部分（位于13mm和14mm刻度線之間），每一小格為1mm，實測的光斑直徑約120μm。圖4中的綠色激光光點聚焦到了EMMC_BGA169封裝結構的電極點陣的區(qū)域，其 中相鄰電極間距為0.5mm，一個電極盤的直徑約60μm。
綠色激發(fā)光聚焦到PCB電路板標尺的顯微像；
綠色激發(fā)光聚焦到EMMC_BGA169封裝的電極點陣的顯微照片
引用文獻：
[1] 趙家煒, 馬建樂, 郝銳, 等. 遠程增強拉曼光譜技術及其應用[J]. 光散射學報, 2021.
[2] 袁汝俊, 萬雄, 王泓鵬. 基于遠程 LIBS-Raman 光譜的火星礦物成分分析方法研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2021, 41(4): 1265.
[3] Gnyba M, Kozanecki M, Wroczyński P, et al. Long-working-distance Raman system for monitoring of uPA ECR CVD process of thin diamond/DLC layers growth[J]. Photonics Letters of Poland, 2009, 1(2): 76-78.
[4] Jankowski M, Saedi M, La Porta F, et al. Real-time multiscale monitoring and tailoring of graphene growth on liquid copper[J]. ACS nano, 2021, 15(6): 9638-9648.
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