差分拉曼光譜技術背景介紹

近年來，拉曼光譜技術在食品檢測、生物醫藥、分子結構研究、化工過程、生物化學、考古及文物鑒定、法學樣品分析等各行各業得到廣泛應用，被稱為“分子指紋”的拉曼光譜技術因其無損、便捷、速度快、穩定性高的優良特性，在光學快檢領域受到大力推崇。

但是，在拉曼光譜檢測技術擁有眾多優點的同時，其缺陷也暴露出來，信號弱和易受干擾可以說是目前限制拉曼技術應用的瓶頸。特別是在拉曼光譜應用領域不斷擴展的現在，越來越多的物質或是因為條件限制無法獲取高信噪比的拉曼光譜，或是因為自身強熒光掩蓋了原本就很弱的拉曼信號，導致應用受限。

位移差分拉曼光譜（SERDS），這種技術基于在兩個有輕微偏移的激發波長中收集兩張不同的光譜，由于分子所發射的光（熒光或磷光）只能從某一多重態中的低態激發，因此對于激發光的微小偏移并不影響背景（樣品受激發射光譜），同時，噪聲與環境干擾光也同樣與光源入射波長無關。而拉曼光譜作為散射光譜特征峰出現的位置與激發光源頻譜位置有固定關系，當激發光頻率移動時拉曼特征峰會跟著移動。根據這一原理，使用兩種波長光源對樣品照射時，獲取的兩張光譜中，受激發射光譜和噪聲背景分量是一致的，而拉曼光譜部分則會存在與光源波長差對應的平移。理想情況下對兩張譜圖進行差分處理，所獲得的差分譜中，受激發射譜和噪聲背景會*抵消，剩下的是拉曼光譜與自身平移光譜的差分圖像。再通過去噪解卷積算法將拉曼光譜還原出來。

但實際情況中，首先兩個光源無法同時測量，因此需采用分時鍵控的方式，這會導致兩次獲取光譜中的噪聲背景部分必然有差異。其次，物質的受激發射光譜與入射光源能量相關，而散射光譜能量同樣遵循瑞利定理與入射光波長的四次方成反比，這導致兩張原始光譜中的受激發射譜和散射譜分量都會有差異。入射光的波長差對差分還原算法至關重要，便攜式設備中如何控制光源臺間差并設計較高容錯性的還原算法也是技術可產品化的關鍵。而兩種波長光源的輸出能量差，則在計算差分譜時引入了對齊誤差，也需要通過一系列算法消除。這也是為什么自上世紀90年代提出差分拉曼方法后，該技術一直無法形成成熟產品，特別是小型化便攜式產品。

申貝儀器研發團隊在差分拉曼光譜上有三年以上的深入研究，通過不斷的研究實驗，我們總結出便攜式差分拉曼光譜儀的主要設計難點：

◆小體積高可靠性雙頻激光器集成設計（超高溫控精度要求，超高精度功率控制，超窄線寬）

◆率光路和高分辨率光譜接收系統設計

◆準確分時鍵控的脈沖式采樣方式

◆激光光源波長臺間差矯正

◆差分譜圖標準化算法，消除因臺間差引起的差分間距及對齊誤差

◆光譜對齊、曲線矯正、差分解調等系列算法

申貝儀器開發團隊通過多年深入研發位移差分拉曼光譜技術，取得突破性進展，在自主研發并迭代優化了多波長集成化激光光源、光路系統和高分辨率接收系統的基礎上，還采用BP神經網絡技術，基于任意函數可以被一個有三層單元的網絡以任意精度逼近(Cybenko1988)這一原理，通過迭代優解的方式，同時將差分、對齊和基線矯正同時完成。實驗經過幾十次迭代（用時0.2s）可以準確分離差分信號和基線偏差。

在經過多年的不斷迭代研發后，申貝開發團隊設計并推出國內便攜式差分拉曼產品——SERDS Portable-BASE

SERDS Portable-BASE優勢

◆可直接測量高熒光物質

◆抗干擾、抗噪聲，大幅提高系統整體的檢測靈敏度和信噪比

◆濾除干擾峰（如環境光峰、PL峰等），只保留純凈的拉曼峰，便于理論研究

◆整體系統的高靈敏度保證可以測量微弱信號物質（如深色物體），捕捉微小信號差異

◆在保證對拉曼峰測量準確性的前提下，可大幅降低光源功率

◆消除探測器壞點，提高整機可靠性和光譜容錯糾錯能力

SERDS Portable-BASE性能參數

◆光源：雙頻輸出（Δλ≤1nm），單頻輸出功率≤450mw，線寬≤0.06nm

◆光譜范圍：180-2800cm-1

◆差分譜對齊算法：簡智DA-AUTO算法，實現微小波長差下光譜的能量對齊

◆解調算法：BPD-Smart算法，通過神經網絡進行去噪，曲線矯正和反卷積迭代的差分光譜解調算法

◆矯正算法：針對設備臺間差，自動代入光源波長差，多次迭代實現差分譜標準化。