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Wasatch Photonics拉曼光谱仪多样化的样品耦合选择

更新时间:2023-03-23 点击量:565

拉曼光谱仪是什么?

拉曼光谱仪不仅需要将高强度的激光输送到非常小的焦点,同时还需要灵敏地检测不到百万分之一的散射光子。那么,拉曼光谱仪如何将光传递到样品并从样品中收集光,对收集的数据质量和整套系统的最终灵敏度具有重大影响。


拉曼光谱仪类型多种可选,比如光纤耦合探头&光谱仪、带定制光学元件的自由空间耦合光谱仪,或带集成激光器的光谱仪系统——使用者会根据样品类型、环境和使用需求对拉曼光谱仪进行选择。在这篇技术讲解文中,我们将根据多个示例,讨论每种耦合方法的优缺点,并针对如何获得最佳结果进行探讨。无论您的使用需求如何,Wasatch Photonics都能针对您的应用需求,提供优化的样品耦合选项。


光纤耦合光谱仪和探头

通过光纤对激光的快速耦合及准直,大大地简化了拉曼系统的安装。拉曼探头采用SMA端口与光谱仪连接,采用FC端口与激光器连接,只需快速旋转几下即可完成拉曼光谱仪的安装,并开始测量,这种简易的拉曼光谱仪工作模式,是现场工作的理想方式,因而非常有利于拉曼光谱仪在教学实验工作的展开。日常在测样时,无需精细调整,只需将样品对准光谱仪端口,探头输出的光束则直达样品,这样对于测量不规则形状的固体样品和生物样品非常有利,同时也可以与比色皿或SERS(表面增强拉曼光谱)基板配合使用。


相比于自由空间光设计,光纤耦合的缺点是损耗更高。在光纤耦合结构中,由于激光引起的光纤内自发荧光也必须滤除,否则会给测量增加背景噪声。同时如果在探头设计中处理不当,未过滤的激光也可能造成同样的影响。


那么,提高测量信噪比的一种方法就是要选择高效光谱仪,并使用数值孔径(NA)与光谱仪输入相匹配的拉曼探头。Wasatch Photonics的拉曼光谱仪使用f/1.3光学孔径,相比典型的f/3至f/4二极管阵列光谱仪能捕获更多的光,并通过使用基于衍射极限、透射增强(AR涂层)光学器件的高效光学设计来保留并检测更多的光。另外 ,Wasatch Photonics的拉曼光谱仪具有0.36 NA输入,与标准0.22 NA多模光纤对接时,输入光不会填充通光孔径。虽然在与0.22 NA探头配合使用时仍然可以提供良好的信噪比,但当与Wasatch Photonics的0.36 NA拉曼探头配合使用时,效果会更好。

Wasatch Photonics的拉曼探头还能通过精细的滤波实现最大的传输和耦合效率,以及最小的背景噪声,再搭配Wasatch Photonics的光谱仪一起使用时即可提供高的信噪比,并且能在所有可用的激发波长下使用。

★Wasatch Photonics的光纤耦合拉曼探头、光谱仪和激光器均从可见光到近红外可选。

自由空间耦合光谱仪和定制光学元件

自由空间耦合光谱仪有一个圆柱形耦合端口,可提供0.36 NA视场(~42°锥体),这就要求使用者完成激光与样品、样品到光谱仪输入端口的所有准直工作,是非常不适合现场使用的。


但这种配置又常用于研究人员和OEM系统设计人员,他们希望对采样光学器件的设计(从光斑尺寸到工作距离)拥有自主控制权。而Wasatch Photonics设计的低f/#光谱仪不仅为这些用户提供了高品质的信号,还大大地提高了光通量和灵敏度,因此这种自由空间耦合光谱仪在批量生产的生产线或扫描应用中非常有用。

★Wasatch Photonics所有的拉曼光谱仪均能提供自由空间耦合输入版本。


带自由空间耦合的集成系统


Wasatch Photonics的集成拉曼系统可以使用户在尽可能小的体积内获得最佳的信噪比和灵敏度,其波长覆盖的范围从可见光到近红外可选。集成拉曼系统还简化了用户的操作,通过软件集成激光控制,以确保使用安全和操作方便,最终实现自动或远程测量。同时,还优化了集成拉曼系统的样品耦合光学元件,在标准的50 mm 工作距离上提供25 μm的激光光斑。使拉曼信号采集利用光谱仪的全f/1.3视场,在最短的采集时间内获得最大的灵敏度。OD 6滤光片可阻止不需要的散射光反射回系统,拉曼信号谱宽高达~200 cm-1(主要取决于激发波长)。


同时,Wasatch Photonics使用高效的光学器件、精细滤波和内部杂散光管理,保证集成系统具有低背景光和低噪声,并且能更好地匹配NA探头/光谱仪系统设计。


如上图所示,在830 nm激光激发环己烷的研究中可以看出,集成系统在信号水平方面优于模块化光谱仪/探头系统。通过下面的案例研究可以看出,集成拉曼系统对于检测极限方面的提升具有切实可行的优势。

案例研究:模块化探头VS集成系统检测极限,激光器@1064 nm
为了比较基于探头与集成系统的绝对灵敏度差异,此处使用带有快速安装比色皿座的WP 1064L拉曼系统与配置了1064 nm激光器和RP 1064拉曼探头的模块化WP 1064光谱仪进行水中异丙醇检测极限(LOD)和定量极限(LOQ)的测试。
使用带有快速安装比色皿座,充分利用光谱仪的整个f / 1.3孔径,并最大限度地减少光耦合损耗,从而产生比探头耦合配置更高的信号。为了量化灵敏度的增强,此时测量了浓度为0.1 – 100%异丙醇在水中稀释的样品,并依据“技术说明文件"中“荧光检测极限"描述方法计算出检测极限(LOD)和定量极限(LOQ)。在本次研究中LOD定义为信噪比(SNR)=3:1时的浓度,LOQ定义为SNR=10:1时的浓度。
与基于探头的系统相比,集成拉曼系统的LOD提高了2倍,LOQ也有部分提高。



由此可见,Wasatch Photonics集成拉曼系统是实验室使用和概念验证的理想选择,虽然如此,Wasatch Photonics也为OEM集成,提供更精简的定制光学设计和更小巧的系统尺寸。
★Wasatch Photonics会不断扩展集成拉曼系统产品线,持续为您带来更多惊喜。


Wasatch Photonics始终关注您在拉曼光谱系统设计时,希望拥有完整自主性和最大灵活性的想法。这就是为什么Wasatch Photonics在量程、分辨率、探测器冷却和样品耦合提供如此多定制化选项的原因——用Wasatch Photonics的建议和经验以及技术说明来支持每个选项,从而指导您的系统设计。让Wasatch Photonics帮助您创建适合您需求的系统。如需了解产品更多详情,请随时联系我们!