传统光谱仪由于光源，测量方式等限制，需要几秒钟或者更长的测量时间来获取个完整的光谱。 然而，生物医学、化学动力学等许多过程都是发生在微秒的时间内，这些过程是传统技术的光谱仪没办法观察到。
瑞士IRsweep公司推出的IRis-F1时间分辨快速双光梳红外光谱仪是种基于量子联激光器频率梳的红外光谱仪，突破了传统光谱仪需要几秒钟或者更长的测量时间来获取个完整的光谱的限制，能实现高达1 μs时间分辨的红外光谱快速测量，提供了结合高测量速度（微秒时间分辨率）、高光谱分辨率和宽光谱范围的解决方案，这种高速的测量方案开启了生物医药、化学反应动力学光谱分析的全新的可能。
IRis-F1应用域
> 时间分辨光谱 > 动力学研究
> 光催化研究 > 高通红外光谱分析
> 适用固体、液体、气体样品化学成分分析
IRis-F1快速红外光谱设备点
| > 1 μs时间分辨率 > 高达0.25 ~0.5 cm-1波数分辨率 > 双量子联激光频率梳技术提供高能量光源 | > 测量数据信噪比高 > 易于微量及痕量光谱分析
> 方便易用、可靠性高 |
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| 高信噪比 |
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| IRis-F1 微秒时间分辨超灵敏红外光谱仪原理示意图 |
IRis-F1快速红外光谱技术参数
| Time resolution | < 1 µs |
| Signal-to noise ratio | > 100 @ 1 µs integration time
> 1000 @ 100 µs integration time
> 1000 @ 10 sec integration time |
| Light source | Exchangable quantum cascade laser frequency comb sources.
Laser exchange may require exchange of additional system components. |
| Spectral coverage | 40 cm-1 - 120 cm-1 per exchangable laser source |
| Center wavelengths | 1050 cm-1 (9.5 µm ) – 1700 cm-1 (6 µm) available now
830 cm-1 (12 µm) – 2000 cm-1 (5 µm) under development |
| Spectral resolution | < 10 MHz (3x10-4 cm-1) |
| Spectral sampling | 0.25 cm-1– 0.5 cm-1 |
| User interface | Transmission and absorbance spectrum display |
| Power consumption | Data export in open format 110 – 230 VAC, 700 W typical including electronics |
设备选件：
IRcell – 超长光程激光样品池
| | | | > 适用于红外激光吸收光谱
> 工业、医疗、环境域的痕量气体检测
> 工业过程控制
> 安全监控
> 微量样品测试 |
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| | | | 更低容量更高灵敏度 > 光程长度：349 cm > 样品池体积：38 ml > 低边噪声水平：<0.2‰ rms |
IRcell技术参数
| Optical path length | 349 cm / 137” |
| Input-output beam angle | 28 degree horizontal
3 degree vertical |
| Beam alignment tolerance | ±0.002 degree horizontal
±0.1 degree vertical |
| Ideal numerical aperture | 0.027 |
| Input hole diameter | 4 mm / 0.157” |
| Fringe level | < 2.0 x 10-4 rms@ λ=4.3 µm |
| Wavelength range | IR / mid-IR / THz |
| Gas volume | 38 ml |
| Gas fittings | Swagelok 6 mm or 1/4” or
Whitworth G 1/8” |
| Absolute pressure range | 0-1 bar / 0-750 torr |
| Leak rate | < 1 x 10-7 bar x l/s |
| Mirror surface | Gold |
| O-Ring material | NBR |
| Absorption mask material | Teflon, others on request |
| BaF2 , CaF2 , Al2O3 , N-BK7, others on request others on request | Window material options |
10 cm diameter,3 cm height
(excluding gas connectors) | Dimensions |
| Mounting | 3 x M6 |
IRcell 应用案例
实时分析呼吸气体中的CO和CO2 — using an EC‑QCL
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| 实验装置示意图 |
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实验测试结果 Ghorbani, R. & F. Schmidt, F.M. Appl. Phys. B (2017) 123: 144. doi:10.1007/s00340-017-6715-x |
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使用IRcell用于呼吸气体的分析结果显示： > 成功探测呼唤气体中的CO2和CO > 较长的光程具有痕量气体探测的势 > 对痕量气体探测具有很高的信噪比 | | IRcell适用于： > 工业、医疗、环境域的痕量气体检测 > 工业过程控制 > 安全监控 > 微量样品测试 |
应用案例
■ 高温反应动力学研究
近期，斯坦福大学的NICOLAS H. PINKOWSKI研究团队与IRsweep公司合作成功用微秒时间分辨超灵敏双光梳红外光谱仪-IRis-F1（Dual-comb spectrometer, DCS）演示了中红外QCL的双梳状光谱仪在高能气相反应中的微秒分辨单次测量的应用。实验中配备了两个频率梳和多套立的验证测量系统，在压力驱动下的高温、高压反应釜中研究了种剧烈的丙炔氧化化学反应 。具体而言，作者在1225 K，2.8 大气压和2％p-C3H4 / 18％O2的预点火条件下，测量了丙炔与氧气之间1.0 毫秒高温反应的详细动力学光谱。实验所采用的量子联激光的双梳状光谱仪（DCS）是由两个立运行的，非固定频率的频率梳组成，其发射波长带宽为179 cm-1 (1174 cm-1-1233 cm-1), 具有9.86 GHz的自由频谱范围和5 MHz的频梳间距，可实现实测4 μs的时间分辨率（理论时间分辨率0.2 μs）。同时，作者使用另套立的带间联激光（ICL）光谱仪对DCS测量的精度做了仔细的对比研究，确认了DCS测量的准确性。研究结果表明，单脉冲DCS可以以4 μs时间分辨测量速率解析丙炔氧化动力学，DCS数据清楚显示：在反应早期（0-0.6 ms）能观察到宽带丙炔吸收征峰，而在0.75 ms之后可以观察到水的精细征光谱。在剧烈的高温高压反应中（1 ms 内约2500K和60倍的温度和压力变化）DCS数据显示了出良好的信噪比，其信号的自然噪声抑制和时间分辨率在高焓测试环境中显示出明显势。同时，立的辅助激光测量光谱（ICL）结果与DCS系统测量结果具有良好的致性。此外，DCS能够解析与温度直接相关的量子态信息。并且，随着光谱模型和高温截面数据库的改进，将来DCS系统的测量准确性会进步提升。 随着中红外双梳光谱技术的出现，为超灵敏双光梳红外光谱仪在高焓反应和非平衡环境的反应动力学研究中提供了广阔的研究机遇。研究者坚信超灵敏双光梳红外光谱仪在高能反应动力学研究中将会有更多应用前景。
参考文献：
[1] Nicolas H. Pinkowski et al., Dual-comb spectroscopy for high-temperature reaction kinetics, 2020, Meas. Sci. Technol. 31 055501, https://doi.org/10.1088/1361-6501/ab6ecc
■ 菌紫红质时间分辨红外光谱研究
菌紫红质（bacteriorhodopsin）是存在于细菌（如生活在盐湖中的嗜盐细菌）中的光敏跨膜质子泵。
 | | 时间分辨快速双光梳红外光谱测量结果显示： > 成功观察到微秒时间分辨下的菌紫红质光敏状态变化
> 在微秒测试时间内，mOD浓度下光谱结果良好> 光谱噪音水平低 时间分辨快速双光梳红外光谱适用于：
> 直接分析快速生物过程
> 实时研究动力学变化
> 高通分析蛋白-配体相互作用 |
| 时间分辨快速双光梳红外光谱测量结果 |
■ 光催化过程的时间分辨红外光谱研究
三联吡啶钌（Ru(bpy)32+ ）由于具有良好的受激发性，在电致发光（ECL）检测域有着广泛的应用。
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光催化水分解反应机理: (i) Ru(bpy)32+ 被光激活；(ii) 消耗 S2O82- ，变为3+ 价转态; (iii)在 Co3O4 催化下，电子从水转移到 Ru(bpy)33+ 还原成2+价转态 | 相应的实验方案示意图 |
 | | 时间分辨快速双光梳红外光谱测量结果显示：
> 成功观察到微秒时间分辨下的催化反应
> 获得μOD浓度下信号
> 能结合ATR技术
时间分辨快速双光梳红外光谱适用用于：
> 催化反应
> 化学反应
> 反应过程监控 |
| 时间分辨快速双光梳红外光谱测量结果 |
■ 时间分辨红外光谱进行远距探测
远距探测用于远程探测危险物质，如生物/化学试剂等在安全防护域具有重要的意义。而远距探测依赖于来自遥远表面的光束反射信号探测，具有较大的挑战。
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实验装置示意图 |
IRsweep远程探测方案测量结果 | IRsweep远程探测方案测量结果显示： > 成功探测到远程物体的漫反射信号 > 较高的输出能量具有远程探测的势
> 能探测到 1 μg/cm2 表面覆盖的信号
IRsweep远程探测方案可用于：
> 国土安全
> du品管制
> 机场安检 |
用户单位
2018年8月，套新代IRis-F1时间分辨快速双光梳红外光谱系统在德国柏林自由大学（ Free University of Berlin）的Joachim Heberle 教授组成功完成安装。
