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拉曼系统分类


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:共焦显微拉曼系统,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。


# 共焦拉曼显微系统



共焦系统首先是由Marvin Minsky于1955年发明的[1]。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。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。


图 1 共焦拉曼系统的实验装置



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[2]。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[3]。


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。


#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度的深度耗尽背照式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,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[4],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。


图 2 基于科研级光谱仪的拉曼系统


#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。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。如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。


图 3 基于迷你光谱仪的拉曼系统



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。下图为滨松的迷你光谱仪外观。



图 4 滨松适用于拉曼的迷你光谱仪设备


#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[5]。


图 5 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。


图 6 滨松的基于SERS的超轻便手持型迷你光谱仪C13560



【参考文献】



[1] https://web.media.mit.edu/~minsky/papers/ConfocalMemoir.html

[2] Zhao J, Zeng H. Advanced Spectroscopy Technique for Biomedicine[M]//Biomedical Optical Imaging Technologies. Springer Berlin Heidelberg, 2013: 1-54.

[3] Hollricher O, Fischer H, Jauss A, et al. Ultrafast Confocal Raman Imaging: Acquiring Spectra in a Few Milliseconds with Improved Sensitivity[J]. Imaging & Microscopy, 2010, 9(4):34-35.

[4] Bergholt M S, Zheng W, Ho K Y, et al. Fiberoptic Confocal Raman Spectroscopy for Real-Time In Vivo Diagnosis of Dysplasia in Barrett's Esophagus[J]. Gastroenterology, 2014, 146(1):27-32.

[5] https://www.thermofisher.com/order/catalog/product/FIRSTDEFENDERRM?ICID=search-product


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