制冷、高靈敏度便攜式差分拉曼光譜儀ATR3020綜合描述：ATR3020采用的差分拉曼光譜技術

綜合描述：

ATR3020采用的差分拉曼光譜技術，它內置兩個相鄰波長的激光器，分時產生激發光，對樣品進行激發，拉曼信號對激發光波長非常敏感，而熒光信號則不敏感，運用差分技術，從而可以抑制熒光，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，達到濾除干擾峰（如環境光峰、熒光峰等），只保留純凈的拉曼峰，捕捉微小信號差，。

由于可以較好地去除熒光等各種干擾，ATR3020便攜式拉曼光譜儀，在保證對準確性的前提下，還可以降低光源功率的要求，提高整機可靠性和光譜容錯糾錯能力，通過與SERS技術結合，可以達到PPB級檢測能力適合野外作業。ATR3020還擁有顯著的可靠性，使檢測結果準確可靠。優良的低雜散光條件使光譜儀具有廣泛的應用，特別是在生化分析儀、食品安全、制藥工程等。該多功能軟件促進了應用中的光譜分析過程。通過互聯網訪問的遠程實驗，使測試項目更容易。

l 依美國國家標準ASTM E2529-06方法測試；

l 特別定制的話，分辨率性能可以提升1/3左右，但是會犧牲靈敏度。

特征：

Ø 差分拉曼光譜技術，有效抑制熒光；

Ø 雙波長激光耦合技術；

Ø 超高靈敏度TEC制冷的CCD ;

Ø 超低噪聲電路;

Ø 強大的嵌入式軟件;

Ø 消除熒光背景；

Ø 峰值搜索和顯示；

Ø 液晶顯示器：10.1;

Ø Android 6.0操作系統；

Ø 11.6寸電容觸摸屏，支持多點觸控；

Ø USB 2.0；

Ø 友好的人機界面;

Ø 電池續航> 4h;

Ø 支持LAN遠程控制;

Ø IP67 防水防塵;

應用領域：

Ø 生物科學

Ø 制藥工程

Ø 法醫分析

Ø 農業與食品安全

Ø 寶石鑒定

Ø 環境科學

1. 差分拉曼的工作原理

差分拉曼光譜法，也叫移頻激發法，它利用兩個波長有細微差別的激光分別照射樣品得到兩幅原始拉曼光譜圖，熒光背景是不隨激光波長的細微改變而發生移動的，但是拉曼峰的位置卻會發生明顯的變化，將兩幅光譜圖相減得到差分光譜，在差分光譜中熒光背景相互抵消，不存在熒光干擾。

圖1 （a）原始拉曼光譜（實現、虛線分別代表784.5nm和785.5nm激光激發的拉曼光譜）；（b）差分光譜

在理想情況下，采用累加法、卷積法，都可以比較容易從差譜中復原出正常拉曼光譜。但是實際測出的光譜信號都或多或少存在噪聲，如光電探測器的暗電流噪聲、電路熱噪聲、環境背景光噪聲、光譜儀內部雜散光等等，如圖 2.5 所示。噪聲的存在不僅會影響測量信噪比，也會降低復原算法的性能。便攜式拉曼光譜儀與實驗室拉曼系統相比，信噪比更差，噪聲的干擾更嚴重。 除了噪聲干擾外，在實際差分光譜中還有可能出現正負譜峰強度不一致、不對稱的情況，這也會降低差分光譜復原算法的性能。拉曼信號的強度與波長的四次方成反比關系，雖然 SERDS 系統的兩個激發波長只有很小的差別，但是這種細小的差別還是會導致拉曼峰值不對稱。噪聲干擾疊加在譜峰上也會導致譜峰不對稱。此外兩次測量過程中樣品受照射后溫度不同、熒光特性發生細微變化（光漂白作用）等情況也會

導致譜峰不對稱。

奧譜天成研制了一套全新的差分拉曼復原算法OP-ADRaman，可以地解決噪聲、不對稱等問題。

圖2 差分拉曼的信號復原

圖3 ATR3020實物圖

4. 可靠性測試

圖6   ATR3020差分拉曼光譜儀的峰位強度穩定性測試

5. 測量附件

圖7 固體、粉末測量探頭

圖8 液體樣品測量池（Thermo瓶）

圖9 液體樣品測量池（液相色譜瓶，微量）（選配）

圖10 ATR20107型槍型拉曼探頭（選配）

圖11 測試調節架（選配）

6. 差分拉曼光譜的應用案例

6.1. 差分拉曼光譜法對塑料的鑒別分析

中國人民大學與刑事科學技術學院姜紅等人，利用差分拉曼光譜對收集的 42 個不同品牌不同廠家不同容量的塑料瓶進行檢驗，根據差分拉曼光譜圖可將樣品分為聚乙烯與聚對苯二甲酸乙二醇酯兩大類，每類樣品的拉曼特征峰存在一定差異。使用判別分析法對處理后的光譜數據進行分析，建立 8 個判別函數，實現對數據變量取值的預測，同時檢驗上述判別函數的判別能力，并建立判別分布圖，判別圖中 9 組樣品質心明顯區分，效果較好。

圖12 塑料樣品的常規拉曼光譜圖（左）和差分拉曼光譜圖（右）

6.2. 差分拉曼光譜法對鞋底材料的鑒別分析

運動鞋已成為人們日常出行的必需品，運動鞋鞋底作為一種常見物證，經常出現在各類刑事案件以及交通肇事現場中，通過對提取到的鞋底物證的檢驗，可為案件的偵破提供線索、指明方向，為證實提供科學的證據。隨著化工和高分子材料的迅速發展，鞋底材料從最初的皮革和天然橡膠（NR）逐漸演化到現在各種性能的新型材料。目前，檢驗鞋底材料的主要方法有紅外光譜法，X 射線熒光光譜法，掃描電子顯微鏡/能譜法等。差分拉曼光譜法具有無損檢材、處理時間短、操作簡便等特點，并能直接測量高熒光物質，濾除干擾峰（如環境光峰，PL 峰等），提高系統整體的檢測靈敏度和信噪比等優點。

中國人民大學與刑事科學技術學院姜紅等人，利用差分拉曼光譜對40 個白色運動鞋鞋底進行檢驗，并結合系統聚類分析對實驗數據進行處理，以期為法庭科學中運動鞋鞋底物證的區分檢驗提供一定的參考。

圖13 常見鞋底材料的差分拉曼光譜（a）乙烯‐醋酸乙烯共聚物EVA；（b）聚氯乙烯（PVC）

6.3. 差分拉曼光譜法對煙盒外包裝薄膜材料的鑒別分析

煙盒外包裝薄膜是指卷煙盒外包裹的一層薄膜，按主要成分的不同可以分為三類：雙軸拉伸聚丙烯薄膜（BOPP)、纖維素薄膜、乙烯丙烯復合膜（EPM)。市場上 BOPP 在煙盒外包裝薄膜生產中應用最多。目前，檢驗煙盒外包裝薄膜的方法主要有紅外光譜法、拉曼光譜法、差示掃描量熱法、X 射線熒光光譜法、小角激光散射法、整體分離痕跡比對法等。差分拉曼光譜技術作為一種新型方法，尚未見到應用到香煙物證的研究中，其不僅具有無損檢材、操作簡潔的特點，而且能直接測量高熒光物質，濾除背景噪聲，有效的降低干擾，提高系統整體的信噪比。

中國人民大學與刑事科學技術學院張進等人，采用差分拉曼光譜技術對不同的煙盒外包裝材料，進行了大量的實驗，取得了非常好的效果。

圖14 煙盒外包裝薄膜材料的常規拉曼光譜圖（36#a和36#b）和差分拉曼光譜圖（36#c）

圖15 常見煙盒包裝材料的差分拉曼光譜

6.4. 差分拉曼光譜法對表皮葡萄球菌的鑒別分析

食源性致病菌快速檢測一直都是農業食品安全問題中的熱點之一，它需要得到全社會足夠的重視。相對于傳統的檢測技術消耗時間長，操作繁雜，效率低下，目前的快速檢測技術在研究和開發方面都取得了長足的進步。以精確，特異性強等優點逐漸成為了農業食品監管工作的強大技術支撐。塔里木大學的許明翥采用的是新研發的差分拉曼技術和表面增強技術相結合方法，從而得到相關微生物的指紋圖譜，并入數據庫。從而實現后期對各類微生物的快速以及精確檢測。

圖16 表皮葡萄球菌差分拉曼圖譜；藍：加入金溶膠表皮葡萄球菌拉曼圖譜一；綠：加入金溶膠表皮葡萄球菌拉曼圖譜二；紅：加入金溶膠表皮葡萄球菌差分拉曼圖譜；黑：無增強劑表皮葡萄球菌差分拉曼圖譜。